MAX270/MAX271 數(shù)字可編程雙二階連續(xù)時間低通濾波器詳解

引言

在電子設(shè)計領(lǐng)域，濾波器的性能對于信號處理至關(guān)重要。Maxim Integrated公司的MAX270/MAX271數(shù)字可編程雙二階連續(xù)時間低通濾波器，憑借其出色的性能和靈活的可編程特性，成為眾多信號處理應(yīng)用的理想選擇。接下來，我們深入了解這款濾波器的特點、參數(shù)及應(yīng)用。

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產(chǎn)品概述

MAX270/MAX271是數(shù)字可編程的雙二階連續(xù)時間低通濾波器。其典型動態(tài)范圍達(dá)96dB，遠(yuǎn)超多數(shù)開關(guān)電容濾波器，且無需額外濾波來消除時鐘噪聲。它適用于抗混疊和DAC平滑等應(yīng)用，還可級聯(lián)實現(xiàn)高階響應(yīng)。

主要區(qū)別

• MAX270：內(nèi)置一個未使用的運算放大器。
• MAX271：具有一個內(nèi)部跟蹤保持（T/H）電路。

產(chǎn)品特性

1. 連續(xù)時間濾波：無需時鐘，避免了時鐘噪聲問題。
2. 雙二階低通濾波器：每個濾波器部分可獨立編程，截止頻率范圍為1kHz至25kHz。
3. 高動態(tài)范圍：96dB的動態(tài)范圍，確保了良好的信號處理能力。
4. 無需外部組件：簡化了設(shè)計，減少了電路板空間。
5. 可級聯(lián)設(shè)計：能夠級聯(lián)以實現(xiàn)更高階的濾波響應(yīng)。
6. 低功耗關(guān)機模式：通過SHDN引腳控制，可降低功耗。
7. 跟蹤保持功能（MAX271）：適用于需要采樣和保持信號的應(yīng)用。

產(chǎn)品參數(shù)

絕對最大額定值

在設(shè)計時需注意其絕對最大額定值，如電源電壓V + 到 V - 為+17V，V - 到GND為 - 0.3V至 - 8.5V等。超過這些額定值可能會對器件造成永久性損壞。

電氣特性

• 濾波器特性：工作頻率范圍可達(dá)2MHz，可編程截止頻率范圍為1kHz至25kHz，不同編程代碼下的截止頻率誤差和濾波器增益等參數(shù)也有明確規(guī)定。
• 直流特性：包括輸出信號擺幅、失調(diào)電壓和輸入泄漏電流等參數(shù)。
• 動態(tài)濾波器特性：如總諧波失真、信號噪聲加失真和無雜散動態(tài)范圍等。
• 未使用運算放大器（MAX270）：具有1.2V/μs的壓擺率和2MHz的帶寬。
• 跟蹤保持（MAX271）：保持建立時間為500ns，采集時間為1.8μs等。
• 數(shù)字輸入：數(shù)字輸入高電壓為2.4V，低電壓為0.8V等。
• 電源要求：電源電壓范圍為±2.375V至±8V，靜態(tài)電流等參數(shù)也有相應(yīng)規(guī)定。

時序特性

規(guī)定了CS到WR的建立和保持時間、WR脈沖寬度、地址和數(shù)據(jù)的建立和保持時間等參數(shù)，確保正確的編程操作。

典型工作特性

濾波器增益與頻率關(guān)系

不同溫度和截止頻率編程代碼下，濾波器增益隨頻率變化的曲線展示了其頻率響應(yīng)特性。

級聯(lián)濾波器增益與頻率關(guān)系

級聯(lián)時的增益與頻率曲線，為實現(xiàn)高階濾波提供了參考。

濾波器諧波失真

展示了濾波器在不同條件下的諧波失真情況。

總諧波失真加噪聲與輸入頻率和幅度關(guān)系

這些曲線有助于評估濾波器在不同輸入條件下的性能。

MAX271濾波器加跟蹤保持的無雜散動態(tài)范圍

與輸入頻率、幅度和采樣頻率的關(guān)系，對于需要高精度采樣的應(yīng)用非常重要。

詳細(xì)工作原理

濾波器架構(gòu)

MAX270和MAX271都包含兩個獨立的二階Sallen - Key低通濾波器部分A和B，可提供約40dB/十倍頻程的頻率與增益滾降。它們采用連續(xù)時間設(shè)計，消除了開關(guān)電容濾波器的時鐘噪聲和混疊問題。

編程模式

• FP模式：通過將7位數(shù)據(jù)寫入兩個內(nèi)存地址之一來編程截止頻率。
• 引腳固定編程模式：同時對兩個濾波器部分進行編程，兩個內(nèi)存鎖存器透明，數(shù)據(jù)引腳D0 - D6可硬連線設(shè)置共同的截止頻率。

  濾波器調(diào)節(jié)

  在晶圓級進行調(diào)節(jié)，當(dāng)截止頻率編程為1kHz時，通帶最大峰值為0.15dB，其他代碼下典型通帶峰值小于0.15dB。

  額外功能模塊

• MAX270：包含一個未使用的運算放大器（同相輸入接地）。
• MAX271：具有片上跟蹤保持電路，可跟蹤和保持任一濾波器部分的輸出。

關(guān)機模式

通過SHDN引腳控制，可關(guān)閉內(nèi)部放大器并斷開所有輸出，將靜態(tài)工作電流降低至小于15μA。在MAX271的FP模式下，可通過寫入控制位到內(nèi)存來選擇關(guān)機模式。

引腳描述

MAX270引腳

MAX271引腳（不同模式）

在FP模式下，不同的地址輸入組合可實現(xiàn)濾波器截止頻率編程和跟蹤保持功能控制。在引腳固定模式下，數(shù)據(jù)引腳D0 - D6可直接控制濾波器的截止頻率。

濾波器編程與控制

截止頻率編程

通過數(shù)據(jù)引腳D0 - D6可對128個截止頻率進行編程，范圍為1kHz至25kHz。計算公式如下：

• 對于代碼0 - 63：(f{C}=frac{87.5}{87.5 - CODE} × 1 kHz)（(f{C}=1 kHz) 到 (3.57 kHz)）
• 對于代碼64 - 127：(f{C}=frac{262.5}{137.5 - CODE} × 1 kHz)（(f{C}=3.57 kHz) 到 (25 kHz)）

實際截止頻率會有一定誤差，在CODE = 0時精度最高，CODE = 127時頻率誤差通常在±9.5%以內(nèi)。

控制接口

• MAX270控制接口：A0引腳為三級輸入，可選擇內(nèi)存地址來更新截止頻率數(shù)據(jù)。將A0連接到負(fù)電源可選擇引腳固定模式。SHDN引腳低電平可關(guān)閉所有放大器。
• MAX271控制接口：MODE引腳連接到GND或V - 可選擇FP模式，不同的地址輸入組合可實現(xiàn)不同的功能。將MODE連接到V + 可選擇引腳固定模式。

性能分析

輸出驅(qū)動能力

所有輸出設(shè)計為驅(qū)動5kΩ與最大100pF電容并聯(lián)的負(fù)載，在更高負(fù)載水平下，輸出擺幅會變得不對稱。所有輸出可無限期短路到GND。

噪聲特性

帶寬為50kHz時，當(dāng)截止頻率分別編程為1kHz和25kHz，每部分的寬帶濾波器噪聲分別為12μVRMS和38μVRMS，動態(tài)范圍超過96dB。

輸入阻抗

直流時，INA和INB的輸入阻抗約為5MΩ，在25kHz時，有效輸入阻抗可能低至100kΩ。

MAX271跟蹤保持性能

相當(dāng)于一個由單位增益放大器緩沖的開關(guān)200pF電容。T/H引腳低電平時，輸出跟隨濾波器輸出；高電平時，保持存儲的電荷。T/H EN引腳低電平可斷開T/H OUT，實現(xiàn)多路復(fù)用操作。

應(yīng)用信息

電源配置

電源必須適當(dāng)旁路，最佳性能是將V + 和V - 通過4.7μF電解電容（鉭電容優(yōu)先）和0.1μF陶瓷電容并聯(lián)到GND。可使用4.75V至16V的單電源供電，但數(shù)字邏輯建議使用CMOS（軌到軌）邏輯。

無μP獨立編程

可通過MAX690 μP監(jiān)控電路和74HC373數(shù)據(jù)緩沖器，在電路上電時為濾波器A和B加載獨立的截止頻率數(shù)據(jù)。

總結(jié)

MAX270/MAX271數(shù)字可編程雙二階連續(xù)時間低通濾波器以其高動態(tài)范圍、靈活的編程特性和豐富的功能，為電子工程師在信號處理領(lǐng)域提供了強大的工具。在實際設(shè)計中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇濾波器的型號、配置參數(shù)和電源等，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。你在使用這款濾波器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。