5 階零直流誤差低通濾波器 MAX280/MXL1062 深度解析

在電子工程領(lǐng)域，濾波器是信號處理中不可或缺的關(guān)鍵組件。今天，我們將深入探討 MAX280/MXL1062 這兩款 5 階零直流誤差低通濾波器，詳細(xì)了解它們的特性、應(yīng)用以及設(shè)計要點。

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一、產(chǎn)品概述

MAX280/MXL1062 是 5 階全極點儀表低通濾波器，具有零直流誤差的顯著特點。它通過外部電阻和電容將集成電路與直流信號路徑隔離，從而實現(xiàn)出色的直流精度。

（一）主要特性

1. 低通濾波且無直流誤差：有效過濾高頻信號，同時確保直流信號的準(zhǔn)確性。
2. 低通帶噪聲：在通帶內(nèi)提供低噪聲的信號傳輸。
3. 截止頻率范圍：從直流到 20kHz，滿足多種應(yīng)用需求。
4. 5 階全極點濾波器：提供更陡峭的衰減特性。
5. 內(nèi)部或外部時鐘：可根據(jù)實際需求選擇時鐘源。
6. 可級聯(lián)以實現(xiàn)更高階滾降：通過級聯(lián)多個濾波器，實現(xiàn)更高階的濾波效果。
7. 緩沖輸出：方便與后續(xù)電路連接。
8. 封裝形式多樣：有 8 引腳 DIP 和 16 引腳 SOIC 兩種封裝可供選擇。

（二）工作原理

外部電阻和電容與片上 4 階開關(guān)電容濾波器共同構(gòu)成 5 階低通濾波器。通過內(nèi)部時鐘設(shè)置濾波器的截止頻率，時鐘與截止頻率的比例為 100:1，便于去除時鐘紋波。

二、產(chǎn)品選型與訂購信息

三、電氣特性

（一）電源電壓與電流

• 工作電源電壓：雙電源為 ±2.375V 至 ±8V，單電源為 4.75V 至 16V。
• 電源電流：在不同溫度下有所變化，典型值為 5.0 至 10.0mA。

（二）輸入頻率范圍

輸入頻率范圍為 0 至 20kHz。

（三）濾波器增益

在不同輸入頻率和條件下，濾波器的增益有所不同。例如，在特定條件下，當(dāng)輸入頻率為 0.5fc 時，增益為 -0.02 至 -0.3dB；當(dāng)輸入頻率為 2fc 時，增益為 -30dB。

（四）時鐘與截止頻率比例

時鐘與截止頻率的比例為 100±1，可通過調(diào)整引腳 4 的電壓來改變該比例。

（五）內(nèi)部緩沖器特性

• 偏置電流：在不同溫度下有所變化，典型值為 2 至 1000pA。
• 失調(diào)電壓：MXL1062 為 0.2 至 20mV，MAX280 為 2mV。
• 電壓擺幅：在特定條件下為 ±3.5 至 ±3.8V。
• 短路電流源/吸收：為 30/2mA。

四、設(shè)計要點

（一）時鐘要求

1. 使用分頻比：通過將 DIVIDER RATIO 引腳連接到不同的電壓（V+、GND 或 V-），可設(shè)置內(nèi)部 CLK 與 fosc 的比例為 1/1、1/2 或 1/4。
2. 使用內(nèi)部振蕩器：內(nèi)部振蕩器頻率可通過在 Cosc 引腳與 GND 之間連接外部電容進(jìn)行修改。計算公式為 (f{OSC}=140kHz(33pF/(33pF+C{OSC})))。在 MAX280 中，片上微調(diào)可將振蕩器頻率公差降低至 ±19.5%。
3. 使用外部時鐘：內(nèi)部開關(guān)電容濾波器需要一個比所需截止頻率高 100 倍的時鐘。外部時鐘輸入應(yīng)接近電源軌（V+、V-）。

（二）外部電阻和電容選擇

外部電阻和電容作為濾波器反饋回路的一部分，同時形成一個極點。為實現(xiàn)最大平坦幅度響應(yīng)，時鐘應(yīng)是所需截止頻率的 100 倍，且電阻和電容應(yīng)滿足 (frac{f_{C}}{1.62}=frac{1}{2pi RC})。對于寬溫度范圍應(yīng)用，建議使用 NPO 陶瓷電容器。

五、應(yīng)用信息

（一）濾波器輸入電壓范圍

濾波器各節(jié)點通常在電源電壓的 1V 范圍內(nèi)擺動。輸入電壓不應(yīng)超過電源電壓，否則可能導(dǎo)致輸出波形削波和失真。

（二）內(nèi)部緩沖器

內(nèi)部緩沖器是交流信號路徑的一部分，電容負(fù)載大于 30pF 可能導(dǎo)致通帶內(nèi)增益誤差。

（三）濾波器衰減

濾波器滾降為 30dB/倍頻程，時鐘速率增加時，濾波器的最大衰減會降低。

（四）濾波器噪聲

濾波器寬帶噪聲在 ±5V 電源下典型值為 (90mu V{RMS})，在 ±2.5V 電源或 +5V 單電源下典型值為 (80mu V{RMS})。

（五）瞬態(tài)響應(yīng)

濾波器的階躍響應(yīng)近似于理想的 5 階最大平坦（巴特沃斯）濾波器。通過調(diào)整 1/2πRC 的值，可近似實現(xiàn)貝塞爾濾波器的響應(yīng)。

（六）抗混疊

外部電阻和電容形成的第 5 個濾波器極點可自動提供抗混疊功能，在奈奎斯特頻率處衰減大于 43dB。

（七）單電源操作

在單電源操作時，AGND 引腳和 OUT 引腳應(yīng)偏置在 1/2 電源電壓。外部電阻和電容應(yīng)調(diào)整為 ((1/2pi RC)=f_{C}/1.84)。

（八）時鐘饋通

可通過在緩沖輸出引腳使用電阻和電容來降低時鐘饋通。

（九）級聯(lián)以實現(xiàn)更高階濾波器

兩個芯片可級聯(lián)以實現(xiàn) 10 階低通濾波器，可選擇有或無中間緩沖器。

（十）創(chuàng)建陷波濾波器

MAX280/MXL1062 可用于創(chuàng)建陷波濾波器，通過將輸入信號與濾波器輸出相加，可在特定頻率處形成陷波。

六、總結(jié)

MAX280/MXL1062 5 階零直流誤差低通濾波器具有多種優(yōu)異特性，適用于多種應(yīng)用場景。在設(shè)計過程中，需要根據(jù)具體需求合理選擇時鐘源、外部電阻和電容等參數(shù)，以實現(xiàn)最佳的濾波效果。你在實際應(yīng)用中是否遇到過類似濾波器的設(shè)計難題？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。