MAX281：零誤差五階貝塞爾低通濾波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子工程師的日常工作中，濾波器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天我們要探討的是MAXIM公司的一款高性能濾波器——MAX281，這是一款零誤差的五階貝塞爾低通濾波器，在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

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一、產(chǎn)品概述

MAX281是一款無直流誤差的五階全極點(diǎn)儀表低通濾波器。它通過外部電阻和電容將集成電路與直流信號(hào)路徑隔離開，從而保證了直流精度。外部電阻和電容與片上的四階開關(guān)電容濾波器共同構(gòu)成了五階濾波器，其頻率響應(yīng)從直流到超過濾波器截止頻率，不過在阻帶衰減方面會(huì)有一定程度的降低。

濾波器的截止頻率由時(shí)鐘設(shè)定，時(shí)鐘可以是內(nèi)部生成的，也可以由外部提供。時(shí)鐘與截止頻率的比值為101，這使得時(shí)鐘紋波很容易被去除。MAX281A在內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器頻率和緩沖放大器失調(diào)電壓方面的規(guī)格比MAX281B更為嚴(yán)格。此外，對(duì)于需要最大平坦（巴特沃斯）幅度響應(yīng)的應(yīng)用，還提供了MAX280。

二、產(chǎn)品特性

2.1 低通特性

• 零直流誤差：采用獨(dú)特設(shè)計(jì)，確保在直流信號(hào)處理時(shí)無誤差。
• 低通帶噪聲：在通帶內(nèi)產(chǎn)生的噪聲極低，保證信號(hào)的純凈度。
• 寬截止頻率范圍：截止頻率范圍從直流到20kHz，能滿足多種應(yīng)用需求。
• 五階全極點(diǎn)貝塞爾響應(yīng)：具有良好的線性相位特性，減少信號(hào)失真。

2.2 時(shí)鐘與輸出

• 內(nèi)部或外部時(shí)鐘可選：方便工程師根據(jù)實(shí)際情況靈活配置。
• 可級(jí)聯(lián)以實(shí)現(xiàn)更高階滾降：通過級(jí)聯(lián)多個(gè)MAX281芯片，可以實(shí)現(xiàn)更高階的濾波器，增強(qiáng)濾波效果。
• 緩沖輸出：提供緩沖輸出，增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。

2.3 封裝形式

提供8引腳DIP或16引腳寬體SO封裝，便于不同的電路板布局和安裝。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

MAX281的特性使其在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，例如：

• 抗混疊濾波器：在采樣系統(tǒng)中，有效防止信號(hào)混疊，保證采樣的準(zhǔn)確性。
• 數(shù)據(jù)記錄儀：對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
• 數(shù)字電壓表：去除噪聲干擾，提高測(cè)量的精度。
• 稱重秤和應(yīng)變計(jì)：對(duì)微弱的傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波，確保測(cè)量的穩(wěn)定性。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 時(shí)鐘要求

4.1.1 內(nèi)部振蕩器

MAX281內(nèi)部包含一個(gè)標(biāo)稱頻率為140kHz的振蕩器。該頻率可以通過在COSC引腳和V - 之間連接外部電容來修改，計(jì)算公式為： [f{osc} = 140kHzleft(frac{33pF}{33pF + C{OSC}}right)] 由于工藝公差，MAX281B的振蕩器頻率可能會(huì)有±62.5%的變化，而MAX281A通過片上微調(diào)將頻率公差降低到±19.5%。為了進(jìn)一步調(diào)整振蕩器頻率，可以在電容和COSC引腳之間添加一個(gè)串聯(lián)電位器，新的頻率計(jì)算公式為： [f'{osc} = frac{f{osc}}{1 - 4R{C{OSC}}}] 其中，(f_{osc})是當(dāng)(R = 0)時(shí)的振蕩器頻率。使用外部電位器時(shí)，新的振蕩器頻率總是高于根據(jù)第一個(gè)公式計(jì)算的值。

4.1.2 外部時(shí)鐘

如果使用外部時(shí)鐘，內(nèi)部開關(guān)電容濾波器需要的時(shí)鐘頻率是所需截止頻率的101、202或404倍，具體取決于DIVIDER RATIO引腳的連接方式。當(dāng)DIVIDER RATIO引腳連接到不同電壓時(shí)，有不同的頻率比：

• 當(dāng)引腳(4 = V +)時(shí)，(f{CLK}/f{C}=101)；
• 當(dāng)引腳(4 = GND)時(shí)，(f{CLK}/f{C}=202)；
• 當(dāng)引腳(4 = V -)時(shí)，(f{CLK}/f{C}=404)。

外部時(shí)鐘輸入在COSC引腳的電壓擺動(dòng)必須接近電源軌（V + ，V - ）。標(biāo)準(zhǔn)的74HC00系列CMOS門雖然不能保證為COSC引腳提供符合CMOS標(biāo)準(zhǔn)的源電流和灌電流，但實(shí)際上可以驅(qū)動(dòng)該引腳。符合標(biāo)準(zhǔn)B系列輸出驅(qū)動(dòng)的CMOS門具有合適的電壓電平和電流，能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)芯片。內(nèi)部施密特觸發(fā)器感應(yīng)COSC引腳的典型觸發(fā)電平會(huì)根據(jù)電源電壓的不同而變化，例如：

• 當(dāng)(V + = + 2.5V)，(V - = - 2.5V)時(shí)，(V{H}=0.9V)，(V{L}=-1.15V)；
• 當(dāng)(V + = + 5V)，(V - = - 5V)時(shí)，(V{IH}=1.4V)，(V{IL}=-2.1V)。

4.2 外部電阻和電容值的選擇

內(nèi)部四極開關(guān)電容濾波器由外部電阻和電容驅(qū)動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)所需的截止頻率，DIVIDER RATIO引腳應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，同時(shí)電阻和電容的值應(yīng)滿足以下公式： [frac{f{C}}{1.1579}=frac{1}{2pi RC}] 其中，(f{C})為濾波器截止頻率。例如，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)10Hz的截止濾波器，可設(shè)置： [frac{1}{2pi RC}=frac{10Hz}{1.1579}=8.6363Hz] 電阻R通常約為20k，其最小值取決于最大輸入信號(hào)和FB引腳的灌電流能力（通常為1mA）。對(duì)于1Vp - p的信號(hào)，電阻的最小值為1k。

為了獲得最佳的貝塞爾響應(yīng)，RC乘積應(yīng)得到良好的控制。不準(zhǔn)確的RC乘積可能會(huì)導(dǎo)致FB引腳出現(xiàn)過度的峰值，從而導(dǎo)致輸出波形的削波和失真。在寬溫度范圍的應(yīng)用中，建議使用NPO陶瓷電容器，因?yàn)樗鼈兊臏囟认禂?shù)較小，而背對(duì)背連接的鉭電容器和陶瓷圓盤電容器會(huì)引入額外的通帶誤差（0.05 - 0.1dB）。

五、應(yīng)用注意事項(xiàng)

5.1 濾波器輸入電壓范圍

濾波器的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓擺動(dòng)通常在電源電壓的1V范圍內(nèi)。在選擇合適的外部電阻和電容值的情況下，除了FB引腳外，所有內(nèi)部和外部節(jié)點(diǎn)的幅度響應(yīng)不應(yīng)超過0dB增益。FB引腳的幅度響應(yīng)可能會(huì)出現(xiàn)一些峰值，具體情況如圖3所示。

當(dāng)使用±5V電源時(shí)，輸入電壓的峰 - 峰值不應(yīng)超過6.5V。如果輸入電壓超過這個(gè)值，可能會(huì)導(dǎo)致輸出波形的削波和失真，但濾波器不會(huì)損壞。任何引腳的絕對(duì)最大輸入電壓不應(yīng)超過電源電壓。

5.2 內(nèi)部緩沖器

FB引腳和OUT引腳的內(nèi)部輸出緩沖器是交流信號(hào)路徑的一部分。因此，電容負(fù)載大于30pF可能會(huì)在截止頻率附近的通帶內(nèi)引起增益誤差。內(nèi)部緩沖器也可以用作濾波器的輸出，但會(huì)有幾毫伏的輸出失調(diào)。

5.3 濾波器衰減

濾波器的滾降為30dB/倍頻程。當(dāng)時(shí)鐘速率增加，從而截止頻率增加時(shí)，濾波器的最大衰減會(huì)減小，這是由各種內(nèi)部反饋路徑的環(huán)路增益在較高頻率下的滾降引起的。

5.4 濾波器噪聲

濾波器的寬帶噪聲在±5V電源時(shí)通常為(90mu V)，在±2.5V電源時(shí)通常為(80mu V{RMS})。與傳統(tǒng)有源濾波器不同，在低于(0.1f{c})的頻率下，噪聲幾乎為零。大約2/3的整個(gè)寬帶噪聲集中在直流到(f_{c})的頻段內(nèi)。

5.5 瞬態(tài)響應(yīng)

MAX281的階躍響應(yīng)顯示了五階貝塞爾濾波器的特性，沒有過沖現(xiàn)象是貝塞爾響應(yīng)的典型特征。

5.6 抗混疊

內(nèi)部四階開關(guān)電容濾波器是一個(gè)采樣器件，因此在沒有帶限信號(hào)或連續(xù)信號(hào)前置的情況下會(huì)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。五階濾波器的極點(diǎn)自動(dòng)提供了抗混疊功能，在奈奎斯特頻率處的衰減大于35dB。

5.7 單電源操作

單電源操作時(shí)，AGND引腳和OUT引腳應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠茫獠侩娮韬碗娙輵?yīng)進(jìn)行調(diào)整，以考慮R'和C'組合的額外負(fù)載。如果輸入電壓的直流值約為電源電壓的1/2，則不需要R'和C'。如果使用外部電容來激活內(nèi)部振蕩器，其底部極板應(yīng)連接到系統(tǒng)地，AGND引腳也應(yīng)通過去耦電容進(jìn)行旁路。

5.8 時(shí)鐘饋通

如果將緩沖輸出引腳用作輸出，可以使用電阻和電容來降低時(shí)鐘饋通。在直流精確輸出端添加一個(gè)有源濾波器可以作為緩沖器，并提供時(shí)鐘饋通濾波。

5.9 級(jí)聯(lián)以實(shí)現(xiàn)更高階濾波器

兩個(gè)芯片可以有或沒有中間緩沖器進(jìn)行級(jí)聯(lián)。通過級(jí)聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)更高階的濾波器，但需要注意級(jí)聯(lián)可能會(huì)引入最大2mV的直流誤差。

六、應(yīng)用電路示例

6.1 過濾高直流電壓中的交流信號(hào)

在某些應(yīng)用中，需要從高直流電壓中過濾掉不需要的交流成分。如圖7所示，MAX281可以通過其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)這一功能，這得益于其分流架構(gòu)，而傳統(tǒng)的有源濾波器結(jié)構(gòu)通常難以實(shí)現(xiàn)。

七、總結(jié)

MAX281作為一款高性能的五階貝塞爾低通濾波器，具有零直流誤差、低通帶噪聲等諸多優(yōu)點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇時(shí)鐘源、外部電阻和電容等參數(shù)，同時(shí)注意濾波器的輸入電壓范圍、內(nèi)部緩沖器、衰減、噪聲等特性，以確保濾波器能夠穩(wěn)定、高效地工作。通過對(duì)MAX281的深入理解和應(yīng)用，相信可以為電子工程師在信號(hào)處理領(lǐng)域帶來更多的便利和創(chuàng)新。

各位工程師在使用MAX281的過程中，有沒有遇到過什么有趣的問題或者獨(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)景呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流！