max274带通滤波器设计

　　MAX274 为一种连续时间有源滤波器设计芯片，其内部由4 个相同的二阶单元组成，实现八阶滤波器，可以构成巴特沃思、贝塞尔、切比雪夫滤波响应特性，输出形式可以构成低通或带通输出。其内部相互独立的每一个二阶单元都能构成全极点带通与低通滤波响应特性，为了达到设计要求，理论上只需要根据设计参数找到4 个合适的匹配电阻与其相连接，即可以实现滤波响应。

　　该芯片优点： 输出噪声比开关电容低，动态性能更好; 不需要时钟，无混叠和时钟噪声; 中心频率范围可达150 kHz，在允许的整个温度范围内，频率精度可达土］%以内，总谐波失真（THD） 优于-89dB; 每个单元只需匹配4 个相应的电阻，并有辅助设计软件包。

　　理论设计思想

　　基于MAX274 硬件设计有源滤波器，MAXIM公司推出了相应的设计软件包（FilterDesignSoftware，以下简称FDS），可以从MAXIM 公司网站下载，下面来举例简单描述一下FDS设计软件包基于MAX274芯片为硬件基础的理论设计思想。

　　设计要求：带宽4kHz，上限截止频率5kHz，下限截止频率1kHz，通带内波动小于1dB，过渡带衰减80dB 倍频，输入信号0~10kHz宽带随机信号，最大VP.PS10V。

　　根据设计要求，我们将上述参数输入到FDS设计软件的相应位置，然后通过FDS软件的仿真结果来验证输出的频谱特性是否为我们所要求的（操作省略）。在确认参数仿真正确之后我们将其计算的参数应用于其硬件仿真电路中，可以发现I~5kHz 的带通滤波器是由8个二阶段组成（既要由两片MAX274芯片来完成），这8个二阶单元的相互电气关系如下所示。

　　其中每一个： 二阶单元的频谮特性都类似于一个针对某一中心频率（Fo） 的单频选择网络，只是每个。二阶单元所对应的中心频率不一样，GainI 与Gain8所对应的频谱特性可参考的图3Bpo Gain 和图I0BpoGain。我们可以发现这8 个二阶单元的频率响应在频谱图上是相加的，来构成最终总的频率响应图，即图10BpoGain 是前面的八个二阶单元对“input” 频率响应的总和。

　　FDS 软件会根据我们输入的参数自动完成外围电阻的计算，理论上我们可以将这些电阻按图所示连接于MAX274 相应的位置即可实现我们的带通滤波器设计。每个二阶单元外围电阻的连接方法如下图所示。

　　2理论设计存在的问题及其原因

　　根据FDS 设计软件的仿真结果我们可以清楚地看到滤波器电路的频率响应已经满足了设计要求，但是当将此软件中提供的电阻值应用到实际工作电路中进行调试的时候，我们从频谱分析仪上看到滤波器电路的传输特性并不是理想的带通模式，电路不能实现设计功能。为什么会有这种现象呢？难道是软件没有正确加载设计婴求？ 在此我们来查找一下问题的根源。

　　首先来看滤波器硬件屯路的传输特性到底存在什么现象： 先用带宽0~10kHz的随机信号（Vkms=IV） 作为输入，再用频谱分析仪接到滤波器电路的输出，这时发现其频谱特性曲线在通带内已经不再是一条直线，而是一条无规则的波浪线与斜线的叠加，根本不能满足设计要求。然后我们再选用单频正弦信号作为输入来测试电路，结果发现输入信号频率在1~I 6kHz的范围内，幅值被限制在几十毫伏，信号幅度一旦有所增加，在随后某一个二阶单元处输出就已经达到最大值（+5V），并有削波现象，并且导致下一个二阶单元输出相应的谐波，最后使整个电路的传输状态发生了改变。因此可以确认是滤波器二阶单元级联过程中某个环节的输出饱和才使电路没有达到设计要求。

　　然后我们再从FDS 软件设计原理上查找信号输出达到饱和的原因。我们观察图3~图10或者在表1中查看每个二阶单元的在F。处的增益参数，其中每个二阶单元的参数如表1所示。

　　在图3~图10中我们计算可以发现8个。二阶单元（共16阶） 级联的过程中1~1.6 kHz的频率范围内输出增益分贝值最大可达50dB 左右，MAX274采用+SV 供电，其各单元输出最大值即饱和值也只有+5V，我们可以从理论上简单计算一下在50dB增益下输入信号允许的最大幅值Vr ：

　　s0= 20 Logio （5/Vp），

　　Vp= 51（1050/20）： =51316.22=15.8mV。

　　所以，只有幅值不超过15 8mV 才可以保证滤波器的正常工作。但是在我们大多数使用情况下，这种要求是不现实的，并且最大峰值15.8mV 的输入信号在实际应用中其信噪比是很低的，因此15.8mV 的输入信号对此滤波器电路来说就已经构成了实用性胃险，在这种情况下我们不改善电路的状态是不能使用此滤波器电路的。通过以k分析，要改善电路的传输特性就必须要想办祛降低级联过程中出现的最大增益，只有这样才能保证放宽对输入信号的要求，才有可能保证滤波器的正常使用。

　　经过对MAX274 的理论设计方法进行分析和调试我们就可以发现，级联过程中出现的最大增益与我们设计要求中的过渡带衰减值是息息相关的： 过渡带衰减要求的越高，级联过程中某一。二阶环节处出现的最大增益值就会越大。因此要想降低级联过程中的最大增益必须要降低滤波器过渡带衰减的值。

　　3解决方案

　　采用降低对过渡带衰减要求的方法可以避免输出达到饱和，但是又与最终设计要求80 dB/倍频相矛盾，为了有效解决这个问题，我们采用2 个40dB/倍频带通滤波单元或者4 个20dB/倍频滤波单元级联来实现。其中每个滤波单元又是由若千个二阶单元级联组成，这样既可以实现降低最大增益又可以达到80dB/倍频的设计要求。通用原理框图如下：

　　其中各个滤波单元的硬件电路是完全相同的，传输特性也一样，因此这N个单元组成的滤波器频谱特性应该是各个单元的频谱特性相加值。若每个滤波单元的频率响应为GAIN（1），（1= 1、2.。。。。。）;则GAIN &=GAIN （1） + GAIN （2）+.。。。.+ GAIN（N）。

　　这时为了保证总的带内波动满足设计夔求必须要提高每个滤波单元的带内波动允许值，其值应最大设置为（总设计要求带内波动值）IN （N 为单元数）。

　　为了达到目前方式下对输入输出信号的要求，我们一般要在总的滤波器（即N个滤波单元看作一个整体） 的输入级前以及输出级后各加~ ~级线性增益调节电路。一般采用运算放大器构成的比例放大器，在输入级前将信号幅值减小，在输出级后再将信号幅值放大，一般总可以满足使用要求，调试也更为灵活，这样就实现了一个通用带通滤波器的实用性设计。

　　采用若千个带通滤彼单元级联可以大大减少采用电阻的种类，也可以避免大阻值电阻的应用，提高了可靠性，而且降低了成本，如果级联单元更多，可以达到更高的过渡带衰减要求。

　　4结束语

　　到此我们已经将采用MAX274 设计滤波器的过程及解决问题的方案了解清楚了。问题看起来似乎很容易，但是初用者进行设计，而且设计要求又较高的情况下，我们往往会忽略输入信号与滤波器实际应用之间的矛盾，导致最终的设计电路不能达到要求，不仅浪费了时间和精力，而且增加了费用。因此，我们在用FDS软件进行设计时一定要往意观察级联过程中的每一个输出环节的增益，在保证满足设计要求的前提下对电路进行最优化。