MAX7425 5 阶低通开关电容滤波器：高效低功耗设计之选

MAX7418 - MAX7425 5 阶低通开关电容滤波器：高效低功耗设计之选

作为电子工程师，在设计中选择合适的滤波器至关重要，它直接影响到整个系统的性能。今天，就来详细聊聊 Analog Devices 公司推出的 MAX7418 - MAX7425 系列 5 阶低通开关电容滤波器（SCFs），看看它在我们的设计中能发挥怎样的优势。

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一、器件概述

供电与功耗

MAX7418 - MAX7425 系列滤波器供电灵活，其中 MAX7418 - MAX7421 采用单 +5V 供电，MAX7422 - MAX7425 则采用单 +3V 供电。而且它的功耗极低，工作模式下仅需 3mA 供电电流，在关机模式下，供电电流可降至 0.2μA，这对于一些对功耗要求较高的低功耗应用，如电池供电设备来说，无疑是一个巨大的优势。

频率特性

该系列滤波器允许的转角频率范围为 1Hz 至 45kHz，适用于多种不同频率需求的应用场景。它提供了两种时钟选项：自时钟（通过使用外部电容器）和外部时钟，其中外部时钟可实现更精确的转角频率控制。此外，还有一个失调调整引脚，方便我们调整直流输出电平。

滤波器响应类型

不同型号的滤波器具有不同的响应特性：

• 椭圆响应（MAX7418/MAX7421/MAX7422/MAX7425）：提供陡峭的滚降和良好的阻带抑制。例如，MAX7418/MAX7422 的过渡比为 1.6，通常具有 53dB 的阻带抑制；MAX7421/MAX7425 的过渡比为 1.25，滚降更陡峭，通常具有 37dB 的阻带抑制。
• 贝塞尔响应（MAX7419/MAX7423）：能够对所有频率分量进行均等延迟，保留阶跃输入的波形形状，并且具有快速的建立时间，这在使用多路复用器（mux）为模数转换器（ADC）选择输入信号的应用中非常重要。
• 巴特沃斯响应（MAX7420/MAX7424）：提供最大平坦的通带响应，适用于要求通带内与直流增益偏差最小的仪器仪表应用。

二、主要特性

低功耗设计

前文提到过它的低功耗优势，无论是在工作模式还是关机模式，都能有效降低系统的整体功耗，延长设备的续航时间，这对于许多便携式设备和长期运行的系统来说是非常关键的特性。

时钟可调转角频率

时钟与转角频率比为 100:1，通过调整时钟频率，我们可以方便地调滤波器的转角频率，为设计带来了很大的灵活性。

多种封装形式

该系列滤波器采用 8 引脚 μMAX 封装，这种封装形式小巧紧凑，适合高密度电路板的设计，同时也便于焊接和安装。

低输出失调

输出失调电压低至 ±4mV，能够保证输出信号的准确性和稳定性，减少误差对系统性能的影响。

三、应用领域

ADC 抗混叠

在 ADC 前端使用该系列滤波器进行抗混叠处理，可以有效防止高频信号混叠到我们需要的低频信号中，提高 ADC 采样的准确性。

DAC 后置滤波

在 DAC 输出之后使用滤波器进行后置滤波，可以平滑 DAC 输出的信号，减少噪声和纹波，提高输出信号的质量。

CT2 基站

在 CT2 基站中，该滤波器可以对语音信号进行处理，提高语音通信的质量和稳定性。

语音处理

在语音处理系统中，它能对语音信号进行滤波，去除噪声和干扰，提升语音的清晰度和可懂度。

四、关键设计要点

时钟信号选择

• 外部时钟：使用外部时钟时，要求时钟信号的占空比为 40% 至 60%，通过 CMOS 门从 0 到 VDD 为 CLK 引脚供电。通过改变外部时钟的速率，可以调整滤波器的转角频率，计算公式为 (f{C}=frac{f{CLK}}{100})。
• 内部时钟：使用内部振荡器时，CLK 上的电容 (C{OSC}) 决定振荡器频率，计算公式为 (f{OSC(kHz)}=frac{k}{C_{OSC}(pF)})，其中对于 MAX7418/MAX7421/MAX7422/MAX7425，(k = 87×10^{3})；对于 MAX7419/MAX7420/MAX7423/MAX7424，(k = 110×10^{3})。为了避免杂散电容影响内部振荡器频率，需要尽量减小 CLK 处的杂散电容。

输入阻抗匹配

MAX7418 - MAX7425 的输入阻抗相当于一个开关电容电阻，计算公式为 (Z{IN}=frac{1}{(f{CLK} × C{IN})})，其中 (C{IN}=1 pF)。输入阻抗与频率成反比，为了保证信号的有效传输，建议使用输出电阻小于滤波器输入阻抗 10% 的驱动器。

低功耗关机模式

该系列滤波器具有低功耗关机模式，只需将 SHDN 引脚驱动为低电平即可激活。在关机模式下，滤波器的供电电流降至 0.2μA，输出变为高阻抗状态。正常工作时，将 SHDN 引脚驱动为高电平或连接到 VDD。

失调和共模输入调整

COM 引脚设置共模输入电压，内部通过电阻分压器偏置在电源电压的中间值。如果不需要失调调整，可将 OS 引脚连接到 COM；如果需要进行失调调整，可通过一个电阻分压器网络将外部偏置电压施加到 OS 引脚。输出电压可由公式 (V{OUT }=(V{IN } - V{COM })+V{OS}) 表示，其中 ((V{IN } - V{COM })) 经过 SCF 低通滤波，OS 在输出级相加。需要注意的是，不要让 OS 引脚悬空，否则会影响滤波器的性能。

电源设计

MAX7418 - MAX7421 使用单 +5V 电源，MAX7422 - MAX7425 使用单 +3V 电源，并且需要在 (V{DD}) 和 GND 之间并联一个 0.1μF 的旁路电容，以减少电源噪声对滤波器的影响。如果需要使用双电源，可将 COM 连接到系统地，GND 连接到负电源。单电源和双电源的性能是等效的，但无论采用哪种供电方式，CLK 和 SHDN 引脚的驱动电压范围都应从 GND（双电源工作时的 V -）到 (V{DD})。

输入信号幅度范围

滤波器的最佳输入信号范围取决于在给定转角频率下使信号 - 噪声加失真（SINAD）比最大化的电压电平。通过观察典型工作特性曲线中 THD + 噪声随输入信号峰 - 峰幅度的变化情况，可以确定最佳的输入信号幅度范围。

抗混叠和 DAC 后置滤波

在进行抗混叠或 DAC 后置滤波应用时，需要确保 DAC（或 ADC）和滤波器的时钟同步。如果时钟不同步，可能会产生拍频，这些拍频可能会混叠到我们需要的通带内，从而影响系统的性能。

谐波失真

滤波器内部的非线性特性会产生谐波失真，当输入纯正弦波时会产生谐波。文档中给出了不同型号滤波器在 (T_{A}= + 25^{circ}C) 和 10kΩ 负载下的典型谐波失真值，在设计时可以参考这些数据评估滤波器的性能。

五、总结

MAX7418 - MAX7425 系列 5 阶低通开关电容滤波器以其低功耗、宽转角频率范围、多种滤波器响应类型等优势，为电子工程师在设计中提供了一种高效、灵活的滤波解决方案。无论是在 ADC 抗混叠、DAC 后置滤波，还是在语音处理等应用领域，都能发挥出出色的性能。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择滤波器的型号和工作参数，并注意时钟信号、输入阻抗、电源设计等关键要点，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用开关电容滤波器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区留言分享。