探索 MAX7480 八阶低通巴特沃斯开关电容滤波器：设计与应用之道

引言

在电子工程领域，滤波器的选择对于系统性能至关重要。今天，我们聚焦于MAX7480这款八阶低通巴特沃斯开关电容滤波器（SCF），它在低功耗后数模转换（DAC）滤波和抗混叠等应用场景中有着出色的表现。接下来，我们将深入了解它的特性、工作原理、应用设计以及注意事项。

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一、MAX7480 概览

基本特性与优势

MAX7480能够在单一 +5V 电源下工作，静态电流仅为 2.9mA，且截止频率范围可从 1Hz 到 2kHz，这使其在低功耗应用中成为理想之选。同时，它具备关机模式，可将电源电流降至极低的 0.2µA，大大节省了能源。

时钟选项与输出调节

该滤波器提供了两种时钟选择：可以通过外部电容实现自时钟模式；也能使用外部时钟来精确控制截止频率。此外，它还配备了偏移调整引脚，方便对直流输出电平进行调整。

二、技术参数剖析

滤波器特性

截止频率范围为 1Hz - 2kHz，时钟与截止频率之比固定为 100:1，时钟 - 截止频率温度系数为 10ppm/°C。输出电压范围为 0.25V 至 VDD - 0.25V，输出失调电压典型值为 ±5mV。此外，总谐波失真加噪声（THD + N）低至 -73dB，显示出其优秀的信号处理能力。

时钟参数

内部振荡器频率（当 Cosc = 1000pF 时）典型值为 53kHz，时钟输入电流在 VCLK = 0 或 5V 时典型值为 ±24µA。时钟输入高电平为 VDD - 0.5V，低电平为 0.5V。

电源要求

电源电压范围为 4.5V - 5.5V，工作模式下电源电流典型值为 2.9mA，关机模式下为 0.2µA。电源抑制比（PSRR）在直流测量下典型值为 60dB。

三、工作模式与原理

时钟信号控制

• 外部时钟模式：适用于需要精确控制截止频率的场景。要求外部时钟的占空比在 40% - 60% 之间，使用 CMOS 门从 0 到 VDD 驱动 CLK。通过公式 (f{C}=f{CLK} / 100) 可知，改变外部时钟频率，就能方便地调整滤波器的截止频率。
• 内部时钟模式：在 CLK 和地之间连接电容（COSC）即可启动内部振荡器。振荡器频率由公式 (f{OSC}(kHz)=frac{53 cdot 10^{3}}{C{OSC}})（(C_{OSC})单位为 pF）确定。在使用时需注意尽量减小 CLK 处的杂散电容，以免影响内部振荡器频率。

输入阻抗特性

MAX7480 的输入阻抗等效于一个开关电容电阻，与频率成反比。其平均输入阻抗可通过公式 (Z{IN}=frac{1}{(f{CLK} cdot C{IN})})（(C{IN}=2.31 pF)）估算。设计时，一般建议驱动源的输出阻抗小于滤波器输入阻抗的 10%。

低功耗关机模式

当将 SHDN 引脚驱动为低电平时，滤波器进入关机模式，此时电源电流降至 0.2µA，输出变为高阻抗状态。而在正常工作时，需将 SHDN 引脚驱动为高电平或连接到 VDD。

四、应用设计要点

偏移与共模输入调整

COM 引脚电压决定了共模输入电压，内部通过电阻分压器将其偏置在电源电压的一半。要使用 0.1µF 电容将 COM 引脚旁路到地，并将 OS 引脚连接到 COM。若需要进行偏移调整或直流电平转换，可通过电阻分压网络向 OS 引脚施加外部偏置电压。输出电压可由公式 (V{OUT }=(V{IN }-V{COM })+VOS) 计算，其中 (V{COM}=V_{DD} / 2)（典型值）。不过需注意，大幅改变 COM 或 OS 引脚的电压会减小滤波器的动态范围。

电源设计

MAX7480 可使用单 +5V 电源供电，需用 0.1µF 电容将 VDD 旁路到地。若需要双电源（±2.5V），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相当，但无论使用哪种电源供电，CLK 和 SHDN 引脚都需从 GND（双电源时为 V -）驱动到 VDD。

输入信号幅度范围

对于特定的截止频率，可通过观察总谐波失真加噪声（THD + N）最小时的电压电平来确定最佳输入信号范围。在典型工作特性曲线中，可看到输入信号峰 - 峰幅度变化时的 THD + N 响应情况。测量时，OS 和 COM 引脚需偏置在电源电压的一半。

抗混叠与后 DAC 滤波

在进行抗混叠或后 DAC 滤波应用时，要确保 DAC 和滤波器的时钟同步，否则可能会出现差拍频率混叠到通带内的问题。由于该滤波器具有较高的时钟 - 截止频率比（100:1），可以降低前、后级开关电容滤波器（SCF）滤波的要求。在输入侧，使用截止频率高于 SCF 截止频率的低通滤波器可防止时钟频率附近的频率混叠到通带内；在输出侧，低通滤波器可衰减时钟馈通。

五、总结与思考

MAX7480 八阶低通巴特沃斯开关电容滤波器凭借其低功耗、宽截止频率范围、良好的信号处理能力以及丰富的应用灵活性，在电子工程设计中具有广泛的应用前景。然而，在实际设计过程中，我们需要充分考虑时钟同步、电源设计、信号幅度范围等因素，以确保滤波器性能的最优发挥。大家在实际应用中有没有遇到过类似滤波器的一些特殊问题呢？欢迎在评论区交流分享。