深度剖析 LTC1164：通用滤波器构建模块的卓越之选

一、引言

在电子设计领域，滤波器的重要性不言而喻。无论是抗混叠滤波、电信滤波，还是频谱分析等应用场景，都离不开高性能滤波器的支持。今天，我们要深入探讨的就是凌力尔特公司（Linear Technology）推出的一款明星产品——LTC1164 线性低功耗、低噪声四通道通用滤波器构建模块。它以其出色的性能和灵活的设计，成为了众多工程师的首选。

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二、产品特性

2.1 低功耗与集成度

LTC1164 在一个仅 0.3 英寸宽的封装内集成了四个滤波器，大大节省了电路板空间。同时，每个构建模块典型功耗仅为 850μA，在实现低功耗的同时，还能保证出色的噪声和失真性能。这种低功耗特性使得它在对功耗要求较高的应用中表现出色，例如便携式设备和电池供电系统。

2.2 低噪声性能

与 LTC1059、60、61 系列设备相比，LTC1164 的噪声降低了一半，为信号处理提供了更纯净的环境。在一些对噪声敏感的应用中，如音频处理和高精度测量，低噪声特性能够显著提高系统的性能和精度。

2.3 宽输出摆幅

该器件具有宽输出摆幅，能够适应不同的信号幅度要求。无论是处理小信号还是大信号，都能保证信号的完整性和准确性。

2.4 时钟与中心频率比率

LTC1164 提供 50:1 和 100:1 的时钟与中心频率比率，并且可以同时实现这两种比率。这种灵活性使得工程师能够根据具体的应用需求，精确调整滤波器的性能，满足不同的设计要求。

2.5 电源适应性

它可以在 ±2.37V 至 ±8V 的电源电压范围内工作，支持单 5V 电源和双电源供电。这种广泛的电源适应性使得 LTC1164 能够在不同的电源环境下稳定工作，提高了系统的兼容性和可靠性。

2.6 定制版本

此外，还提供包含内部薄膜电阻的定制单片版本，用户可以根据自己的需求进行定制，进一步提高设计的灵活性。

三、应用领域

3.1 抗混叠滤波器

在数据采集系统中，抗混叠滤波器是必不可少的环节。LTC1164 的低噪声和宽输出摆幅特性，能够有效地滤除高频噪声，防止信号混叠，保证采集到的信号准确可靠。

3.2 电信滤波器

在电信领域，对信号的质量和稳定性要求极高。LTC1164 可以用于构建各种类型的电信滤波器，如带通滤波器、低通滤波器等，满足不同通信系统的需求。

3.3 频谱分析

频谱分析需要对信号进行精确的频率分析，LTC1164 的高性能和灵活性使得它能够在频谱分析中发挥重要作用，帮助工程师更好地了解信号的频率特性。

3.4 环路滤波器

在锁相环（PLL）等系统中，环路滤波器用于稳定输入信号和输出信号之间的相位关系。LTC1164 可以作为环路滤波器的核心部件，提供稳定的滤波性能，保证系统的稳定性和可靠性。

对于固定低通滤波器要求，可使用 LTC1164 - XX 系列，以满足特定的滤波需求。

四、电气特性

4.1 电源电压范围

LTC1164 的电源电压范围为 ±2.37V 至 ±8V，能够适应不同的电源环境。在不同的电源电压下，其输出电压摆幅也有所不同，具体如下：

• 当 (V_S = ±2.5V) 时，输出电压摆幅为 ±1.6V；
• 当 (V_S = ±5.0V) 时，输出电压摆幅为 ±3.8V 至 ±4.2V；
• 当 (V_S = ±7.5V) 时，输出电压摆幅为 ±6.1V。

4.2 输出短路电流

在 (V_S = ±5.0V) 的条件下，输出短路电流（源/灌）为 1mA，这为系统的安全运行提供了保障。

4.3 直流开环增益和带宽积

直流开环增益在 (V_S = ±5.0V) 时为 80dB，GBW 积为 2MHz，保证了滤波器在不同频率下的性能。

4.4 压摆率

压摆率在 (V_S = ±5.0V) 时为 1.6V/μs，能够快速响应输入信号的变化，提高滤波器的动态性能。

4.5 中心频率范围和时钟与中心频率比率

中心频率范围为 0.1Hz 至 20kHz，时钟与中心频率比率有 50:1 和 100:1 两种可选。不同型号的 LTC1164 在时钟与中心频率比率的精度上有所差异，例如 LTC1164A 在 50:1 和 100:1 比率下的精度为 ±0.5%，而 LTC1164 为 ±0.9%。

4.6 温度系数

(fO) 温度系数在 (f{CLK} ≤ 500kHz) 时为 ±1ppm/°C，(Q) 温度系数在 (f_{CLK} ≤ 250kHz) 时为 ±5ppm/°C，保证了滤波器在不同温度环境下的稳定性。

4.7 最大时钟频率

不同工作模式下的最大时钟频率有所不同：

• 模式 1，当 (Q < 2.5) 且 (V_S ≥ ±7.0V) 时，最大时钟频率为 1.5MHz；
• 模式 3，当 (Q < 5) 且 (V_S ≥ ±5V) 时，最大时钟频率为 1.0MHz；
• 模式 3，当 (Q < 5) 且 (V_S = ±2.5V) 时，最大时钟频率为 500kHz。

4.8 时钟馈通和直流偏移电压

时钟馈通在 (f_{CLK} ≤ 500kHz) 且 (VS = ±5V) 时为 200μVRMS，直流偏移电压 (V{OS1}) 为 2 至 20mV，(V{OS2}) 和 (V{OS3}) 为 3 至 45mV。

4.9 电源电流

电源电流随电源电压和温度的变化而变化，例如在 (V_S = ±2.5V) 时为 4mA，在 (V_S = ±5V) 且温度 ≥ 25°C 时为 3.6 至 5mA 等。

五、工作模式

5.1 主要模式

5.1.1 模式 1

在模式 1 中，外部时钟频率与每个二阶部分的中心频率之比内部固定为 50:1 或 100:1。它可以实现二阶陷波、低通和带通输出，适用于制作高阶巴特沃斯低通滤波器、低 (Q) 陷波滤波器以及级联具有相同中心频率和单位增益的二阶带通函数。需要注意的是，模式 1 只能在 4 个 LTC1164 部分中的 3 个部分实现，因为部分 D 没有外部可用的求和节点，但在特殊要求下，部分 D 也可以在模式 1 中内部连接。

5.1.2 模式 3

模式 3 是另一种主要模式，外部时钟频率与每个二阶部分的中心频率之比可以在 50:1 或 100:1 以上或以下进行调整。LTC1164 的部分 D 只能在模式 3 中连接，它可以实现高通、带通和低通二阶滤波器功能，适用于制作高阶全极点带通、低通、高通和陷波滤波器。当内部时钟与中心频率比率设置为 50:1 时，(Q) 和带通增益的设计方程与 100:1 情况不同，这样可以在不影响噪声性能的前提下提高速度。

5.2 次要模式

5.2.1 模式 1b

模式 1b 是从模式 1 派生而来，通过添加两个额外的电阻 (R_5) 和 (R_6)，可以调整从低通输出到 SA（或 SB 或 SC）开关电容求和器输入的电压反馈量，从而使滤波器时钟与中心频率比率能够调整到 50:1 或 100:1 以上，同时保持模式 1 的速度优势。

5.2.2 模式 2

模式 2 是模式 1 和模式 3 的组合，时钟与中心频率比率 (f{CLK} / f{0}) 始终小于 50:1 或 100:1。它的优点是对电阻容差的敏感度比模式 3 低，并且与模式 1 一样，具有取决于时钟频率的陷波输出，陷波频率小于中心频率 (f_O)。

5.2.3 模式 3A

模式 3A 是模式 3 的扩展，通过两个外部电阻 (R_H) 和 (R_L) 将高通和低通输出求和以创建陷波。它比模式 2 更具通用性，因为陷波频率可以高于或低于二阶部分的中心频率。在级联 LTC1164 的部分时，高通和低通输出可以直接求和到下一部分的反相输入。这种拓扑结构适用于时钟与截止频率比率高于 100:1 的椭圆高通和陷波滤波器，有助于扩展允许的输入信号频率范围并避免过早混叠。

六、典型应用电路

6.1 8 阶低通巴特沃斯滤波器

如图 11 所示，该电路使用 LTC1164 构建了一个 8 阶低通巴特沃斯滤波器，通带噪声为 (90μV{RMS})。在 (f{CLK} = 500kHz) 时，(f_{-3dB} = 10kHz)，能够有效地滤除高频信号，提供平滑的低通滤波特性。

6.2 8 阶低通单电源椭圆 - 贝塞尔过渡滤波器

图 12 展示了一个 8 阶低通单电源椭圆 - 贝塞尔过渡滤波器，总电源电流为 4mA，通带噪声为 50μVRMS。该电路在单 5V 电源下工作，适用于对电源要求较为严格的应用场景。

6.3 8 阶低通椭圆滤波器

图 13 和图 14 分别给出了不同参数下的 8 阶低通椭圆滤波器电路，如 (f{CUTOFF} = 5kHz)，(f{CLK} = 250kHz) 时，在 10kHz 处达到 -78dB 的衰减，通带噪声为 (110μV_{RMS})，能够满足对滤波器性能要求较高的应用。

6.4 9 阶低通椭圆滤波器

图 15 和图 16 展示了一个 9 阶低通椭圆滤波器，固定 (f{CUTOFF} = 4kHz)，(f{CLK} = 400kHz)，在 5kHz 处达到 -74dB 的衰减，通带噪声为 (210μV_{RMS})，为更复杂的滤波需求提供了解决方案。

七、应用注意事项

7.1 接地和旁路

LTC1164 应使用分离的模拟和数字接地平面以及单点接地技术。引脚 6（AGND）应直接连接到模拟接地平面，引脚 7（(V^{+})）和引脚 19（(V^{-})）应分别通过 0.1μF 陶瓷圆盘旁路到接地平面，以减少噪声和纹波。对于单电源应用，(V^{-}) 可以连接到模拟接地平面。所有模拟输入应直接参考单点接地，时钟输入应与模拟电路屏蔽或远离，并使用单独的数字接地平面。

7.2 滤波输出缓冲

在驱动同轴电缆和 1x 示波器探头时，应缓冲滤波器输出，特别是在使用高 (Q) 值设计特定滤波器时。不充分的缓冲可能会导致噪声、失真、(Q) 和增益测量误差。当使用 10x 探头时，通常不需要缓冲。在进行 THD 测试时，建议使用缓冲器，并确保缓冲器充分旁路以最小化时钟馈通。

7.3 偏移归零

对于一些用户来说，低通滤波器可能存在过大的直流偏移。可以使用伺服电路来主动归零 LTC1164 或任何 LTC 开关电容滤波器的偏移，如图 5 所示的电路可以将偏移归零到优于 300μV，但由于积分器极点频率的原因，该电路需要几秒钟才能稳定。

7.4 噪声处理

所有提到的噪声性能均不包括时钟馈通。如果不采用上述接地、旁路和缓冲技术，噪声测量结果将会变差。典型性能特性部分中的宽带噪声与 (Q) 曲线能够很好地反映该器件的噪声性能。

八、总结

LTC1164 作为一款高性能的通用滤波器构建模块，具有低功耗、低噪声、宽输出摆幅、灵活的时钟与中心频率比率等诸多优点。它在多个应用领域都有出色的表现，并且提供了多种工作模式和定制选项，能够满足不同工程师的设计需求。在实际应用中，只要注意接地、旁路、缓冲和偏移归零等问题，就能够充分发挥 LTC1164 的性能优势，为电子系统的设计提供可靠的滤波解决方案。你在使用 LTC1164 过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。