8 阶低通椭圆开关电容滤波器 MAX7400/MAX7403/MAX7404/MAX7407 深度解析

在电子设计领域，滤波器是不可或缺的重要组件，尤其是在处理信号时，需要对特定频率范围的信号进行筛选和处理。今天我们要深入探讨的是 Maxim 公司的 MAX7400/MAX7403/MAX7404/MAX7407 这一系列 8 阶低通椭圆开关电容滤波器（SCFs），它们在低功耗抗混叠和 DAC 后滤波等应用中表现出色。

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一、产品概述

MAX7400/MAX7403/MAX7404/MAX7407 系列滤波器有不同的供电规格，其中 MAX7400/MAX7403 采用 +5V 单电源供电，而 MAX7404/MAX7407 则使用 +3V 单电源。它们的供电电流仅为 2mA，能实现 1Hz 至 10kHz 的转角频率，非常适合低功耗应用。同时，该系列滤波器具备关机模式，可将供电电流降至 0.2µA，有效节省能源。

二、产品特性

2.1 滤波特性

• 阶数与类型：8 阶低通椭圆滤波器，这种设计能提供陡峭的滚降特性和良好的阻带抑制能力。
• 阻带抑制：MAX7400/MAX7404 能提供 82dB 的阻带抑制，过渡比为 1.5；MAX7403/MAX7407 过渡比为 1.2，滚降更陡峭，阻带抑制为 60dB。
• 转角频率：时钟与转角频率比为 100:1，转角频率范围为 1Hz 至 10kHz，可通过设置时钟频率轻松选择转角频率。

2.2 电气特性

• 低噪声和失真：以 MAX7400 为例，总谐波失真加噪声（THD + N）低至 -82dB。
• 低功耗：工作模式下电流为 2mA，关机模式下仅 0.2µA。
• 输出偏移：输出偏移电压低至 ±5mV。

2.3 时钟选项

• 自时钟：通过外部电容实现自时钟功能。
• 外部时钟：可使用外部时钟进行更精确的截止频率控制。

2.4 封装形式

提供 8 引脚的 SO 和 DIP 封装，方便不同的应用需求。

三、引脚配置与功能

引脚	名称	功能
1	COM	公共输入，内部偏置在电源中点，需用 0.1µF 电容外部旁路到地，也可通过外部电源驱动来覆盖内部偏置。
2	IN	滤波器输入
3	GND	接地
4	VDD	正电源输入，MAX7400/MAX7403 为 +5V，MAX7404/MAX7407 为 +3V
5	OUT	滤波器输出
6	OS	偏移调整输入，若需调整输出偏移，可外部偏置 OS；若无需调整，将 OS 连接到 COM。
7	SHDN	关机输入，低电平激活关机模式，高电平或连接到 VDD 为正常工作模式。
8	CLK	时钟输入，可连接外部时钟覆盖内部振荡器，也可通过连接外部电容（COSC）到地来设置内部振荡器频率。

四、工作原理

4.1 滤波结构

大多数开关电容滤波器采用双二阶节设计，但这种设计对组件变化较为敏感。而 MAX7400 系列采用了一种替代方法，通过开关电容积分器进行求和与缩放来模拟无源网络。这种无源网络可以使用 CAD 程序合成，也能在许多滤波器书籍中找到。

4.2 椭圆特性

椭圆滤波器在四种常见滤波器类型（巴特沃斯、贝塞尔、切比雪夫和椭圆）中具有最陡峭的滚降特性。其高 Q 值的极点和阻带零点使得滤波器在通带边缘附近具有尖锐的衰减特性，非常适合抗混叠和 DAC 后滤波应用。

4.3 时钟信号

• 外部时钟：滤波器设计使用占空比为 40% 至 60% 的外部时钟，通过改变外部时钟速率可调整滤波器的转角频率，公式为 (f{C}=f{CLK} / 100)。
• 内部时钟：当使用内部振荡器时，CLK 引脚的电容（COSC）决定振荡器频率，公式为 (f{OSC}(kHz)=frac{K cdot 10^{3}}{C{OSC}})（MAX7400/MAX7403 的 (K = 38)，MAX7404/MAX7407 的 (K = 34)）。

五、应用信息

5.1 偏移和共模输入调整

COM 引脚的电压设置共模输入电压，内部通过电阻分压器偏置在电源中点。可通过外部偏置电压调整输出偏移，输出电压公式为 (V{OUT }=left(V{IN }-V{COM }right)+V{OS })。

5.2 电源供应

MAX7400/MAX7403 使用 +5V 单电源，MAX7404/MAX7407 使用 +3V 单电源。需用 0.1µF 电容将 VDD 旁路到地。若需要双电源，可将 COM 连接到系统地，GND 连接到负电源。

5.3 输入信号幅度范围

理想的输入信号范围可通过观察总谐波失真加噪声（THD + N）最小化时的电压水平来确定。典型工作特性图表展示了输入信号峰 - 峰幅度变化时的 THD + N 响应。

5.4 抗混叠和 DAC 后滤波

在进行抗混叠或 DAC 后滤波时，需同步 DAC 和滤波器时钟，以避免拍频混入通带。高时钟与转角频率比（100:1）降低了前后滤波的要求，可使用简单的 RC 低通滤波器实现输入抗混叠和输出时钟衰减。

5.5 谐波失真

滤波器内部的非线性会产生谐波失真。在 (TA = +25^{circ}C) 时，不同型号滤波器在特定负载和输入信号下的典型谐波失真值可参考相关表格。

六、订购信息

该系列滤波器提供不同的温度范围和封装选项，包括 0°C 至 +70°C 和 -40°C 至 +85°C 的温度范围，以及 8 引脚的 SO 和 DIP 封装，方便工程师根据具体需求进行选择。

七、总结

MAX7400/MAX7403/MAX7404/MAX7407 系列 8 阶低通椭圆开关电容滤波器凭借其低功耗、良好的滤波特性和灵活的时钟选项，在抗混叠和 DAC 后滤波等应用中具有显著优势。工程师在设计时，可根据具体的应用场景和性能要求，合理选择合适的型号和配置，以实现最佳的滤波效果。你在实际应用中是否使用过类似的滤波器？遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。