MAX7490/MAX7491通用开关电容滤波器：设计与应用指南

作为电子工程师，在设计滤波器时，我们常常面临着对性能、功耗、灵活性等多方面的考量。Maxim公司的MAX7490和MAX7491双通用开关电容滤波器，为我们提供了一个出色的解决方案。今天，就让我们一起深入探讨这两款滤波器的特点、设计要点以及应用场景。

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1. 产品概述

MAX7490/MAX7491由两个相同的低功耗、低电压、宽动态范围、轨到轨的二阶开关电容模块组成。每个滤波器部分与两到四个外部电阻配合，可实现所有标准的二阶功能，如带通、低通、高通和陷波（带阻），且其中三种功能可同时实现。通过将两个二阶滤波器部分级联，可获得四阶滤波器，同理，多个MAX7490/MAX7491级联可轻松创建更高阶的滤波器。

时钟选项

该滤波器提供两种时钟选项：自时钟（通过使用外部电容器）或外部时钟，以实现更精确的截止频率控制。时钟与中心频率之比为100:1，采样频率是时钟频率的两倍，进一步分离了截止频率和奈奎斯特频率。

电源供应

MAX7490采用单+5V电源供电，MAX7491采用单+3V电源供电。两款器件均具有低功耗关断模式，并采用16引脚QSOP封装。

2. 产品特点

高性能指标

• 高精度：Q精度为±0.2%，时钟与中心频率误差为±0.2%。
• 宽频率范围：中心频率高达40kHz。
• 轨到轨输入输出：支持单电源轨到轨操作。

低功耗设计

在关断模式下，电源电流小于1µA，适合对功耗要求较高的应用。

灵活的时钟选择

内部或外部时钟可选，满足不同的设计需求。

多种滤波器功能

可实现高通、低通、带通和陷波滤波器，且易于级联实现多极点滤波器。

3. 电气特性

滤波器特性

• 中心频率范围：在模式1下为0.001至40kHz。
• 时钟与中心频率精度：在特定条件下，偏差小于±0.7%。
• Q精度：特定条件下偏差小于±2%。

时钟特性

• 最大时钟频率：4MHz。
• 内部振荡器频率：可通过外部电容进行调整。

电源要求

• 电源电压：MAX7490为4.5至5.5V，MAX7491为2.7至3.6V。
• 电源电流：在无外部负载的模式1下，典型值为3.5mA。

4. 引脚说明

引脚	名称	功能
LP_	二阶低通滤波器输出
BP_	二阶带通滤波器输出
N/HP	二阶陷波/高通滤波器输出
INV_	滤波器求和运算放大器的反相输入
S_	求和输入，决定电路拓扑（模式）
SHDN	关断输入，低电平有效
GND	接地引脚
VDD	正电源，需旁路电容
CLK	时钟输入，可连接外部电容或外部时钟
EXTCLK	外部/内部时钟选择输入
COM	公共引脚，内部偏置为VDD/2

5. 详细设计

时钟信号

外部时钟

使用外部时钟时，将EXTCLK引脚拉高或连接到VDD，CLK引脚用CMOS逻辑电平驱动。外部时钟频率的变化可调整滤波器的中心频率，公式为 (f{o} = f{CLK} / 100) 。

内部时钟

使用内部振荡器时，将EXTCLK引脚拉低或连接到GND，并在CLK和GND之间连接一个电容（COSC）。振荡器频率由电容值决定，公式为 (f{osc} (kHz)=135 × 10^{3} / C{osc}(pF)) 。

二阶滤波器阶段

MAX7490/MAX7491是双二阶滤波器，二阶拓扑允许使用标准滤波器表和方程来实现同时的低通、带通和陷波或高通滤波器，支持多种拓扑结构，如巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔、椭圆以及自定义算法。

内部公共电压

COM引脚设置共模输入电压，内部通过电阻分压器偏置为VDD/2。可通过外部电压源轻松覆盖该偏置，需用至少0.1µF的电容将COM旁路到模拟地。

反相输入

连接到INV的电阻应尽可能靠近INV，以减少杂散电容和噪声拾取。INV_是连续时间运算放大器的反相输入，表现为虚地。

输出

每个开关电容部分与两到四个外部电阻配合，可生成所有标准的二阶功能。输出信号的最大摆幅受电源电压限制，放大器输出可摆动到接近任一电源的0.2V范围内。

低功耗关断模式

将SHDN引脚拉低可激活关断模式，此时滤波器电源电流降至小于1µA（最大），滤波器输出变为高阻抗，COM输入在关断期间也变为高阻抗。正常操作时，将SHDN引脚拉高或连接到VDD。

6. 应用信息

滤波器工作模式

MAX7490/MAX7491提供多种工作模式，每种模式具有不同的特点和适用场景。

模式	LP	HP	BP	N	LP-N*	HP-N*	注释
1	●		●	●			fCLK/fO比为标称值，适用于带通滤波器级联、高阶巴特沃斯滤波器、高Q带通、低Q陷波
1B	●		●	●			与模式1相同，但fCLK/fO比大于标称值
2	●		●	●			模式1和模式3的组合，fCLK/fO比始终小于标称值，对电阻容差的灵敏度低于模式3
2N					●		模式2的扩展，允许更高频率，适用于低通椭圆滤波器
3	●	●	●				可在标称频率上下调整fO，常用于多极点切比雪夫滤波器、高阶带通、低通和高通滤波器
3A	●	●	●		●	●	模式3的扩展，需要一个外部运算放大器和两个额外电阻，适用于低通或高阶椭圆或考尔滤波器

设计方程

不同模式下有相应的设计方程，例如在模式1中：

[Q=frac{R{3}}{R{2}}] [f{notch} = f{O}] [H{OLP}=frac{-R{2}}{R{1}}] [f{O}=frac{f{CLK}}{100}] [H{OBP}=frac{-R{3}}{R{1}}] [H{ON 1}( as f to 0Hz)=frac{-R{2}}{R{1}}] [H{ON 2}left(right. at left.f=f{CLK} / 2right)=frac{-R{2}}{R_{1}}]

7. 注意事项

输入信号幅度范围

最佳输入信号范围应通过观察给定拐角频率下信号与噪声加失真（SINAD）比最大时的电压电平来确定。在大多数系统中，输入信号应尽可能大，以最大化信噪比（SNR），同时要留有足够的余量以确保在预期操作条件下无信号削波。

抗混叠和DAC后滤波

使用MAX7490/MAX7491进行抗混叠或DAC后滤波时，应使DAC（或ADC）和滤波器时钟同步，否则拍频可能会混叠到所需通带中。

混叠

混叠是大多数开关电容滤波器固有的现象，输入信号中高于采样率一半的频率分量将被混叠。可使用简单的无源RC低通输入滤波器来消除可能被混叠的输入频率。

时钟馈通

时钟馈通可通过在最终滤波器输出端添加简单的RC低通网络来大大降低，应选择尽可能低的截止频率以提供最大的噪声衰减。

宽带噪声

滤波器的宽带噪声主要取决于每个滤波器部分的Q值和级联顺序。在多级滤波器中，应首先放置Q值最高的部分以降低输出噪声。

8. 典型应用电路

文档中给出了一个4阶10kHz带通滤波器的典型应用电路，可作为我们设计的参考。

总结

MAX7490/MAX7491双通用开关电容滤波器具有高性能、低功耗、灵活性强等优点，适用于多种滤波应用。在设计过程中，我们需要根据具体的应用需求选择合适的工作模式和参数，并注意一些关键问题，如时钟同步、抗混叠等。希望通过本文的介绍，能帮助大家更好地理解和应用这两款滤波器。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎留言讨论。