深入解析MF10 - N通用单片双开关电容滤波器

在电子设计领域，滤波器是不可或缺的重要组件。今天我们要深入探讨的是德州仪器（Texas Instruments）的MF10 - N通用单片双开关电容滤波器，它在众多电子系统中都有着广泛的应用。

文件下载：MF10ACN.pdf

一、产品概述

MF10 - N由两个独立且易于使用的通用CMOS有源滤波器构建模块组成。每个模块搭配外部时钟和3到4个电阻，就能产生各种二阶函数。每个构建模块有3个输出引脚，其中一个输出可配置为实现全通、高通或陷波功能，另外两个输出引脚则执行低通和带通功能。

该滤波器的中心频率有多种依赖方式，低通和带通二阶函数的中心频率可直接依赖时钟频率，也可同时依赖时钟频率和外部电阻比；陷波和全通功能的中心频率直接依赖时钟频率，高通中心频率则依赖电阻比和时钟。通过级联两个二阶构建模块，MF10 - N最多可实现四阶函数；若要实现更高阶函数，则可级联多个MF10 - N封装。而且，它能形成任何经典的滤波器配置，如巴特沃斯、贝塞尔、考尔和切比雪夫滤波器。

二、产品特性

2.1 易用性

MF10 - N的设计使得它非常容易使用，工程师只需搭配外部时钟和少量电阻，就能轻松实现所需的滤波器功能。

2.2 高精度

时钟与中心频率比的精度高达±0.6%，能为滤波器设计提供准确的频率控制。

2.3 稳定性

滤波器截止频率的稳定性直接取决于外部时钟质量，确保了在不同环境下滤波器性能的稳定。

2.4 低灵敏度

对外部组件变化的低灵敏度，使得滤波器在组件参数发生一定变化时，仍能保持较好的性能。

2.5 多输出类型

具备独立的高通（或陷波或全通）、带通、低通输出，满足不同的信号处理需求。

2.6 宽频率范围

fO × Q范围高达200 kHz，工作频率可达30 kHz，适用于多种频率应用场景。

2.7 多种封装形式

提供20引脚0.3″宽PDIP封装和20引脚表面贴装（SOIC）宽体封装，方便不同的电路板设计需求。

三、电气参数

3.1 绝对最大额定值

• 电源电压（V+ − V−）：14V
• 任意引脚电压：V+ + 0.3V至V− − 0.3V
• 任意引脚输入电流：5 mA
• 封装输入电流：20 mA
• 功耗：500 mW
• 存储温度：150°C
• ESD敏感度：2000V

3.2 工作额定值

不同型号的MF10 - N（如MF10ACN、MF10CCN、MF10CCWM）工作温度范围为0°C至70°C。

3.3 电气特性

在V+ = +5.00V和V− = −5.00V的条件下，有一系列详细的电气参数，如中心频率范围、时钟频率范围、时钟与中心频率比偏差、直流偏移电压等。例如，中心频率范围为0.1 Hz至30 kHz，时钟频率范围为5.0 Hz至1.5 MHz。

四、引脚描述

4.1 输出引脚

LP(1,20)、BP(2,19)、N/AP/HP(3,18)分别为二阶低通、带通和陷波/全通/高通输出，这些输出通常能吸收1.5 mA电流并提供3 mA电流，每个输出通常能摆动到离每个电源1V以内。

4.2 输入引脚

• INV(4,17)：每个滤波器求和运算放大器的反相输入，为高阻抗输入。
• S1(5,16)：用于全通滤波器配置的信号输入引脚，驱动源阻抗应小于1 kΩ。
• SA/B(6)：激活开关，可将每个滤波器第二个求和器的一个输入连接到AGND或低通（LP）输出，提供滤波器配置的灵活性。

4.3 电源引脚

• VA +(7)、VD +(8)：模拟正电源和数字正电源，内部通过IC基板连接，可由同一电源源派生，也可分别旁路电容。
• VA −(14)、VD −(13)：模拟和数字负电源，与VA +和VD +类似。

4.4 其他引脚

• LSh(9)：电平转换引脚，可适应不同的时钟电平。
• CLKA(10)、CLKB(11)：每个开关电容滤波器构建模块的时钟输入，时钟占空比应接近50%，尤其是在使用高于200 kHz的时钟频率时。
• 50/100/CL(12)：通过连接该引脚的不同电平，可获得50:1或100:1的时钟与滤波器中心频率比，连接低电平时可触发电流限制电路。
• AGND(15)：模拟接地引脚，双电源操作时应连接到系统接地，单电源操作时应偏置到中间电源。

五、工作模式

MF10 - N有多种工作模式，每种模式都有其独特的特点和应用场景。

5.1 模式1：陷波1、带通、低通输出

fnotch = fO，适用于需要特定陷波频率的应用。

5.2 模式1a：非反相带通、低通

需要输入缓冲，高Q值时动态性能较差。

5.3 模式2：陷波2、带通、低通

fnotch < fO，可实现不同陷波频率的需求。

5.4 模式3：高通、带通、低通输出

通用状态变量滤波器，是最常用的通用模式。

5.5 模式3a：高通、带通、低通和陷波（带外部运算放大器）

除了基本的滤波功能，还包括可调节的陷波。

5.6 模式4：全通、带通、低通输出

可实现全通响应，但由于采样数据特性，全通滤波器幅度响应在fO附近会有0.4 dB的峰值。

5.7 模式5：分子复零点、带通、低通

当R1 = R2 = 0.02R4时，可提供更平坦的全通响应。

5.8 模式6a：单极点、高通、低通滤波器

实现单极点滤波功能。

5.9 模式6b：单极点低通滤波器（反相和非反相）

具有不同的低通滤波特性。

六、应用信息

6.1 频率控制

MF10 - N的中心频率与施加到时钟输入的方波频率（fCLK）成正比。通过将引脚12连接到适当的直流电压，滤波器中心频率fO可以设置为fCLK/100或fCLK/50。使用晶体时钟振荡器可以非常精确地设置fO（误差在±6%以内），也可以通过调整时钟频率轻松改变fO。

6.2 滤波器构建

可以使用MF10 - N的任一模块构建五种二阶滤波器类型，当需要更高阶滤波器时，可级联多个MF10 - N模块。

6.3 设计示例

以设计一个四阶切比雪夫低通滤波器为例，我们需要确定三个参数：f0（滤波器部分的中心频率）、H0（通带增益）和滤波器的Q值。通过查阅滤波器设计表，确定每个二阶滤波器部分的fO和Q值，然后根据这些值选择合适的电阻。在设计多二阶滤波器时，通常将Q值较低的阶段放在Q值较高的阶段之前，以避免信号削波。

七、单电源操作

MF10 - N也可以使用单端电源供电。在单电源操作时，VA +和VD +连接到正电源（8V至14V），VA −和VD −连接到地，AGND引脚必须连接到V+/2。这个半电源点需要非常“干净”，可以通过电阻对和旁路电容、三端稳压器或运算放大器来获得。同时，主电源电压应干净（最好经过调节）并使用0.1 μF电容旁路。

八、动态考虑

MF10 - N的最大信号处理能力受电源电压限制。放大器的输出能够摆动到离电源约1V以内，因此输入信号必须足够小，以确保输出不超过这些限制。当滤波器Q值较高时，低通或高通输出的增益会远大于标称滤波器增益，需要注意避免信号削波。同时，一个输出饱和可能会影响其他输出的性能，因此要避免任何滤波器部分过载。

九、偏移电压

文档中提到了内部偏移电压VOS1、VOS2和VOS3，这些偏移电压会影响滤波器的性能，在设计时需要考虑其对电路的影响。

总之，MF10 - N是一款功能强大、应用灵活的通用滤波器，工程师在使用时需要根据具体的应用需求，合理选择工作模式、配置电阻和时钟，以实现最佳的滤波效果。你在实际应用中是否遇到过类似滤波器的使用问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。