探索MF10-N通用单片双开关电容滤波器：特性、设计与应用

在电子工程师的日常工作中，滤波器是一个不可或缺的重要组件。今天，我们来深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的MF10 - N通用单片双开关电容滤波器，详细了解它的特性、设计要点和应用场景。

文件下载：MF10CCWMX/NOPB.pdf

一、产品概览

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。每个模块搭配一个外部时钟和3 - 4个电阻，就能实现各种二阶功能。它具有以下显著特点：

1. 使用便捷：对于工程师来说，易于操作意味着能节省大量的开发时间。
2. 高精度时钟与中心频率比：时钟与中心频率比的精度可达±0.6%，这为精确的滤波设计提供了保障。
3. 频率稳定性好：滤波器截止频率的稳定性直接取决于外部时钟质量，对外部组件变化的敏感度低。
4. 多类型输出：具备独立的高通（或陷波或全通）、带通、低通输出。
5. 宽频率范围：fO × Q范围可达200 kHz ，最高工作频率可达30 kHz。
6. 多样的封装形式：提供20引脚0.3英寸宽的PDIP封装和20引脚表面贴装（SOIC）宽体封装，方便不同的应用场景选择。

二、关键参数与规格

1. 绝对最大额定值

这是确保器件安全性能的重要参数。例如，电源电压（V+ −V−）最大为14V，任何引脚的电压范围在V−−0.3V至V+ + 0.3V之间，任何引脚的输入电流限制在5 mA等。在设计电路时，必须严格遵守这些额定值，否则可能会对器件造成损坏。

2. 工作额定值

不同型号的MF10 - N如MF10ACN、MF10CCN、MF10CCWM的温度范围为0°C ≤TA ≤70°C 。在实际应用中，要根据工作环境温度来选择合适的器件型号。

3. 电气特性

在供电电压V+ = +5.00V和V− = −5.00V的条件下，它有众多关键的电气参数。比如中心频率范围在0.1 - 30 kHz ，时钟频率范围在5.0 Hz - 1.5 MHz ，时钟与中心频率比偏差在不同模式和条件下有具体的数值要求等。这些参数是我们设计滤波器性能的重要依据，大家在设计时要仔细参考。

三、引脚功能解析

MF10 - N的引脚设计涵盖了各种功能，下面为大家详细介绍几个关键引脚：

1. LP、BP、N/AP/HP引脚：分别是二阶低通、带通和陷波/全通/高通输出，这些输出通常能够吸入1.5 mA电流并提供3 mA电流，输出摆幅距离每个电源约1V。
2. INV引脚：是每个滤波器求和运算放大器的反相输入，属于高阻抗输入。
3. S1引脚：用于全通滤波器配置的信号输入引脚，驱动时源阻抗应小于1 kΩ ，若不使用则应连接到AGND。
4. SA/B引脚：控制一个开关，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，为滤波器的不同操作模式提供了灵活性。
5. CLKA、CLKB引脚：是每个开关电容滤波器构建模块的时钟输入，要求时钟电平一致（TTL或CMOS），时钟占空比应接近50%，特别是在使用高于200 kHz的时钟频率时。
6. 50/100/CL引脚：通过设置该引脚的高低电平，可以实现50:1或100:1的时钟与滤波器中心频率比，当引脚置低时还能触发简单的限流电路。

四、工作模式分析

MF10 - N具有多种工作模式，每种模式都有其独特的特点和应用场景。以下为大家介绍几种常见模式：

1. 模式1：陷波1、带通、低通输出

此模式下，陷波频率等于复极点对的中心频率，即 (f{notch }=f{0}=frac{f_{CLK}}{50}) 。低通增益和带通增益可以通过电阻比进行调整，电路动态关系也有相应的公式。这种模式适用于需要特定陷波和带通功能的应用。

2. 模式1a：非反相带通、低通

中心频率可以选择为 (frac{f{CLK}}{100}) 或 (frac{f{CLK}}{50}) ，带通增益有特定的计算公式。不过该模式在高Q值时动态性能可能不佳，有时可能需要输入缓冲器。

3. 模式3：高通、带通、低通输出

这是一种通用的状态变量滤波器模式，适合大多数通用滤波需求。不过由于输入求和放大器的有限GBW乘积，可能会导致Q值略有增强，如果这是一个问题，可以在R4两端连接一个小电容（10 pF - 100 pF）来提供一些相位超前。

大家在实际应用中，要根据具体的滤波需求来选择合适的工作模式。

五、设计实例：四阶Chebyshev低通滤波器

为了更好地理解MF10 - N的应用，我们以设计一个四阶Chebyshev低通滤波器为例。假设系统要求该滤波器具有1 dB波纹、直流增益为1、截止频率为1000 Hz。

1. 参数确定：根据系统要求，确定所需的两个二阶滤波器部分的中心频率、Q值和增益：
   • (f{0A} = 529 Hz, Q{A} = 0.785, H_{0A} = 1)
   • (f{0B} = 993 Hz, Q{B} = 3.559, H_{0B} = 1)
   • 所需的时钟与截止频率比为100 ，使用100 kHz的时钟信号。由于所需的中心频率无法通过50或100的时钟与中心频率比获得，因此需要通过外部电阻进行调整。
2. 模式选择：从模式表中可以看出，模式3可用于生成具有电阻可调中心频率的低通滤波器，所以我们选择模式3。
3. 电阻计算：首先选择输入电阻 (R{1A} = 20k) ，通过 (R{4A} = -H{OLPA}R{1A} = R_{1A} = 20k) 使通带增益的绝对值等于1 。对于第二个部分，使用类似的方法计算电阻。
4. 电路布局：在设计电路时，要注意将Q值较低的部分放在Q值较高的部分之前，以避免信号在中心频率附近出现削波。最后，根据供电方式（如±5V双电源或+10V单电源）进行合理的电路布局，并添加必要的电源旁路电容。

六、单电源操作注意事项

MF10 - N也可以在单端电源下工作，此时VA +和VD +连接到正电源（8V - 14V），VA -和VD -连接到地，AGND引脚必须连接到V+/2 。这个半电源点要非常“干净”，因为其上出现的任何噪声都会被视为滤波器的输入。半电源点可以通过一对电阻和一个旁路电容从电源电压中获得。

总之，MF10 - N通用单片双开关电容滤波器凭借其丰富的功能、良好的性能和多样的工作模式，为电子工程师提供了强大的滤波解决方案。在实际应用中，我们要根据具体的需求，合理选择工作模式、准确计算参数、精心设计电路，以实现最佳的滤波效果。大家在使用MF10 - N进行设计时，有没有遇到过一些独特的问题呢？欢迎在评论区分享交流。