LTC1569 系列低通滤波器的特性与应用指南

一、引言

在电子设计中，低通滤波器是一种常用的电路元件，用于过滤掉高频信号，只允许低频信号通过。LTC1569 系列低通滤波器以其高精度、可调节性和出色的性能，在数据通信和数据采集系统中得到了广泛应用。本文将详细介绍 LTC1569 - 6 和 LTC1569 - 7 滤波器的特性、使用方法以及测试流程。

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二、LTC1569 系列滤波器特性

2.1 滤波性能

LTC1569 系列滤波器具有出色的衰减特性，在 1.5 倍截止频率处衰减达到 50dB，在 6 倍截止频率处衰减达到 80dB。这使得它在对通带外频率成分抑制要求较高的应用中表现出色。

2.2 带宽与功耗

• LTC1569 - 7：适用于需要最大带宽的系统，截止频率最高可达 300kHz。
• LTC1569 - 6：提供低功耗解决方案，在截止频率 (fc = 4kHz) 时，功耗低至 8mW。

2.3 供电与封装

LTC1569 - 6 和 LTC1569 - 7 可在 3V 至 ±5V 的电源下工作，采用 8 引脚 SOIC 封装，便于集成到各种电路中。

2.4 控制特性

它们是单片 10 阶线性相位低通滤波器，是行业内首个无需外部时钟即可精确控制截止频率的采样数据滤波器。通过单个电阻即可实现可调性，这种易用性、精确调谐和小封装的特点，是分立元件难以实现的。其根升余弦增益响应和线性相位使其具有出色的低通特性和陡峭的选择性，非常适合数据通信和数据采集系统。

三、关键电气特性

3.1 输出电压范围

在单电源电路中，当 AGND 电压（引脚 3）为 [0.37x V + ] 时，输出电压范围达到最大。例如，当 (Vs = 5V) 时，AGND 电压为 1.85V；当 (Vs = 3V) 时，AGND 电压为 1.11V。AGND 电压范围为 [0.37x V + ] 至 [0.5x V + ]。

3.2 输出直流偏移

不同电源电压下，输出直流偏移有所不同。例如，当 (VS = 3V) 时，输出直流偏移为 ±15mV；当 (VS = +5V) 时，温度系数为 75uV/°C。

3.3 最小时钟频率

LTC1569 - 6 和 LTC1569 - 7 的最小时钟频率相关信息在文档中有明确规定。

3.4 典型截止频率变化

型号	REXT（kΩ）	典型截止频率（kHz）	典型截止频率变化
LTC1569 - 6	10	64	±1%
LTC1569 - 6	20.18	32	±2.0%
LTC1569 - 6	40.2	16	±3.5%
LTC1569 - 7	10	128	±1%
LTC1569 - 7	20.18	64	±2.0%
LTC1569 - 7	40.2	32	±3.5%

在 DC 626A 中，(REXT = REXT1 + REXT2)（(REXT1) 是 50k 10% 电位器，(REXT2) 是 3.4k 1% 电阻），最大 (REXT) 值为 81k（当 (REXT > 50k) 时，频率误差可能大于 +3.5%）。

四、计算外部电阻值

4.1 计算公式

• LTC1569 - 6：
  • (FCUTOFF = (64kHz / N)•(10k / REXT))（(REXT) 单位为 kΩ）
  • (REXT = (64kHz / FCUTOFF)•(10k / N))（(FCUTOFF) 单位为 kHz）
  • 根据 ((64kHz / FCUTOFF)) 的值选择 (N)：
    • 若 ((64kHz / FCUTOFF) < 4)，则 (N = 1)；
    • 若 (4 ≤ (64kHz / FCUTOFF) < 16)，则 (N = 4)；
    • 若 ((64kHz / FCUTOFF) ≥ 16)，则 (N = 16)。
• LTC1569 - 7：
  • (FCUTOFF = (128kHz / N)•(10k / REXT))（(REXT) 单位为 kΩ）
  • (REXT = (128kHz / FCUTOFF)•(10k / N))（(FCUTOFF) 单位为 kHz）
  • 根据 ((128kHz / FCUTOFF)) 的值选择 (N)：
    • 若 ((128kHz / FCUTOFF) < 4)，则 (N = 1)；
    • 若 (4 ≤ (128kHz / FCUTOFF) < 16)，则 (N = 4)；
    • 若 ((128kHz / FCUTOFF) ≥ 16)，则 (N = 16)。

4.2 计算电位器 (REXT1) 值的步骤

1. 对于 LTC1569 - 6（DC626A - A），计算 ((64kHz / FCUTOFF)) 并选择 (N)；对于 LTC1569 - 7（DC626A - B），计算 ((128kHz / FCUTOFF)) 并选择 (N)。
2. 对于 LTC1569 - 6，计算 (REXT = (64kHz / FCUTOFF)•(10k / N))；对于 LTC1569 - 7，计算 (REXT = (128kHz / FCUTOFF)•(10k / N))。
3. 计算电位器 (REXT1) 的值：(REXT1 = (REXT - 3.4k))。

例如，当 (FCUTOFF = 16kHz) 时：

• LTC1569 - 6：(N = 4)，(REXT = [640kHz/(16kHz • 4)]k = 10k)，(REXT1 = [10k - 3.4k] = 6.6k)。
• LTC1569 - 7：(N = 4)，(REXT = [1280kHz/(16kHz • 4)]k = 20k)，(REXT1 = [20k - 3.4k] = 16.6k)。

五、外部时钟频率

• LTC1569 - 6：(FCLOCK = 64x FCUTOFF)
• LTC1569 - 7：(FCLOCK = 32x FCUTOFF)

六、输入输出考虑

滤波器的输出（引脚 8）可以驱动 10k 和/或 40pF 的负载。在 DC626A 中，滤波器的输出通过一个 10Ω 电阻连接到 VOUT1（TP8），以避免直接驱动大于 40pF 的电容性负载（大于 40pF 的电容性负载会增加输出直流偏移和交流失真）。为方便测量，所有 DC626A 的测量都可以通过 VOUT2 的缓冲输出可靠进行。

七、跳线设置

DC626A - A 和 DC626A - B 的跳线设置如下：

• JP1：直流或交流输入信号耦合。
• JP2：双电源或单电源操作。
• JP3：将外部时钟连接到引脚 5 或设置引脚 5 对内部时钟进行 1、4 或 16 分频（由 (REXT) 设置）。
• JP4：引脚 6 设置为内部时钟（INT）或外部时钟（EXT）。
• JP5：通常为开路，用于测量滤波器输出直流电压时，将引脚 1 短接到引脚 3（JP5 短接）。
• JP6：通常将 - IN 输入（引脚 2）短接到 FILTER AGND（引脚 3），以提供单端输入到 + IN 输入（引脚 1）。

对于固定截止频率的差分输入，如果 IN - 的输入阻抗必须与 IN + 的输入阻抗匹配，则从 VIN - 到 FILTER AGND 连接可选电阻 (R3)（移除 JP6 上短接 TP3 到 TP4 的跳线）。(R3) 的值取决于时钟频率，对于 LTC1569 - 6 为 (62.5k• [64 kHz/fCUTOFF])，对于 LTC1569 - 7 为 (62.5k• [128 kHz/fCUTOFF])。

八、快速测试流程

8.1 双电源电路与外部时钟

8.1.1 滤波器输出直流偏移测试

1. 设置 DC626A - A（LTC1569 - 6）或 DC626A - B（LTC1569 - 7）板的跳线：JP1 到 DC，JP2 到 DUAL，JP3 到 EXT CLK，JP4 到 EXT，JP5 开路，JP6 短接。
2. 参考图 5 连接双电源、方波发生器、示波器和电压表。
3. 将双电源设置为 ±5V 并开启。
4. 开启预设输出 0V 至 5V、4.096MHz 方波的发生器。使用 4.096MHz 时钟时，LTC1569 - 6 的截止频率为 64kHz，LTC1569 - 7 的截止频率为 128kHz。
5. 电压表读数通常应为 ±15mV（在 ±5V 电源下未指定最大直流偏移）。

8.1.2 滤波器增益响应测试

1. 将 JP5 设置为开路。
2. 将正弦波发生器输出连接到 VIN +（TP1），发生器接地连接到 TP5。
3. 开启预设输出 1kHz、1V p - p 正弦波的正弦波发生器。
4. 连接到 VOUT2 的示波器应显示 1kHz、1V p - p 正弦波。1kHz、1V p - p 正弦波信号在滤波器通带内，应出现在滤波器输出端。
5. 将发生器设置为滤波器阻带内的输入信号：
   • 对于 LTC1569 - 6，为 100kHz、1V p - p 正弦波。
   • 对于 LTC1569 - 7，为 200kHz、1V p - p 正弦波。
6. 输出信号应小于 3mV p - p（衰减至少 50dB）。

8.2 单电源电路与内部时钟

8.2.1 滤波器输出直流偏移测试

1. 设置 DC626A - A（LTC1569 - 6）或 DC626A - B（LTC1569 - 7）板的跳线：JP1 到 AC，JP2 到 SINGLE，JP3 到 ÷1，JP4 到 INT，JP5 开路，JP6 短接。
2. 参考图 6 连接单电源、正弦波发生器、示波器和欧姆表。
3. 将 (REXT1) 设置为 6.6k 并移除欧姆表（当 (REXT1) 等于 6.6k 时，引脚 6 到 7 的总电阻等于 10k，如果引脚 5 设置为 ÷1（JP3 3 - 4），则 LTC1569 - 6 的截止频率为 64kHz，LTC1569 - 7 的截止频率为 128kHz）。
4. 开启设置为输出 3V 的电源。
5. 使用电压表测量从 VOUT2（TP14）到 GND（TP9）的电压，读数应为 1.20V ±25mV（当 (V + = 3.0V) 时，等于引脚 3 的电压）。
6. 将电压表从 VOUT2（TP14）连接到 FILTER AGND（TP4）（这是单电源下滤波器的直流偏移）。
7. 电压表读数的最大直流偏移应为 ±5mV（U2 缓冲器的电压偏移最大为 0.3mV）。

8.2.2 滤波器增益响应测试

1. 将 JP5 设置为开路。
2. 将正弦波发生器输出连接到 VIN +（TP1），发生器接地连接到 TP5。
3. 开启设置为输出 1kHz、1V p - p 正弦波的正弦波发生器。
4. 连接到 VOUT2 的示波器应显示 1kHz、1V p - p 正弦波。1kHz、1V p - p 正弦波信号在滤波器通带内，应出现在滤波器输出端。
5. 将发生器设置为滤波器阻带内的输入信号：
   • 对于 LTC1569 - 6，为 100kHz、1V p - p 正弦波。
   • 对于 LTC1569 - 7，为 200kHz、1V p - p 正弦波。
6. 输出信号应小于 3mV p - p（衰减至少 50dB）。

九、总结

LTC1569 系列低通滤波器以其高精度、可调节性和出色的性能，为电子工程师在数据通信和数据采集系统设计中提供了一个优秀的选择。通过本文介绍的特性、计算方法、跳线设置和测试流程，工程师可以更好地理解和应用这些滤波器，实现高效、可靠的电路设计。你在使用 LTC1569 系列滤波器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。