探索MAX270/MAX271：数字编程双二阶连续低通滤波器的卓越性能

在电子设计领域，低通滤波器是一个关键的组成部分，它在信号处理、抗混叠等方面发挥着重要作用。今天我们要深入了解的是Maxim Integrated推出的MAX270/MAX271数字编程双二阶连续低通滤波器，它具有诸多出色的特性，能满足多种应用需求。

文件下载：MAX270.pdf

一、产品概述

MAX270/MAX271是数字编程的双二阶连续时间低通滤波器，其典型动态范围达到96dB，远超大多数需要额外滤波以去除时钟噪声的开关电容滤波器。这两款滤波器适用于抗混叠和DAC平滑应用，并且可以级联以实现更高阶的响应。

主要差异

MAX270带有一个片上未使用的运算放大器，而MAX271则具备内部跟踪保持（T/H）功能。

应用场景

广泛应用于低通滤波、抗混叠滤波、输出平滑、低噪声应用以及抗混叠和跟踪保持（MAX271）等领域。

二、产品特性

连续时间滤波

无需时钟，避免了时钟噪声问题，为低噪声应用提供了良好的解决方案。

双二阶低通滤波器

两个滤波器部分可独立编程，截止频率范围在1kHz至25kHz之间，用户可以根据实际需求灵活选择。

高动态范围

96dB的动态范围确保了信号处理的准确性和稳定性。

无需外部组件

这一特性简化了电路设计，降低了成本和电路板空间需求。

可级联性

可以级联多个滤波器以实现更高阶的响应，满足更复杂的滤波需求。

低功耗关断模式

通过SHDN引脚控制，可将静态工作电流降低到小于15μA，节省能源。

三、电气特性

绝对最大额定值

在使用过程中，需要注意电源电压、输入电压、输出短路持续时间等参数的绝对最大额定值，以避免对器件造成永久性损坏。例如，V+到GND的电压范围为-0.3V至+17V，V -到GND的电压范围为-0.3V至-8.5V等。

电气特性参数

• 滤波器特性：包括工作频率范围、编程截止频率范围、截止频率误差、滤波器增益、最大增益（峰值）、宽带噪声等。例如，编程截止频率范围为1kHz至25kHz，不同代码对应的截止频率误差有所不同。
• 直流特性：如直流输出信号摆幅、输出失调电压、直流输入泄漏电流等。
• 动态滤波器特性（MAX270）：总谐波失真、信号噪声加失真、无杂散动态范围等。
• 未使用的放大器（MAX270）：压摆率和带宽等参数。
• 跟踪和保持（MAX271）：保持建立时间、采集时间、保持阶跃、下垂率、T/H输出失调电压、T/H输出禁用时的泄漏电流、总谐波失真、无杂散动态范围等。
• 数字输入：数字输入高电压、数字输入低电压、数字输入电流等。
• 电源要求：电源电压范围、电源电流、关断电源电流、电源抑制比等。

四、详细描述

功能框图

MAX270和MAX271都包含两个独立的二阶Sallen - Key低通滤波器部分A和B，提供约40dB/十倍频的频率与增益滚降。它们采用连续时间设计，消除了开关电容滤波器的时钟噪声和混叠问题。

滤波器编程

每个滤波器部分包含两组可编程电容器，由内部7位存储器控制，可将滤波器截止频率（fC）设置为1kHz至25kHz。滤波器提供两种编程模式：FP模式和引脚绑定编程模式。

• FP模式：通过将7位数据写入两个存储器地址之一（每个滤波器部分一个）来编程截止频率。
• 引脚绑定编程模式：同时对两个滤波器部分进行编程，此时内部存储器锁存器透明，数据引脚D0 - D6可直接连接以设置共同的fC。

滤波器调整

滤波器在晶圆级进行调整，当fC编程为1kHz时，通带峰值最大为0.15dB，其他代码下的通带峰值通常小于0.15dB。

附加功能

MAX270包含一个未使用的运算放大器，MAX271具有片上T/H，可跟踪和保持任一滤波器部分的输出。T/H功能可通过写入控制位到内部寄存器（FP模式）或直接通过控制引脚（引脚绑定模式）进行控制。

关断模式

MAX270和MAX271提供低静态电流关断模式，通过SHDN引脚控制，可关闭内部放大器并断开所有输出。

五、引脚描述

MAX270引脚

PIN	NAME	FUNCTION
1	OP OUT	未使用的运算放大器输出
2	V+	正电源电压
3	OUTA	滤波器A输出
4	SHDN	关断控制，低电平断开输出并使器件进入关断模式
5	INA	滤波器A输入
6	V-	负电源电压
8	OUTB	滤波器B输出
9	GND	接地
10	WR	写控制输入，低电平写入数据
11	CS	芯片选择输入，低电平有效
12	AO	三级地址输入，选择滤波器A或B或引脚绑定模式
13 - 19	DO - D6	7位数据输入，用于编程截止频率
20	OP IN	未使用的运算放大器输入

MAX271引脚

在不同模式下，引脚具有不同的功能。例如，在µP模式下，地址可编程存储器控制滤波器截止频率编程和所有T/H功能；在引脚绑定模式下，数据引脚D0 - D6直接控制滤波器A和B的fC。

六、滤波器编程与控制

截止频率计算

根据编程代码，可使用以下公式计算截止频率：

• 对于代码0 - 63（fC = 1kHz至3.57kHz）：[f_{C}=frac{87.5}{87.5 - CODE} × 1 kHz]
• 对于代码64 - 127（fC = 3.57kHz至25kHz）：[f_{C}=frac{262.5}{137.5 - CODE} × 1 kHz]

实际截止频率会存在一定误差，最高精度出现在CODE = 0时，此时滤波器调整为1kHz截止频率。

控制接口

• MAX270控制接口：A0引脚为三级输入，选择存储器地址以更新截止频率数据。连接A0到负电源可选择引脚绑定模式，SHDN引脚低电平可关闭所有放大器并断开输出。
• MAX271控制接口：MODE引脚连接到GND或V -选择µP模式，连接到V +选择引脚绑定模式。在不同模式下，地址和数据引脚具有不同的功能。

七、性能与应用注意事项

滤波器性能

内部放大器和输出级设计用于驱动5kΩ并联最大100pF的负载，工作频率范围受内部放大器带宽限制约为2MHz。

滤波器噪声

在50kHz带宽内，当fC编程为1kHz和25kHz时，宽带滤波器噪声分别为12µVRMS和38µVRMS。

滤波器输入阻抗

直流时，INA和INB的输入阻抗约为5MΩ，高频时，内部电容器会使有效输入阻抗降低，在25kHz时可能低至100kΩ。

电源配置

电源必须正确旁路，建议使用4.7µF电解电容（钽电容优先）和0.1µF陶瓷电容并联旁路V +和V -到GND。单电源供电时，需注意逻辑阈值电压和CMOS逻辑接口的使用。

独立fC编程

可在不使用µP的情况下，通过MAX690 µP监控电路和74HC373数据缓冲器对滤波器A和B进行不同截止频率的编程。

八、总结

MAX270/MAX271数字编程双二阶连续低通滤波器以其丰富的特性、良好的电气性能和灵活的编程方式，为电子工程师在信号处理、抗混叠等领域提供了一个优秀的解决方案。在实际应用中，工程师需要根据具体需求合理选择滤波器的参数和工作模式，并注意电气特性和应用注意事项，以确保电路的稳定性和可靠性。你在使用类似滤波器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。