MAX280/MXL1062：5阶零直流误差低通滤波器的深度解析

在电子设计领域，滤波器是信号处理中不可或缺的关键组件。今天，我们将深入探讨一款性能卓越的滤波器——MAX280/MXL1062 5阶零直流误差低通滤波器，详细剖析其特性、应用以及设计要点。

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一、产品概述

MAX280/MXL1062 是一款 5 阶全极点仪表低通滤波器，具有零直流误差的显著特点。它通过外部电阻和电容将集成电路与直流信号路径隔离，从而实现了出色的直流精度。该滤波器拥有诸多吸引人的特性：

1. 零直流误差：确保了在处理直流信号时的高精度。
2. 低通带噪声：有效减少了通带内的噪声干扰。
3. 截止频率范围广：从直流到 20kHz，能满足多种不同的应用需求。
4. 可级联性：两个 MAX280/MXL1062 可以级联形成 10 阶低通滤波器，进一步提高滤波性能。
5. 多种封装选择：提供 8 引脚 DIP 或 16 引脚 SOIC 封装，方便不同的 PCB 布局设计。

二、技术参数与特性

（一）时钟与截止频率

滤波器的截止频率由内部时钟设置，且时钟可外部驱动，时钟与截止频率的比率为 100:1，这使得时钟纹波易于去除。例如，若需要 10kHz 的截止频率，只需提供 1MHz 的时钟信号。

（二）增益特性

在不同的输入频率下，滤波器具有特定的增益表现。如在 fIN = 0、0.5fC、fC、2fC 和 4fC 等不同频率点，增益会有相应的变化，这些数据可在电气特性表中详细查看。

（三）引脚功能

各引脚具有明确的功能：

• FB：外部电容通过此引脚与芯片耦合。
• AGND：双电源操作的接地引脚，单电源操作时连接到系统或中间电源。
• V -：负电源电压引脚。
• DIVIDER RATIO：用于设置时钟与截止频率的比率，通过连接不同的电压（V +、GND、V -）可实现 100:1、200:1 和 400:1 的比率。
• Cosc：外部时钟的时钟输入引脚，内部时钟操作时需在此引脚和地之间连接外部电容。
• V +：正电源电压引脚。
• OUT：片上缓冲放大器的输入引脚。
• BouT：缓冲放大器的输出引脚。

三、设计要点

（一）时钟源选择

1. 内部振荡器

内部 140kHz（标称）的振荡器频率可通过在 Cosc 引脚与地（或 V -）之间连接外部电容来修改。计算公式为： [f{O S C}=140 kHzleft(33 pF /left(33 pF+C{OSC}right)right)] 由于工艺公差，MXL1062 中 fosc 可变化 ±62.5%，而 MAX280 通过片上调谐将 fosc 公差降低到 ±19.5%。还可通过在电容和 Cosc 引脚之间添加串联电位器来调整振荡器频率，新频率计算公式为： [f{osc }=f{osc } /left(1-4 R C{osc } f{osc }right)]

2. 外部时钟

若使用外部时钟，Cosc 引脚的输入必须接近电源轨（V +、V -）。不同电源电压下，内部施密特触发器感应 Cosc 引脚的典型触发电平不同。

（二）外部电阻和电容选择

外部电阻和电容作为滤波器反馈回路的一部分，同时形成一个极点。为实现最大平坦度（如巴特沃斯滤波器），时钟应是所需截止频率的 100 倍，且满足 (frac{f_{C}}{1.62}=frac{1}{2 pi R C})。通常 R 选择在 20k 左右，其最小值取决于最大输入信号和 FB 引脚的电流吸收能力。对于宽温度范围应用，推荐使用 NPO 陶瓷电容器，因其温度系数约为 ±20ppm。

四、应用场景

（一）抗混叠滤波

在采样系统中，该滤波器可有效防止信号混叠，确保采样信号的准确性。

（二）数据记录器

用于记录模拟信号时，可去除高频噪声，提高数据记录的质量。

（三）数字电压表

保证测量的直流精度，减少噪声干扰对测量结果的影响。

（四）称重秤和应变计

在这些对精度要求较高的应用中，零直流误差的特性可确保测量的准确性。

五、电路设计实例

（一）单电源操作

单电源操作时，AGND 引脚和 OUT 引脚应偏置在 1/2 电源。电阻 R1 和 R2 的值应选择为导通 100uA 或更多。若输入电压的直流值接近 1/2 电源，则不需要 R' 和 C'。同时，AGND 引脚应通过去耦电容旁路。

（二）级联应用

两个 MAX280/MXL1062 可级联形成更高阶的滤波器。简单级联时，第一个芯片的无缓冲输出直接驱动下一级输入；若使用缓冲输出驱动下一级输入，可减少负载影响，降低通带增益误差。

（三）陷波滤波器设计

利用 MAX280/MXL1062 在通带内 -180° 相移的特性，可创建陷波滤波器。通过将输入信号与滤波器输出相加，可在特定频率处形成陷波。例如，要获得 60Hz 陷波，时钟频率应为 7.098kHz。

六、总结

MAX280/MXL1062 5 阶零直流误差低通滤波器以其出色的性能和丰富的功能，为电子工程师在信号处理领域提供了一个强大的工具。在实际设计中，合理选择时钟源、外部电阻和电容，以及灵活运用其级联和陷波等功能，可满足不同应用场景的需求。希望本文能为电子工程师们在使用这款滤波器时提供有益的参考。大家在实际应用中是否遇到过类似滤波器的设计难题呢？欢迎在评论区分享交流。