MAX270/MAX271 数字可编程双二阶连续时间低通滤波器详解

引言

在电子设计领域，滤波器的性能对于信号处理至关重要。Maxim Integrated公司的MAX270/MAX271数字可编程双二阶连续时间低通滤波器，凭借其出色的性能和灵活的可编程特性，成为众多信号处理应用的理想选择。接下来，我们深入了解这款滤波器的特点、参数及应用。

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产品概述

MAX270/MAX271是数字可编程的双二阶连续时间低通滤波器。其典型动态范围达96dB，远超多数开关电容滤波器，且无需额外滤波来消除时钟噪声。它适用于抗混叠和DAC平滑等应用，还可级联实现高阶响应。

主要区别

• MAX270：内置一个未使用的运算放大器。
• MAX271：具有一个内部跟踪保持（T/H）电路。

产品特性

1. 连续时间滤波：无需时钟，避免了时钟噪声问题。
2. 双二阶低通滤波器：每个滤波器部分可独立编程，截止频率范围为1kHz至25kHz。
3. 高动态范围：96dB的动态范围，确保了良好的信号处理能力。
4. 无需外部组件：简化了设计，减少了电路板空间。
5. 可级联设计：能够级联以实现更高阶的滤波响应。
6. 低功耗关机模式：通过SHDN引脚控制，可降低功耗。
7. 跟踪保持功能（MAX271）：适用于需要采样和保持信号的应用。

产品参数

绝对最大额定值

在设计时需注意其绝对最大额定值，如电源电压V + 到 V - 为+17V，V - 到GND为 - 0.3V至 - 8.5V等。超过这些额定值可能会对器件造成永久性损坏。

电气特性

• 滤波器特性：工作频率范围可达2MHz，可编程截止频率范围为1kHz至25kHz，不同编程代码下的截止频率误差和滤波器增益等参数也有明确规定。
• 直流特性：包括输出信号摆幅、失调电压和输入泄漏电流等参数。
• 动态滤波器特性：如总谐波失真、信号噪声加失真和无杂散动态范围等。
• 未使用运算放大器（MAX270）：具有1.2V/µs的压摆率和2MHz的带宽。
• 跟踪保持（MAX271）：保持建立时间为500ns，采集时间为1.8µs等。
• 数字输入：数字输入高电压为2.4V，低电压为0.8V等。
• 电源要求：电源电压范围为±2.375V至±8V，静态电流等参数也有相应规定。

时序特性

规定了CS到WR的建立和保持时间、WR脉冲宽度、地址和数据的建立和保持时间等参数，确保正确的编程操作。

典型工作特性

滤波器增益与频率关系

不同温度和截止频率编程代码下，滤波器增益随频率变化的曲线展示了其频率响应特性。

级联滤波器增益与频率关系

级联时的增益与频率曲线，为实现高阶滤波提供了参考。

滤波器谐波失真

展示了滤波器在不同条件下的谐波失真情况。

总谐波失真加噪声与输入频率和幅度关系

这些曲线有助于评估滤波器在不同输入条件下的性能。

MAX271滤波器加跟踪保持的无杂散动态范围

与输入频率、幅度和采样频率的关系，对于需要高精度采样的应用非常重要。

详细工作原理

滤波器架构

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，可提供约40dB/十倍频程的频率与增益滚降。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。

编程模式

• FP模式：通过将7位数据写入两个内存地址之一来编程截止频率。
• 引脚固定编程模式：同时对两个滤波器部分进行编程，两个内存锁存器透明，数据引脚D0 - D6可硬连线设置共同的截止频率。

  滤波器调节

  在晶圆级进行调节，当截止频率编程为1kHz时，通带最大峰值为0.15dB，其他代码下典型通带峰值小于0.15dB。

  额外功能模块

• MAX270：包含一个未使用的运算放大器（同相输入接地）。
• MAX271：具有片上跟踪保持电路，可跟踪和保持任一滤波器部分的输出。

关机模式

通过SHDN引脚控制，可关闭内部放大器并断开所有输出，将静态工作电流降低至小于15µA。在MAX271的FP模式下，可通过写入控制位到内存来选择关机模式。

引脚描述

MAX270引脚

引脚	名称	功能
1	OP OUT	未使用运算放大器输出
2	V +	正电源电压
3	OUTA	滤波器A输出
4	SHDN	关机控制
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
11	CS	芯片选择输入
12	AO	三级地址输入
13 - 19	DO - D6	7位数据输入
20	OP IN	未使用运算放大器输入

MAX271引脚（不同模式）

在FP模式下，不同的地址输入组合可实现滤波器截止频率编程和跟踪保持功能控制。在引脚固定模式下，数据引脚D0 - D6可直接控制滤波器的截止频率。

滤波器编程与控制

截止频率编程

通过数据引脚D0 - D6可对128个截止频率进行编程，范围为1kHz至25kHz。计算公式如下：

• 对于代码0 - 63：(f{C}=frac{87.5}{87.5 - CODE} × 1 kHz)（(f{C}=1 kHz) 到 (3.57 kHz)）
• 对于代码64 - 127：(f{C}=frac{262.5}{137.5 - CODE} × 1 kHz)（(f{C}=3.57 kHz) 到 (25 kHz)）

实际截止频率会有一定误差，在CODE = 0时精度最高，CODE = 127时频率误差通常在±9.5%以内。

控制接口

• MAX270控制接口：A0引脚为三级输入，可选择内存地址来更新截止频率数据。将A0连接到负电源可选择引脚固定模式。SHDN引脚低电平可关闭所有放大器。
• MAX271控制接口：MODE引脚连接到GND或V - 可选择FP模式，不同的地址输入组合可实现不同的功能。将MODE连接到V + 可选择引脚固定模式。

性能分析

输出驱动能力

所有输出设计为驱动5kΩ与最大100pF电容并联的负载，在更高负载水平下，输出摆幅会变得不对称。所有输出可无限期短路到GND。

噪声特性

带宽为50kHz时，当截止频率分别编程为1kHz和25kHz，每部分的宽带滤波器噪声分别为12µVRMS和38µVRMS，动态范围超过96dB。

输入阻抗

直流时，INA和INB的输入阻抗约为5MΩ，在25kHz时，有效输入阻抗可能低至100kΩ。

MAX271跟踪保持性能

相当于一个由单位增益放大器缓冲的开关200pF电容。T/H引脚低电平时，输出跟随滤波器输出；高电平时，保持存储的电荷。T/H EN引脚低电平可断开T/H OUT，实现多路复用操作。

应用信息

电源配置

电源必须适当旁路，最佳性能是将V + 和V - 通过4.7µF电解电容（钽电容优先）和0.1µF陶瓷电容并联到GND。可使用4.75V至16V的单电源供电，但数字逻辑建议使用CMOS（轨到轨）逻辑。

无µP独立编程

可通过MAX690 µP监控电路和74HC373数据缓冲器，在电路上电时为滤波器A和B加载独立的截止频率数据。

总结

MAX270/MAX271数字可编程双二阶连续时间低通滤波器以其高动态范围、灵活的编程特性和丰富的功能，为电子工程师在信号处理领域提供了强大的工具。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择滤波器的型号、配置参数和电源等，以充分发挥其性能优势。你在使用这款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。