MAX7418–MAX7425：5阶低通开关电容滤波器的卓越之选

在电子设计领域，滤波器的性能往往对整个系统的稳定性和信号质量起着关键作用。今天要给大家介绍的是Analog Devices公司的MAX7418–MAX7425系列5阶低通开关电容滤波器（SCFs），它在低功耗、高性能等方面有着出色的表现，适用于多种应用场景。

文件下载：MAX7424.pdf

一、产品概述

MAX7418–MAX7425系列滤波器可分为两组，MAX7418–MAX7421采用单+5V电源供电，而MAX7422–MAX7425则使用单+3V电源。其工作电流仅为3mA，截止频率范围从1Hz到45kHz，这使得它在低功耗数模转换器（DAC）后置滤波和抗混叠应用中表现优异。同时，该系列具备关机模式，可将电源电流降至0.2μA，进一步节省能耗。

在时钟选项方面，用户可以选择自时钟模式（通过使用外部电容）或外部时钟模式，以实现更精确的截止频率控制。此外，还有一个偏移调整引脚，可用于调整直流输出电平。

二、不同类型滤波器特性

1. 椭圆滤波器（Elliptic）

MAX7418/MAX7421/MAX7422/MAX7425属于椭圆低通滤波器，具有陡峭的过渡特性和良好的阻带抑制能力。其中，MAX7418/MAX7422的过渡比为1.6，典型阻带抑制为53dB；MAX7421/MAX7425的过渡比为1.25，过渡更为陡峭，典型阻带抑制为37dB。椭圆滤波器特别适用于单电源系统中的抗混叠和DAC后置滤波应用。

2. 贝塞尔滤波器（Bessel）

MAX7419/MAX7423是贝塞尔低通滤波器，它能够对所有频率成分进行均匀延迟，保持阶跃输入的波形形状（受高频衰减影响）。贝塞尔滤波器的快速稳定特性使其在使用多路复用器（mux）选择输入信号的模数转换器（ADC）应用中非常重要。

3. 巴特沃斯滤波器（Butterworth）

MAX7420/MAX7424为巴特沃斯低通滤波器，提供了最大平坦的通带响应，这使其非常适合需要在整个通带内保持与直流增益最小偏差的仪器仪表应用。

三、时钟信号选择

1. 外部时钟

该系列滤波器设计用于占空比为40% - 60%的外部时钟。使用外部时钟时，需用由0到VDD供电的CMOS门驱动CLK引脚。通过改变外部时钟的速率，可以调整滤波器的截止频率，公式为：(f{C}=frac{f{CLK}}{100})。

2. 内部时钟

当使用内部振荡器时，CLK引脚的电容（(C{OSC})）决定了振荡器的频率。不同型号的计算公式有所不同，对于MAX7418/MAX7421/MAX7422/MAX7425，(f{OSC(kHz)}=frac{87×10^{3}}{C{OSC}(pF)})；对于MAX7419/MAX7420/MAX7423/MAX7424，(f{OSC(kHz)}=frac{110×10^{3}}{C{OSC}(pF)})。由于(C{OSC})的值处于低皮法级别，因此需要尽量减小CLK引脚的杂散电容，以避免影响内部振荡器的频率。同样，通过改变内部振荡器的速率，可按100:1的时钟与截止频率比调整滤波器的截止频率。

四、输入阻抗与时钟频率关系

MAX7418–MAX7425的输入阻抗实际上相当于一个开关电容电阻，其与频率成反比。输入阻抗可以通过公式(Z{IN}=frac{1}{(f{CLK} × C{IN})})估算，其中(C{IN}=1 pF)。由于输入电流不连续，该公式计算出的值代表平均输入阻抗。在设计时，建议使用输出电阻小于滤波器输入阻抗10%的驱动源。

五、低功耗关机模式

该系列滤波器具备关机模式，只需将SHDN引脚驱动为低电平即可激活。在关机模式下，滤波器的电源电流降至0.2μA，输出变为高阻抗状态。要恢复正常操作，将SHDN引脚驱动为高电平或连接到VDD即可。

六、应用注意事项

1. 偏移和共模输入调整

COM引脚用于设置共模输入电压，它通过内部电阻分压器偏置在电源中点。如果不需要偏移调整，可将OS引脚连接到COM引脚。对于需要偏移调整的应用，可通过电阻分压器网络向OS引脚施加外部偏置电压。输出电压可由公式(V{OUT }=(V{IN }-V{COM })+V{OS})表示，其中(V{COM}=frac{V{DD}}{2}) 。需要注意的是，大幅改变COM或OS引脚的电压会降低动态范围。

2. 电源供应

MAX7418–MAX7421使用单+5V电源，MAX7422–MAX7425使用单+3V电源。在设计时，需用0.1μF的电容将VDD引脚旁路到GND。如果需要双电源供电，可将COM引脚连接到系统地，GND引脚连接到负电源。单电源和双电源的性能是等效的，在这两种电源模式下，都需将CLK和SHDN引脚的驱动范围设置为从GND到VDD。

3. 输入信号幅度范围

最佳输入信号范围可通过观察给定截止频率下信号与噪声加失真（SINAD）比最大时的电压电平来确定。在典型工作特性曲线中，可以看到总谐波失真加噪声（THD + Noise）响应随输入信号峰 - 峰值幅度的变化情况。

4. 抗混叠和DAC后置滤波

在将MAX7418–MAX7425用于抗混叠或DAC后置滤波时，需要使DAC（或ADC）和滤波器的时钟同步。如果时钟不同步，拍频可能会混叠到所需的通带中。

5. 谐波失真

滤波器内部的非线性特性会产生谐波失真。在(T_{A}=+25^{circ}C)，负载为10kΩ的情况下，不同型号的滤波器典型谐波失真值可参考文档中的表格。

七、总结

MAX7418–MAX7425系列5阶低通开关电容滤波器凭借其多种滤波器类型选择、灵活的时钟选项、低功耗特性以及出色的性能指标，为电子工程师在设计低功耗、高性能的信号处理系统时提供了一个优秀的解决方案。在实际应用中，我们只需根据具体的设计需求，合理选择滤波器类型、时钟模式以及进行必要的参数调整，就能充分发挥该系列滤波器的优势。大家在使用过程中是否也遇到过一些有趣的问题呢？欢迎在评论区分享交流。