探索 MAX7490/MAX7491 双通用开关电容滤波器：设计与应用指南

在电子工程领域，滤波器的性能对系统的稳定性和信号处理能力起着至关重要的作用。今天，我们将深入探讨 Maxim 公司的 MAX7490/MAX7491 双通用开关电容滤波器，了解其特性、工作原理、应用场景以及设计要点。

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产品概述

MAX7490/MAX7491 由两个相同的低功耗、低电压、宽动态范围、轨到轨、二阶开关电容模块组成。每个滤波器部分与两到四个外部电阻配合，可生成所有标准的二阶函数，包括带通、低通、高通和陷波（带阻），且其中三种功能可同时实现。通过级联两个二阶滤波器部分可获得四阶滤波器，同样，级联多个 MAX7490/MAX7491 可轻松创建更高阶的滤波器。

时钟选项

该滤波器提供两种时钟选项：自时钟（通过使用外部电容）或外部时钟，以实现更精确的截止频率控制。时钟与中心频率之比为 100:1，采样频率为时钟频率的两倍，进一步分离了截止频率和奈奎斯特频率。

电源与封装

MAX7490 采用单 +5V 电源供电，MAX7491 采用单 +3V 电源供电。两款器件均具备低功耗关断模式，并采用 16 引脚 QSOP 封装。

应用领域

MAX7490/MAX7491 的应用十分广泛，包括可调有源滤波器、多极滤波器、ADC 抗混叠、DAC 后滤波、自适应滤波、锁相环（PLL）和机顶盒等。

产品特性

高精度

• Q 精度：±0.2%
• 时钟与中心频率误差：±0.2%

轨到轨输入输出操作

支持轨到轨输入输出，能适应较宽的电压范围。

单电源供电

MAX7490 为 +5V 供电，MAX7491 为 +3V 供电，满足不同电源需求。

时钟灵活性

可选择内部或外部时钟，时钟与中心频率比为 100:1，内部采样与中心频率比为 200:1。

高频率范围

中心频率最高可达 40kHz。

易于级联

方便级联以构建多极滤波器。

低功耗关断

关断模式下电源电流小于 1µA。

电气特性

绝对最大额定值

• VDD 至 GND：-0.3V 至 +6V
• EXTCLK、SHDN 至 GND：-0.3V 至 +6V
• 其他引脚至 GND：-0.3V 至 (VDD + 0.3V)
• 任何引脚的最大电流：50mA
• 连续功耗（TA = +70°C）：16 引脚 QSOP 为 667mW

工作温度范围

• MAX749_CEE：0°C 至 +70°C
• MAX749_EEE：-40°C 至 +85°C
• 管芯温度：+150°C
• 存储温度：-65°C 至 +150°C
• 引脚焊接温度（10s）：+300°C

电气参数

不同参数在不同条件下有相应的最小值、典型值和最大值，如中心频率范围、时钟与中心频率精度、Q 精度等。例如，在 Mode 1 下，中心频率范围为 0.001 至 40kHz，时钟与中心频率精度偏差为 ±0.2% 至 ±0.7%。

工作原理

时钟信号

外部时钟

使用外部时钟时，需将 EXTCLK 引脚拉高或连接到 VDD，CLK 引脚输入 CMOS 逻辑电平（GND 和 VDD）。通过改变外部时钟速率可调整滤波器的中心频率，公式为 (fo = f{CLK} / 100)。

内部时钟

使用内部振荡器时，将 EXTCLK 引脚拉低或连接到 GND，并在 CLK 和 GND 之间连接一个电容（COSC）。电容值决定振荡器频率，公式为 (f{osc}(kHz)=135 × 10^{3} / C{osc}(pF))。由于 COSC 电容值较小，需尽量减小 CLK 引脚的杂散电容，以免影响内部振荡器频率。

二阶滤波器级

MAX7490/MAX7491 是双二阶滤波器，二阶拓扑允许使用标准滤波器表和方程来实现同时的低通、带通、陷波或高通滤波器，支持如 Butterworth、Chebyshev、Bessel、elliptic 等拓扑以及自定义算法。

内部公共电压

COM 引脚设置共模输入电压，内部通过电阻分压器偏置到 VDD/2。MAX7490 的电阻通常为 250kΩ，MAX7491 的电阻通常为 80kΩ。如有需要，可通过外部电压源轻松覆盖共模电压，同时需在 COM 和模拟地之间连接至少 0.1µF 的电容。

反相输入

连接到 INV 的电阻应尽可能靠近 INV，以减少杂散电容和噪声拾取。INV_ 是连续时间运算放大器的反相输入，表现为虚拟接地，这些输入上不存在采样能量。

输出

每个开关电容部分与两到四个外部电阻配合，可生成所有标准的二阶函数。输出信号的最大摆幅受电源电压限制，MAX7490/MAX7491 中的放大器输出能够摆幅到接近任一电源约 0.2V 的范围内。驱动同轴电缆、大电容负载或总电阻负载小于 10kΩ 会降低总谐波失真（THD）性能。

低功耗关断模式

将 SHDN 引脚拉低可激活关断模式，此时滤波器电源电流降至 < 1µA（最大值），滤波器输出变为高阻抗，COM 输入在关断期间也变为高阻抗。正常工作时，将 SHDN 引脚拉高或连接到 VDD。

应用信息

滤波器工作模式

MAX7490/MAX7491 有多种滤波器工作模式，每种模式具有不同的特点和适用场景。	模式	LP	HP	BP	N	LP - N	HP - N	注释
1	有	有	有	有			fCLK/fO 比为标称值，适用于相同部分级联的带通滤波器、高阶 Butterworth 滤波器、高 Q 带通、低 Q 陷波
1B	有	有	有	有			与模式 1 相同，但 fCLK/fO 比大于标称值
2	有	有	有	有			模式 1 和模式 3 的组合，fCLK/fO 比始终小于标称值，对电阻容差的敏感度低于模式 3
2N	有	有	有	有	有		模式 2 的扩展，允许更高频率，适用于低通椭圆滤波器
3	有	有	有	有			可在标称频率上下调整 fO，常用于多极 Chebyshev 滤波器、高阶带通、低通和高通滤波器
3A	有	有	有	有	有	有	模式 3 的扩展，需要外部运算放大器和两个额外电阻，适用于低通或高阶椭圆或 Cauer 滤波器

设计方程

不同模式有相应的设计方程，用于计算中心频率、Q 值、增益等参数。例如，在 Mode 1 下：

• (Q=frac{R 3}{R 2})
• (f{notch} = f{O})
• (H_{OLP}=frac{-R 2}{R 1})
• (f{O}=frac{f{CLK}}{100})
• (H_{OBP}=frac{-R 3}{R 1})
• (H_{ON 1}( as f to 0Hz)=frac{-R 2}{R 1})
• (H{ON 2}( at f = f{CLK} / 2)=frac{-R 2}{R 1})

注意事项

输入信号幅度范围

最佳输入信号范围通过观察在给定转折频率下信号与噪声加失真（SINAD）比最大时的电压电平来确定。在大多数系统中，应尽量增大输入信号以最大化信噪比（SNR），同时要预留足够的余量以确保在预期工作条件下无信号削波。

抗混叠和 DAC 后滤波

使用 MAX7490/MAX7491 进行抗混叠或 DAC 后滤波时，需同步 DAC（或 ADC）和滤波器时钟。若时钟不同步，拍频可能会混叠到所需通带内。

混叠

开关电容滤波器普遍存在混叠现象，输入信号中高于采样率一半的频率分量会发生混叠。MAX7490/MAX7491 以两倍时钟频率采样，采样与截止频率比为 200:1。通常使用简单的无源 RC 低通输入滤波器可去除可能混叠的输入频率。

时钟馈通

时钟馈通是指即使没有输入信号，滤波器输出引脚处也存在的时钟频率及其谐波的 RMS 值。可通过在滤波器最终输出端添加简单的 RC 低通网络来大幅降低时钟馈通。

宽带噪声

滤波器的宽带噪声是器件噪声谱密度的总 RMS 值，用于确定工作 SNR。大部分噪声频率内容位于滤波器通带内，无法通过后置滤波降低。在多级滤波器中，应先放置 Q 值最高的部分以降低输出噪声。

典型应用电路

文档给出了一个 4 阶 10kHz 带通滤波器的典型应用电路示例，通过合理选择电阻和电容值，可实现所需的滤波器性能。

总结

MAX7490/MAX7491 双通用开关电容滤波器具有高精度、高灵活性、低功耗等优点，适用于多种电子系统中的信号处理。在设计过程中，需根据具体应用需求选择合适的工作模式和外部元件，并注意抗混叠、时钟馈通等问题，以确保滤波器的性能和稳定性。你在使用这类滤波器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。