MAX7401/MAX7405：八阶低通贝塞尔开关电容滤波器的设计与应用

在电子工程师的日常设计中，滤波器的选择和应用至关重要。今天，我们就来深入探讨一下MAXIM公司的MAX7401/MAX7405八阶低通贝塞尔开关电容滤波器（SCFs），看看它在实际设计中能为我们带来哪些便利和优势。

文件下载：MAX7405.pdf

一、产品概述

MAX7401/MAX7405是两款性能出色的八阶低通贝塞尔开关电容滤波器。其中，MAX7401采用单+5V电源供电，而MAX7405则使用单+3V电源供电。它们的供电电流仅为2mA，并且支持1Hz至5kHz的转折频率，这使得它们非常适合用于低功耗的数模转换器（DAC）后置滤波和抗混叠应用。此外，这两款滤波器还具备关断模式，在该模式下，供电电流可降低至0.2µA，大大节省了功耗。

这两款滤波器提供了两种时钟选项：自时钟（通过使用外部电容）或外部时钟，以实现更精确的转折频率控制。同时，还设有偏移调整引脚，可用于调整直流输出电平。其贝塞尔滤波器特性能够提供低过冲和快速稳定的响应，固定的响应特性也简化了设计任务，只需选择合适的时钟频率即可。

二、产品特性

2.1 滤波特性

• 八阶低通贝塞尔滤波器：能够有效过滤高频信号，提供平滑的频率响应。
• 低噪声和失真：总谐波失真加噪声（THD + N）低至 -82dB，确保了信号的高质量。
• 时钟可调转折频率：转折频率范围为1Hz至5kHz，可通过时钟频率进行灵活调整，时钟与转折频率比为100:1。
• 低输出偏移：输出偏移电压仅为 ±5mV，保证了输出信号的准确性。

2.2 电源特性

• 单电源操作：MAX7401为 +5V，MAX7405为 +3V，简化了电源设计。
• 低功耗：工作模式下电流为2mA，关断模式下电流低至0.2µA。
• 电源抑制比高：PSRR在直流测量时可达60dB，有效抑制电源噪声。

2.3 封装特性

提供8引脚SO/DIP封装，方便进行PCB布局和焊接。

三、应用领域

3.1 ADC抗混叠

在模拟信号转换为数字信号的过程中，抗混叠滤波器起着关键作用。MAX7401/MAX7405能够有效防止高频信号混叠到采样频率范围内，确保ADC采样的准确性。

3.2 DAC后置滤波

在DAC输出信号后，使用这两款滤波器可以平滑输出信号，减少高频噪声和失真，提高信号质量。

3.3 安全气囊电子系统

在安全气囊系统中，需要对传感器信号进行精确处理。MAX7401/MAX7405的低噪声和快速稳定特性能够确保信号的准确传输和处理，提高系统的可靠性。

3.4 CT2基站

在通信基站中，对信号的质量和稳定性要求较高。这两款滤波器能够有效过滤干扰信号，保证通信的顺畅。

3.5 语音处理

在语音处理系统中，需要对语音信号进行滤波和增强。MAX7401/MAX7405的低失真特性能够确保语音信号的清晰和自然。

四、设计要点

4.1 时钟信号

• 外部时钟：使用外部时钟时，要求时钟信号的占空比为40%至60%，并使用由0至VDD供电的CMOS门驱动CLK引脚。通过改变外部时钟的频率，可以按照 (f{C}=f{CLK} / 100) 的公式调整滤波器的转折频率。
• 内部时钟：使用内部振荡器时，需要在CLK和地之间连接一个电容（COSC）。电容的值决定了振荡器的频率，公式为 (f{OSC}(kHz)=frac{K cdot 10^{3}}{C{OSC}}) ，其中K对于MAX7401为38，对于MAX7405为34。为了避免杂散电容影响内部振荡器频率，应尽量减小CLK引脚的杂散电容。

4.2 输入阻抗

MAX7401/MAX7405的输入阻抗与时钟频率成反比，可通过公式 (Z{IN}=frac{1}{left(f{CLK} cdot C{IN}right)}) 估算，其中 (C{IN}=3.37 pF) 。在设计时，应使用输出阻抗小于滤波器输入阻抗10%的驱动器，以确保信号的准确传输。

4.3 低功耗关断模式

通过将SHDN引脚驱动为低电平，可以激活关断模式。在关断模式下，滤波器的供电电流降至0.2µA（典型值），输出变为高阻抗。正常工作时，将SHDN引脚驱动为高电平或连接到VDD。

4.4 偏移和共模输入调整

COM引脚的电压设置了共模输入电压，内部通过电阻分压器将其偏置在电源电压的中间值。需要使用0.1µF的电容将COM引脚旁路到地，并将OS引脚连接到COM引脚。如果需要进行偏移调整或直流电平转换，可以通过电阻分压器网络向OS引脚施加外部偏置电压。输出电压可以通过公式 (V{OUT} =(V{IN}-V{COM})+V{OS}) 计算，其中 (V{COM}=V{DD} / 2) （典型值）。需要注意的是，大幅改变COM或OS引脚的电压会降低滤波器的动态范围。

4.5 电源供应

MAX7401使用单 +5V电源，MAX7405使用单 +3V电源。需要使用0.1µF的电容将VDD引脚旁路到地。如果需要使用双电源（MAX7401为 ±2.5V，MAX7405为 ±1.5V），应将COM引脚连接到系统地，并将GND引脚连接到负电源。单电源和双电源的性能是等效的，无论使用哪种电源，CLK和SHDN引脚的驱动范围都应从GND（双电源操作中的V - ）到VDD。

4.6 输入信号幅度范围

最佳输入信号范围可以通过观察在给定转折频率下总谐波失真加噪声（THD + N）最小的电压电平来确定。典型工作特性图展示了随着输入信号峰 - 峰值幅度的变化，器件的THD + N响应。这些测量是在OS和COM引脚偏置在电源电压中间值的情况下进行的。

4.7 抗混叠和DAC后置滤波

在用于抗混叠或DAC后置滤波时，需要同步DAC和滤波器的时钟。如果时钟不同步，拍频可能会混叠到通带内。高时钟与转折频率比（100:1）也降低了滤波器前后滤波的要求。在输入端，低通滤波器可以防止时钟频率附近的频率混叠到通带内；在输出端，低通滤波器可以衰减时钟馈通。通过设置截止频率高于开关电容滤波器转折频率的简单RC低通滤波器，就可以实现输入抗混叠和合理的输出时钟衰减。

五、总结

MAX7401/MAX7405八阶低通贝塞尔开关电容滤波器以其低功耗、高性能、灵活的时钟选项和丰富的应用特性，为电子工程师在滤波设计方面提供了一个优秀的解决方案。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择时钟信号、调整输入阻抗、利用关断模式和进行偏移调整等，以充分发挥这两款滤波器的优势。大家在使用过程中有没有遇到过什么问题呢？或者对这两款滤波器的应用还有什么其他的想法，欢迎在评论区一起讨论。