MAX7414：5 阶低通开关电容滤波器的卓越之选

MAX7409/MAX7410/MAX7413/MAX7414：5 阶低通开关电容滤波器的卓越之选

在电子设计领域，滤波器的选择对于信号处理的质量和系统性能至关重要。今天，我们来深入探讨 MAXIM 公司的 MAX7409/MAX7410/MAX7413/MAX7414 这一系列 5 阶低通开关电容滤波器（SCFs），看看它们在实际应用中能为我们带来哪些优势。

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一、产品概述

MAX7409/MAX7410/MAX7413/MAX7414 是 5 阶低通开关电容滤波器，具有多种出色特性。其中，MAX7409/MAX7410 采用 +5V 单电源供电，而 MAX7413/MAX7414 则使用 +3V 单电源供电。它们的供电电流仅为 1.2mA，且转角频率范围从 1Hz 到 15kHz，非常适合低功耗的 DAC 后置滤波和抗混叠应用。此外，该系列器件还具备关机模式，可将供电电流降至 0.2µA，有效节省能源。

二、产品特性

2.1 滤波响应类型

• 贝塞尔（Bessel）响应（MAX7409/MAX7413）：贝塞尔滤波器能够对所有频率分量进行均匀延迟，从而保留阶跃输入的形状（受高频衰减影响）。在使用多路复用器（mux）为模数转换器（ADC）选择输入信号的应用中，贝塞尔滤波器的快速稳定特性显得尤为重要。因为在选择新通道后，位于 mux 和 ADC 之间的抗混叠滤波器必须能够迅速稳定。
• 巴特沃斯（Butterworth）响应（MAX7410/MAX7414）：巴特沃斯滤波器具有最大平坦的通带响应，这使其成为需要在整个通带内与直流增益偏差最小的仪器应用的理想选择。

2.2 时钟选项

该系列器件提供两种时钟选项：

• 自时钟模式：通过使用外部电容实现自时钟功能。具体来说，将电容（COSC）连接在 CLK 和地之间，振荡器频率由电容值决定，公式为 (f{osc}(kHz) = 30 × 10^{3} / C{OSC}(pF))。在使用内部振荡器时，需要尽量减小 CLK 处的杂散电容，以免影响内部振荡器频率。通过改变内部振荡器的速率，可以以 100:1 的时钟 - 转角频率比调整滤波器的转角频率。例如，内部振荡器频率为 100kHz 时，标称转角频率为 1kHz。
• 外部时钟模式：适用于需要更精确控制转角频率的情况。该系列滤波器设计用于使用占空比为 50% ± 10% 的外部时钟。当使用外部时钟时，用由 0 到 VDD 供电的 CMOS 门驱动 CLK。外部时钟速率的变化会按照 (f{c}=f{CLK} / 100) 的公式调整滤波器的转角频率。

2.3 低功耗关机模式

当将 SHDN 引脚驱动为低电平时，器件进入关机模式。在关机模式下，滤波器的供电电流降至 0.2µA，输出变为高阻抗状态。而在正常工作时，将 SHDN 引脚驱动为高电平或将其连接到 VDD 即可。

2.4 输入阻抗与时钟频率的关系

MAX7409/MAX7410/MAX7413/MAX7414 的输入阻抗实际上等效于一个开关电容电阻，其与频率成反比。输入电流并非连续的，因此下面公式计算出的输入阻抗值代表平均输入阻抗。一般来说，应使用输出阻抗小于滤波器输入阻抗 10% 的驱动器。输入阻抗可通过公式 (Z{IN}=1 /(f{CLK} × 2.1 pF)) 进行估算。例如，当 (f_{CLK}) 为 100kHz 时，输入阻抗为 4.8MΩ。

三、电气特性

3.1 滤波特性

• 转角频率（(f_{c})）：范围为 0.001 到 15kHz，最大 (f{c}) 定义为在正弦输入为 0.2(f{c}) 时，峰值 S / (THD + N) 降至 68dB 时的时钟频率 (f{CLK}=100 ×f{c})。
• 时钟 - 转角频率比：固定为 100:1。
• 时钟 - 转角温度系数：为 10ppm/°C。
• 输出电压范围：为 0.25 (V_{DD}) - 0.25V。
• 输出失调电压（(V_{OFFSET})）：当 (V{IN} = V{COM} = V_{DD} / 2) 时，典型值为 ±4mV，最大值为 ±25mV。
• 去除输出失调后的直流插入增益：在 (V{COM} = V{DD} / 2) 时，范围为 -0.2 到 +0.2dB。
• 总谐波失真加噪声（THD + N）：不同型号和输入条件下有所不同。例如，在 (f{IN} = 200Hz)，(V{IN} = 4V{p - p})，测量带宽为 22kHz 时，MAX7409 的 THD + N 为 -85dB，MAX7410 为 -78dB；在 (f{IN} = 200Hz)，(V{IN} = 2.5V{p - p})，测量带宽为 22kHz 时，MAX7413 的 THD + N 为 -83dB，MAX7414 为 -81dB。

3.2 电源要求

• 电源电压：MAX7409/MAX7410 的电源电压为 +5V（范围 4.5V 到 5.5V），MAX7413/MAX7414 的电源电压为 +3V（范围 2.7V 到 3.6V）。
• 供电电流：在无负载的工作模式下，供电电流为 1.2mA，最大值为 1.5mA。
• 关机电流：当 SHDN = GND 时，关机电流为 0.2µA，最大值为 1µA。
• 电源抑制比（PSRR）：当 IN = COM 时，PSRR 为 70dB。

四、引脚说明

引脚	名称	功能
1	COM	公共输入引脚，内部偏置在电源中点。需使用 0.1µF 电容将 COM 外部旁路到地。若要覆盖内部偏置，可使用外部电源驱动 COM。
2	IN	滤波器输入
3	GND	接地
4	VDD	正电源输入：MAX7409/MAX7410 为 +5V，MAX7413/MAX7414 为 +3V。
5	OUT	滤波器输出
6	OS	失调调整输入。若要调整输出失调，可通过电阻分压器将 OS 连接到外部电源；若不需要失调调整，将 OS 连接到 COM。具体可参考失调和共模输入调整部分。
7	SHDN	关机输入。驱动为低电平可启用关机模式；驱动为高电平或将其连接到 VDD 可进行正常操作。
8	CLK	时钟输入。将外部电容（COSC）从 CLK 连接到地，(f{OSC}(kHz) = 30 × 10^{3} / C{OSC}(pF))；若要覆盖内部振荡器，可将 CLK 连接到外部时钟，(f{C} = f{CLK} / 100)。

五、应用信息

5.1 失调和共模输入调整

COM 引脚用于设置共模输入电压，内部通过电阻分压器偏置在电源中点。如果应用不需要失调调整，可将 OS 连接到 COM。对于需要失调调整的应用，可通过电阻分压器网络向 OS 施加外部偏置电压。若需要进行直流电平转换，可相对于 COM 调整 OS。需要注意的是，OS 不应悬空。输出电压由公式 (V{OUT }=left(V{IN }-V{COM }right)+V{OS }) 表示，其中 (V{COM}=V{DD} / 2)（典型值），((V{IN} - V{COM})) 由 SCF 进行低通滤波，OS 在输出级相加。改变 COM 或 OS 上的电压使其明显偏离电源中点会降低滤波器的动态范围。

5.2 电源供应

MAX7409/MAX7410 使用 +5V 单电源供电，MAX7413/MAX7414 使用 +3V 单电源供电。需要使用 0.1µF 电容将 VDD 旁路到地。如果需要双电源（MAX7409/MAX7410 为 ±2.5V，MAX7413/MAX7414 为 ±1.5V），可将 COM 连接到系统地，将 GND 连接到负电源。单电源和双电源的性能相当。在单电源或双电源操作中，CLK 和 SHDN 应从地（双电源操作中的 V -）驱动到 VDD。对于 ±5V 双电源应用，建议使用 MAX291 - MAX297。

5.3 输入信号幅度范围

最佳输入信号范围可通过观察在给定转角频率下总谐波失真 + 噪声最小的电压电平来确定。典型工作特性图表展示了器件的总谐波失真加噪声响应随输入信号峰 - 峰幅度的变化情况。

5.4 抗混叠和 DAC 后置滤波

在将这些器件用于抗混叠或 DAC 后置滤波时，需要同步 DAC（或 ADC）和滤波器的时钟。如果时钟不同步，拍频会混叠到所需的通带中，影响信号处理效果。

5.5 谐波失真

谐波失真源于滤波器内部的非线性特性。当纯正弦波输入到滤波器时，这些非线性会产生谐波。文档中列出了在 (T_{A}=+25^{circ} C) 且负载为 10kΩ 时，MAX7410/MAX7414 和 MAX7409/MAX7413 的典型谐波失真值。

六、订购信息与封装信息

6.1 订购信息

该系列器件提供多种温度范围和引脚封装选项，具体如下：	型号	温度范围	引脚封装
MAX7409 CUA	0°C 到 +70°C	8 µMAX
MAX7409 CPA	0°C 到 +70°C	8 塑料 DIP
MAX7409 EUA	-40°C 到 +85°C	8 µMAX
MAX7409 EPA	-40°C 到 +85°C	8 塑料 DIP
MAX7410 CUA	0°C 到 +70°C	8 µMAX
MAX7410 CPA	0°C 到 +70°C	8 塑料 DIP
MAX7410 EUA	-40°C 到 +85°C	8 µMAX
MAX7410 EPA	-40°C 到 +85°C	8 塑料 DIP
MAX7413 CUA	0°C 到 +70°C	8 µMAX
MAX7413 CPA	0°C 到 +70°C	8 塑料 DIP
MAX7413 EUA	-40°C 到 +85°C	8 µMAX
MAX7413 EPA	-40°C 到 +85°C	8 塑料 DIP
MAX7414 CUA	0°C 到 +70°C	8 µMAX
MAX7414 CPA	0°C 到 +70°C	8 塑料 DIP
MAX7414 EUA	-40°C 到 +85°C	8 µMAX
MAX7414 EPA	-40°C 到 +85°C	8 塑料 DIP

6.2 封装信息

文档提供了详细的封装尺寸信息，包括英寸和毫米两种单位的尺寸范围，以及引脚间距等参数，方便工程师进行 PCB 设计。

综上所述，MAX7409/MAX7410/MAX7413/MAX7414 系列 5 阶低通开关电容滤波器凭借其低功耗、多种滤波响应类型、灵活的时钟选项和丰富的应用特性，为电子工程师在信号处理、抗混叠和 DAC 后置滤波等应用中提供了可靠的解决方案。在实际设计中，工程师可以根据具体的应用需求选择合适的型号和工作模式，以实现最佳的系统性能。大家在使用过程中是否遇到过类似滤波器的其他问题呢？欢迎在评论区分享交流。