MAX260微处理器可编程通用有源滤波器的深度解析

MAX260/MAX261/MAX262：微处理器可编程通用有源滤波器的深度解析

在电子设计领域，滤波器的重要性不言而喻。今天，我们要深入探讨的是Maxim公司的MAX260/MAX261/MAX262系列微处理器可编程通用有源滤波器，它们为电子工程师在滤波器设计方面提供了强大而灵活的解决方案。

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产品概述

MAX260/MAX261/MAX262是CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器，允许微处理器对精确的滤波功能进行控制。无需外部组件，即可实现多种带通、低通、高通、陷波和全通配置。每个器件包含两个二阶滤波部分，可通过编程控制中心频率（f0）、品质因数（Q）和滤波工作模式。

主要特性

• 微处理器接口：方便与微处理器连接，实现灵活的编程控制。
• 64步中心频率控制：能够精确调整滤波器的中心频率。
• 128步Q控制：对品质因数进行精细调节。
• 独立的Q和f0编程：可以分别对Q和f0进行编程，满足不同的设计需求。
• 保证的时钟与f0比率：A等级产品的时钟与f0比率误差可控制在±1%以内。
• 宽中心频率范围：MAX260的中心频率范围可达7.5kHz，MAX261可处理高达57kHz的中心频率，而MAX262通过采用较低的时钟与f0比率，将中心频率范围扩展到140kHz。
• 单+5V和±5V供电：支持多种供电方式，提高了设计的灵活性。

技术细节

f0和Q编程

每个二阶滤波部分都有独立的时钟输入和f0、Q控制。实际的中心频率是滤波器时钟速率、6位f0控制字和工作模式的函数。Q值也通过单独的编程输入进行设置。通过这种方式，MAX260/MAX261/MAX262的每个半部分都可以独立调谐，从而实现复杂的滤波多项式。

振荡器和时钟输入

时钟电路可以与晶体、电阻 - 电容（RC）网络或外部时钟发生器配合使用。CLKA和CLKB的时钟占空比并不重要，因为输入会在内部进行二分频，以生成每个滤波部分的采样时钟。需要注意的是，这种内部二分频也会使采样率减半，在考虑混叠和其他采样系统现象时需要特别留意。

微处理器接口

f0、Q和模式选择数据存储在内部程序存储器中。通过向A0 - A3选择的地址写入数据，可以更新存储器内容。D0和D1是数据输入。数据在WR的上升沿存储到选定的地址中。当滤波器由±5V供电时，地址和数据输入与TTL和CMOS兼容；使用其他电源电压时，应使用CMOS逻辑电平。

关机模式

当向滤波器A的Q地址（Q0A - Q6A）写入全零值时，MAX260/MAX261/MAX262进入关机/待机模式。关机时，±5V供电下的功耗通常降至10mW。关机后重新激活滤波器时，需要2ms才能恢复到全工作状态。

滤波工作模式

MAX260/MAX261/MAX262的每个滤波部分的求和放大器和积分器有多种配置方式，其中四种最通用的互连模式（模式1 - 4）可通过向输入M0和M1写入数据进行选择。此外，还有一种模式3A，它利用了MAX261和MAX262中包含的额外运算放大器和外部电阻，但内部配置与模式3相同，使用相同的编程代码进行选择。

设计流程

滤波器设计

首先，使用程序“PZ”确定所需的滤波器类型（如巴特沃斯、切比雪夫等）和极点数量。该程序还会绘制频率响应曲线，并计算每个二阶部分的极点/零点（f0）和Q值。

生成编程系数

根据第一步得到的f0和Q值，使用程序“MPP”生成用于编程每个二阶部分f0和Q的数字系数。同时，需要选择输入时钟频率和滤波模式。对于大多数带通和低通滤波器，模式1是最方便的选择；椭圆带通和低通滤波器需要模式3；高通滤波器也使用模式3，而全通滤波器使用模式4。

加载滤波器

当确定了每个二阶滤波部分的f0和Q的N值后，就可以对滤波器进行编程和操作。如果有PC可用，可以使用一个简短的BASIC程序通过PC的并行打印机端口将数据加载到MAX260/MAX261/MAX262中。

应用提示

电源供应

MAX260/MAX261/MAX262可以使用多种电源配置，包括+5V至+12V单电源或±2.5V至±5V双电源。使用单电源时，需要将V - 连接到系统地，并将滤波器的GND引脚偏置到V + / 2。为了获得最佳性能，V + 和V - 应通过4.7µF电解电容（优选钽电容）和0.1µF陶瓷电容旁路到地。

输出摆幅和削波

MAX260/MAX261/MAX262的输出设计用于驱动10kΩ负载。在MAX261和MAX262中，所有滤波输出在10kΩ负载下可摆动到离每个电源轨0.15V以内；在MAX260中，由于内部采样保持电路，N/HP/AP输出的电压摆幅比LP和BP输出小1V。为了确保输出不超出最大范围，需要仔细考虑峰值幅度响应、各个部分的增益、输入信号电平以及滤波器的失调电压。

时钟馈通和噪声

MAX260系列器件的典型宽带噪声在DC至100kHz范围内为0.5mVP - P，且噪声几乎与时钟频率无关。在多级滤波器中，应将Q值最高的部分放在前面，以降低输出噪声。如果输出波形的步进现象（“阶梯状”）令人反感，可以添加一个单极AC滤波器来消除。

输入阻抗

MAX260的输入阻抗可以近似为RIN = 2 /（CINfCLK），其中CIN约为12pF。MAX261/MAX262的输入结构有所不同，其输入电阻比MAX260大750倍。

低采样率下的f0和Q

当选择低fCLK/f0比率和低Q设置时，可能会出现与理想连续滤波器响应的偏差。可以使用图20或Maxim的设计软件对选定的f0和Q进行校正。需要注意的是，不同模式下的校正方法有所不同。

设计实例

四阶切比雪夫带通滤波器

将MAX260的两个部分级联，形成一个中心频率为1kHz的四阶切比雪夫带通滤波器。通过合理选择时钟频率和编程系数，可以实现所需的滤波性能。

宽通带切比雪夫带通滤波器

在这个例子中，使用模式1和模式2相结合的方式，实现了一个中心频率为1kHz、通带带宽为1kHz、阻带带宽为3kHz的宽通带切比雪夫带通滤波器。

高频切比雪夫带通滤波器

使用MAX262在更高的频率下实现了与上述相同的切比雪夫响应形状。由于MAX262具有更宽的fCLK/f0比率范围，因此可以在两个部分都使用模式1。

四阶巴特沃斯低通滤波器

将MAX260的A和B部分级联，实现了一个截止频率为3kHz的四阶巴特沃斯低通滤波器。在这种情况下，需要考虑低Q值下的采样误差，并根据需要进行校正。

总结

MAX260/MAX261/MAX262系列微处理器可编程通用有源滤波器为电子工程师提供了一种强大而灵活的滤波器设计解决方案。通过合理选择工作模式、编程系数和时钟频率，可以实现各种复杂的滤波功能。同时，在设计过程中需要注意电源供应、输出摆幅、时钟馈通和噪声等问题，以确保滤波器的性能和稳定性。希望本文对大家在滤波器设计方面有所帮助，如果你在实际应用中遇到任何问题，欢迎在评论区留言讨论。