MAX281：零误差五阶贝塞尔低通滤波器的设计与应用

在电子工程师的日常工作中，滤波器的设计和应用是至关重要的环节。今天我们要探讨的是MAXIM公司的一款高性能滤波器——MAX281，这是一款零误差的五阶贝塞尔低通滤波器，在众多领域有着广泛的应用。

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一、产品概述

MAX281是一款无直流误差的五阶全极点仪表低通滤波器。它通过外部电阻和电容将集成电路与直流信号路径隔离开，从而保证了直流精度。外部电阻和电容与片上的四阶开关电容滤波器共同构成了五阶滤波器，其频率响应从直流到超过滤波器截止频率，不过在阻带衰减方面会有一定程度的降低。

滤波器的截止频率由时钟设定，时钟可以是内部生成的，也可以由外部提供。时钟与截止频率的比值为101，这使得时钟纹波很容易被去除。MAX281A在内部时钟振荡器频率和缓冲放大器失调电压方面的规格比MAX281B更为严格。此外，对于需要最大平坦（巴特沃斯）幅度响应的应用，还提供了MAX280。

二、产品特性

2.1 低通特性

• 零直流误差：采用独特设计，确保在直流信号处理时无误差。
• 低通带噪声：在通带内产生的噪声极低，保证信号的纯净度。
• 宽截止频率范围：截止频率范围从直流到20kHz，能满足多种应用需求。
• 五阶全极点贝塞尔响应：具有良好的线性相位特性，减少信号失真。

2.2 时钟与输出

• 内部或外部时钟可选：方便工程师根据实际情况灵活配置。
• 可级联以实现更高阶滚降：通过级联多个MAX281芯片，可以实现更高阶的滤波器，增强滤波效果。
• 缓冲输出：提供缓冲输出，增强信号的驱动能力。

2.3 封装形式

提供8引脚DIP或16引脚宽体SO封装，便于不同的电路板布局和安装。

三、应用领域

MAX281的特性使其在多个领域都有广泛的应用，例如：

• 抗混叠滤波器：在采样系统中，有效防止信号混叠，保证采样的准确性。
• 数据记录仪：对采集到的数据进行滤波处理，提高数据的质量。
• 数字电压表：去除噪声干扰，提高测量的精度。
• 称重秤和应变计：对微弱的传感器信号进行滤波，确保测量的稳定性。

四、设计要点

4.1 时钟要求

4.1.1 内部振荡器

MAX281内部包含一个标称频率为140kHz的振荡器。该频率可以通过在COSC引脚和V - 之间连接外部电容来修改，计算公式为： [f{osc} = 140kHzleft(frac{33pF}{33pF + C{OSC}}right)] 由于工艺公差，MAX281B的振荡器频率可能会有±62.5%的变化，而MAX281A通过片上微调将频率公差降低到±19.5%。为了进一步调整振荡器频率，可以在电容和COSC引脚之间添加一个串联电位器，新的频率计算公式为： [f'{osc} = frac{f{osc}}{1 - 4R{C{OSC}}}] 其中，(f_{osc})是当(R = 0)时的振荡器频率。使用外部电位器时，新的振荡器频率总是高于根据第一个公式计算的值。

4.1.2 外部时钟

如果使用外部时钟，内部开关电容滤波器需要的时钟频率是所需截止频率的101、202或404倍，具体取决于DIVIDER RATIO引脚的连接方式。当DIVIDER RATIO引脚连接到不同电压时，有不同的频率比：

• 当引脚(4 = V +)时，(f{CLK}/f{C}=101)；
• 当引脚(4 = GND)时，(f{CLK}/f{C}=202)；
• 当引脚(4 = V -)时，(f{CLK}/f{C}=404)。

外部时钟输入在COSC引脚的电压摆动必须接近电源轨（V + ，V - ）。标准的74HC00系列CMOS门虽然不能保证为COSC引脚提供符合CMOS标准的源电流和灌电流，但实际上可以驱动该引脚。符合标准B系列输出驱动的CMOS门具有合适的电压电平和电流，能够同时驱动多个芯片。内部施密特触发器感应COSC引脚的典型触发电平会根据电源电压的不同而变化，例如：

• 当(V + = + 2.5V)，(V - = - 2.5V)时，(V{H}=0.9V)，(V{L}=-1.15V)；
• 当(V + = + 5V)，(V - = - 5V)时，(V{IH}=1.4V)，(V{IL}=-2.1V)。

4.2 外部电阻和电容值的选择

内部四极开关电容滤波器由外部电阻和电容驱动，为了实现所需的截止频率，DIVIDER RATIO引脚应进行相应设置，同时电阻和电容的值应满足以下公式： [frac{f{C}}{1.1579}=frac{1}{2pi RC}] 其中，(f{C})为滤波器截止频率。例如，要实现一个10Hz的截止滤波器，可设置： [frac{1}{2pi RC}=frac{10Hz}{1.1579}=8.6363Hz] 电阻R通常约为20k，其最小值取决于最大输入信号和FB引脚的灌电流能力（通常为1mA）。对于1Vp - p的信号，电阻的最小值为1k。

为了获得最佳的贝塞尔响应，RC乘积应得到良好的控制。不准确的RC乘积可能会导致FB引脚出现过度的峰值，从而导致输出波形的削波和失真。在宽温度范围的应用中，建议使用NPO陶瓷电容器，因为它们的温度系数较小，而背对背连接的钽电容器和陶瓷圆盘电容器会引入额外的通带误差（0.05 - 0.1dB）。

五、应用注意事项

5.1 滤波器输入电压范围

滤波器的每个节点的电压摆动通常在电源电压的1V范围内。在选择合适的外部电阻和电容值的情况下，除了FB引脚外，所有内部和外部节点的幅度响应不应超过0dB增益。FB引脚的幅度响应可能会出现一些峰值，具体情况如图3所示。

当使用±5V电源时，输入电压的峰 - 峰值不应超过6.5V。如果输入电压超过这个值，可能会导致输出波形的削波和失真，但滤波器不会损坏。任何引脚的绝对最大输入电压不应超过电源电压。

5.2 内部缓冲器

FB引脚和OUT引脚的内部输出缓冲器是交流信号路径的一部分。因此，电容负载大于30pF可能会在截止频率附近的通带内引起增益误差。内部缓冲器也可以用作滤波器的输出，但会有几毫伏的输出失调。

5.3 滤波器衰减

滤波器的滚降为30dB/倍频程。当时钟速率增加，从而截止频率增加时，滤波器的最大衰减会减小，这是由各种内部反馈路径的环路增益在较高频率下的滚降引起的。

5.4 滤波器噪声

滤波器的宽带噪声在±5V电源时通常为(90mu V)，在±2.5V电源时通常为(80mu V{RMS})。与传统有源滤波器不同，在低于(0.1f{c})的频率下，噪声几乎为零。大约2/3的整个宽带噪声集中在直流到(f_{c})的频段内。

5.5 瞬态响应

MAX281的阶跃响应显示了五阶贝塞尔滤波器的特性，没有过冲现象是贝塞尔响应的典型特征。

5.6 抗混叠

内部四阶开关电容滤波器是一个采样器件，因此在没有带限信号或连续信号前置的情况下会出现混叠现象。五阶滤波器的极点自动提供了抗混叠功能，在奈奎斯特频率处的衰减大于35dB。

5.7 单电源操作

单电源操作时，AGND引脚和OUT引脚应进行适当的偏置，外部电阻和电容应进行调整，以考虑R'和C'组合的额外负载。如果输入电压的直流值约为电源电压的1/2，则不需要R'和C'。如果使用外部电容来激活内部振荡器，其底部极板应连接到系统地，AGND引脚也应通过去耦电容进行旁路。

5.8 时钟馈通

如果将缓冲输出引脚用作输出，可以使用电阻和电容来降低时钟馈通。在直流精确输出端添加一个有源滤波器可以作为缓冲器，并提供时钟馈通滤波。

5.9 级联以实现更高阶滤波器

两个芯片可以有或没有中间缓冲器进行级联。通过级联，可以实现更高阶的滤波器，但需要注意级联可能会引入最大2mV的直流误差。

六、应用电路示例

6.1 过滤高直流电压中的交流信号

在某些应用中，需要从高直流电压中过滤掉不需要的交流成分。如图7所示，MAX281可以通过其独特的结构实现这一功能，这得益于其分流架构，而传统的有源滤波器结构通常难以实现。

七、总结

MAX281作为一款高性能的五阶贝塞尔低通滤波器，具有零直流误差、低通带噪声等诸多优点，在多个领域都有广泛的应用前景。在设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择时钟源、外部电阻和电容等参数，同时注意滤波器的输入电压范围、内部缓冲器、衰减、噪声等特性，以确保滤波器能够稳定、高效地工作。通过对MAX281的深入理解和应用，相信可以为电子工程师在信号处理领域带来更多的便利和创新。

各位工程师在使用MAX281的过程中，有没有遇到过什么有趣的问题或者独特的应用场景呢？欢迎在评论区分享交流！