探索MAX294八阶低通椭圆开关电容滤波器

探索 MAX293/MAX294/MAX297：八阶低通椭圆开关电容滤波器

在电子设计领域，滤波器是信号处理中不可或缺的一部分。今天，我们将深入探讨 Maxim 公司的 MAX293/MAX294/MAX297 八阶低通椭圆开关电容滤波器，了解它们的特点、应用以及设计要点。

文件下载：MAX294.pdf

一、产品概述

MAX293/MAX294/MAX297 是易于使用的八阶低通椭圆开关电容滤波器。其中，MAX293/MAX294 的转角频率范围为 0.1Hz 至 25kHz，MAX297 则为 0.1Hz 至 50kHz。MAX293/MAX297 具有 1.5 的过渡比，可实现陡峭的滚降和 -80dB 的阻带抑制；MAX294 的过渡比为 1.2，滚降最为陡峭，阻带抑制为 -58dB。这三款滤波器响应固定，设计任务主要是选择控制滤波器转角频率的时钟频率。

二、产品特性

2.1 高性能滤波

• 八阶低通椭圆滤波器：能够提供陡峭的滚降特性，有效抑制高频噪声，适用于对信号质量要求较高的应用场景。
• 宽转角频率范围：时钟可调的转角频率范围满足不同应用的需求，如 MAX293/MAX294 为 0.1Hz 至 25kHz，MAX297 为 0.1Hz 至 50kHz。
• 低通特性：可以让低频信号顺利通过，同时有效衰减高频信号，实现对特定频率范围的信号过滤。

2.2 灵活的时钟配置

• 无需外部电阻或电容：内部或外部时钟可选，使用内部振荡器时，通过外部电容即可生成时钟；也可使用外部时钟信号，为设计带来了极大的灵活性。
• 时钟与转角频率比：MAX293/294 的时钟与转角频率比为 100:1，MAX297 为 50:1，方便根据实际需求进行频率调整。

2.3 电源适应性强

• 供电方式多样：可采用单 +5V 电源或双 ±5V 电源供电，能适应不同的电源环境。

2.4 集成未使用运算放大器

• 多功能应用：提供一个未使用的运算放大器（同相输入接地），可用于构建连续时间低通滤波器，实现后置滤波或抗混叠功能。

2.5 多种封装形式

• 小型化设计：提供 8 引脚 DIP 和 16 引脚宽 SO 封装，在小面积内实现高性能，满足不同的 PCB 布局需求。

三、应用领域

3.1 数据采集系统

在数据采集过程中，信号可能会受到各种噪声的干扰。MAX293/MAX294/MAX297 滤波器可以有效去除高频噪声，提高采集信号的质量，确保数据的准确性。

3.2 抗混叠

在对模拟信号进行数字化处理之前，需要进行抗混叠滤波，以防止高频信号折叠到低频区域，影响信号的还原。这三款滤波器的陡峭滚降特性使其非常适合抗混叠应用。

3.3 DAC 后置滤波

在数模转换（DAC）之后，输出信号可能会包含一些高频成分。使用这些滤波器进行后置滤波，可以平滑输出信号，减少噪声和失真。

3.4 语音/数据信号滤波

在语音和数据通信中，需要对信号进行滤波以去除干扰，提高通信质量。MAX293/MAX294/MAX297 能够有效过滤信号，确保语音和数据的清晰传输。

四、电气特性

4.1 滤波器特性

• 转角频率范围：MAX293/MAX294 为 0.1 - 25kHz，MAX297 为 0.1 - 50kHz。
• 时钟与转角频率比：MAX293/294 为 100:1，MAX297 为 50:1。
• 插入增益：相对于直流增益，在不同输入频率下有特定的插入增益值，具体数值可参考文档中的表格。
• 通带纹波：MAX294 约为 0.27dB，MAX297 约为 0.23dB。
• 输出直流摆幅：±4V。
• 输出失调电压：在输入接地时，为 ±150mV 至 ±400mV。
• 去除输出失调后的直流插入增益：在 -0.15dB 至 0.15dB 之间。
• 总谐波失真加噪声：不同型号在不同温度下有不同的表现，如 MAX293 在 TA = +25°C 时为 -71dB。
• 时钟馈通：在 TA = +25°C 时，为 5.0mVp - p。
• 输出驱动能力：约为 20kΩ。

4.2 时钟特性

• 内部振荡器频率：当 Cosc = 1000pF 时，频率范围为 29kHz 至 43kHz。
• 内部振荡器电流源/吸收：在 VCLK = 0V 或 5V 时，为 ±70μA 至 ±120μA。
• 时钟输入：高电平为 4.0V，低电平为 1.0V。

4.3 未使用运算放大器特性

• 输入失调电压：为 ±10mV 至 +50mV。
• 输出驱动能力：约为 20kΩ。
• 输出直流摆幅：±4V。
• 增益带宽积：约为 4MHz。

4.4 电源要求

• 电源电压：双电源时为 +2.375V 至 +5.5V；单电源时，V - = 0V，GND = V + / 2，V + 范围为 4.75V 至 11.0V。
• 电源电流：约为 15.0mA 至 22.0mA。

五、设计要点

5.1 时钟信号要求

• 最大推荐时钟频率：MAX293/MAX294/MAX297 的最大推荐时钟频率为 2.5MHz，可根据时钟与转角频率比计算出相应的截止频率。
• 时钟驱动方式：CLK 引脚可由外部时钟或内部振荡器驱动。使用外部时钟时，时钟电路设计为与 +5V CMOS 逻辑接口；使用内部振荡器时，CLK 引脚的电容（Cosc）决定振荡器频率，计算公式为 (fOSC(kHz)=frac{10^{5}}{3 COSC(pF)})。同时，应尽量减小 CLK 引脚的杂散电容，以免影响内部振荡器频率。

5.2 电源供应

• 双电源和单电源应用：可根据实际需求选择双电源或单电源供电。使用单电源时，需将 V - 引脚接地，并使用电阻分压器网络将 GND 引脚偏置到电源中点。

5.3 未使用运算放大器的应用

• 抗混叠和后置滤波：未使用的运算放大器可用于构建一阶或二阶连续时间低通滤波器，用于抗混叠或减少时钟噪声。例如，可构建一个二阶巴特沃斯滤波器，其转角频率可根据不同的应用需求进行调整。在选择滤波器转角频率时，为了使通带误差保持在合适的水平，建议二阶巴特沃斯滤波器的转角频率（fce）比椭圆开关电容滤波器的转角频率（fcE）高 2.5 倍以上，最好为 5 倍以上，即 (f{C B}>(5)(f{C E}))。
• 输入阻抗要求：当使用该运算放大器作为后置滤波器以减少时钟噪声时，应保持滤波器的输入阻抗高于 20kΩ，以避免对开关电容滤波器造成过大的负载。

5.4 DAC 后置滤波

在使用 MAX293/MAX294/MAX297 进行 DAC 后置滤波时，需要同步 DAC 和滤波器的时钟，以防止拍频混叠到所需的通带内。DAC 的时钟应通过对开关电容滤波器的时钟进行分频来生成。

5.5 谐波失真

滤波器内部的非线性会产生谐波失真。在实际应用中，可参考文档中给出的典型谐波失真值，如在 1kHz、5Vp - p 正弦波输入信号、1MHz 时钟频率和 20k 负载的条件下，不同型号的滤波器在各次谐波下的失真值。

六、总结

MAX293/MAX294/MAX297 八阶低通椭圆开关电容滤波器以其高性能、灵活性和小型化的特点，在数据采集、通信、信号处理等领域具有广泛的应用前景。电子工程师在设计过程中，应充分考虑其电气特性和设计要点，以实现最佳的滤波效果。你在使用这些滤波器的过程中遇到过哪些问题呢？或者对于滤波器的设计还有哪些疑问，欢迎在评论区留言讨论。