MAX7409/MAX7410/MAX7413/MAX7414 5 阶低通开关电容滤波器：性能与应用解析

一、引言

在电子电路设计中，滤波器是不可或缺的组件，用于信号处理、抗混叠等多种应用场景。MAXIM 推出的 MAX7409/MAX7410/MAX7413/MAX7414 5 阶低通开关电容滤波器（SCFs），以其低功耗、灵活的时钟选项和出色的滤波性能，在众多应用中展现出独特的优势。本文将深入解析这些滤波器的特点、性能参数以及应用注意事项。

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二、产品概述

2.1 基本特性

MAX7409/MAX7410 采用 +5V 单电源供电，MAX7413/MAX7414 采用 +3V 单电源供电，工作电流仅 1.2mA，具有 1Hz 至 15kHz 的可调转角频率，非常适合低功耗数模转换器（DAC）后置滤波和抗混叠应用。同时，它们具备关机模式，可将供电电流降至 0.2µA。

2.2 时钟选项

这些滤波器提供两种时钟选项：自时钟（通过外部电容实现）和外部时钟，后者可实现更精确的转角频率控制。此外，还设有偏移调整引脚，可调整直流输出电平。

2.3 滤波器类型

MAX7409/MAX7413 为贝塞尔滤波器，具有低过冲和快速稳定的特点；MAX7410/MAX7414 为巴特沃斯滤波器，提供最大平坦通带响应。固定的响应特性简化了设计，只需选择合适的时钟频率即可。

三、应用领域

• ADC 抗混叠：在模拟 - 数字转换过程中，有效防止高频信号混叠到有用信号频段。
• CT2 基站：确保信号的准确传输和处理。
• DAC 后置滤波：改善 DAC 输出信号的质量。
• 语音处理：对语音信号进行滤波，提高语音清晰度。
• 安全气囊电子系统：保障系统的稳定性和可靠性。

四、性能参数

4.1 绝对最大额定值

• 电源电压范围：VDD 至 GND 为 -0.3V 至 +6V。
• 引脚电压范围：IN、OUT、COM、OS、CLK、SHDN 为 -0.3V 至 (VDD + 0.3V)。
• 输出短路持续时间：1 秒。
• 连续功率耗散：不同封装在不同温度下有不同的降额值。

4.2 电气特性

• 转角频率：0.001 至 15kHz，时钟 - 转角频率比为 100:1。
• 输出电压范围：0.25VDD - 0.25V。
• 输出偏移电压：±4mV 至 ±25mV。
• 总谐波失真加噪声（THD + N）：不同型号在不同输入条件下有不同的值。

4.3 典型工作特性

包括频率响应、相位响应、电源电流与电源电压关系、内部振荡器周期与电容关系等，这些特性为实际应用提供了重要参考。

五、引脚配置与功能

引脚	名称	功能
1	COM	公共输入引脚，内部偏置在电源中点，需外接 0.1µF 电容到地。
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	偏移调整输入，可通过电阻分压器连接外部电源进行输出偏移调整
7	SHDN	关机输入，低电平激活关机模式，高电平或连接 VDD 为正常工作
8	CLK	时钟输入，可连接外部电容或外部时钟

六、设计要点

6.1 时钟信号

• 外部时钟：需使用占空比为 50% ±10% 的外部时钟，通过改变外部时钟速率可调整滤波器的转角频率，公式为 (fc = f{CLK} / 100)。
• 内部时钟：在 CLK 和地之间连接电容 COSC，振荡器频率由电容值决定，公式为 (f{osc} (kHz) = 30 × 10^3 / C{OSC} (pF))。同时，要尽量减小 CLK 处的杂散电容，以免影响内部振荡器频率。

6.2 输入阻抗

滤波器的输入阻抗与时钟频率成反比，可通过公式 (Z{IN} = 1 / (f{CLK} × 2.1 pF)) 估算。设计时，应使用输出阻抗小于滤波器输入阻抗 10% 的驱动器。

6.3 低功耗关机模式

将 SHDN 引脚置低可激活关机模式，此时滤波器供电电流降至 0.2µA，输出呈高阻抗状态；正常工作时，将 SHDN 引脚置高或连接到 VDD。

6.4 偏移和共模输入调整

COM 引脚设置共模输入电压，内部通过电阻分压器偏置在电源中点。若不需要偏移调整，可将 OS 连接到 COM；若需要调整，可通过电阻分压器网络向 OS 施加外部偏置电压。输出电压可由公式 (V{OUT} = (V{IN} - V{COM}) + V{OS}) 表示。

6.5 电源供应

MAX7409/MAX7410 采用 +5V 单电源，MAX7413/MAX7414 采用 +3V 单电源，需在 VDD 和 GND 之间连接 0.1µF 电容进行旁路。若需要双电源供电，可将 COM 连接到系统地，GND 连接到负电源。

6.6 输入信号幅度范围

最佳输入信号范围可通过观察总谐波失真加噪声最小的电压电平来确定，典型工作特性图展示了不同输入信号峰 - 峰值幅度下的 THD + N 响应。

6.7 抗混叠和 DAC 后置滤波

在进行抗混叠或 DAC 后置滤波时，需同步 DAC（或 ADC）和滤波器的时钟，否则会产生拍频并混叠到期望的通带内。

6.8 谐波失真

滤波器内部的非线性会产生谐波失真，文档中列出了不同型号在不同输入条件下的典型谐波失真值。

七、总结

MAX7409/MAX7410/MAX7413/MAX7414 5 阶低通开关电容滤波器以其低功耗、灵活的时钟选项和出色的滤波性能，为电子工程师在信号处理、抗混叠等应用中提供了可靠的解决方案。在设计过程中，需要充分考虑时钟信号、输入阻抗、电源供应等因素，以确保滤波器的性能和稳定性。你在实际应用中是否遇到过类似滤波器的使用问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。