MAX291/MAX292/MAX295/MAX296：8阶低通开关电容滤波器的详细剖析

在电子设计领域，滤波器是至关重要的组件，它能有效处理信号，满足各种应用场景的需求。Maxim Integrated推出的MAX291/MAX292/MAX295/MAX296 8阶低通开关电容滤波器，凭借其出色的性能和广泛的应用范围，成为众多工程师的首选。今天，我们就来深入了解一下这款滤波器。

文件下载：MAX291CPA+.pdf

一、概述

MAX291/MAX292/MAX295/MAX296是易于使用的8阶低通开关电容滤波器。其中，MAX291/MAX292的截止频率范围为0.1Hz至25kHz，而MAX295/MAX296的截止频率范围更宽，可达0.1Hz至50kHz。MAX291/MAX295为巴特沃斯滤波器，能提供最大平坦的通带响应；MAX292/MAX296为贝塞尔滤波器，具有低过冲和快速稳定的特点。这四款滤波器的响应固定，设计任务主要是选择控制滤波器截止频率的时钟频率。

二、产品特性

2.1 滤波器类型

• 巴特沃斯（MAX291/MAX295）：通带响应平坦，适用于对通带内信号增益稳定性要求较高的应用，如仪器仪表。
• 贝塞尔（MAX292/MAX296）：能等比例延迟所有频率分量，保留阶跃输入信号的形状，且稳定速度快，在使用多路复用器选择信号输入到模数转换器的应用中表现出色。

2.2 时钟可调截止频率范围

• MAX291/MAX292：0.1Hz至25kHz
• MAX295/MAX296：0.1Hz至50kHz

2.3 无需外部电阻或电容

该系列滤波器内部集成度高，减少了外部元件的使用，降低了设计复杂度和成本。

2.4 内部或外部时钟

可根据实际需求选择使用内部振荡器配合外部电容产生时钟，或直接使用外部时钟信号。

2.5 时钟与截止频率比

• MAX291/MAX292：100:1
• MAX295/MAX296：50:1

2.6 低噪声

典型总谐波失真加噪声（THD + Noise）为 -70dB，能有效减少信号干扰。

2.7 供电方式灵活

可使用单 +5V 电源或双 ±5V 电源供电，适应不同的应用场景。

2.8 未使用的运算放大器

用于抗混叠或时钟噪声滤波，增加了滤波器的功能扩展性。

2.9 封装形式

提供8引脚DIP/SO和16引脚宽SO封装，方便不同的PCB布局需求。

三、应用领域

3.1 ADC抗混叠滤波

在模数转换过程中，防止高频信号混叠到低频信号中，保证转换精度。

3.2 噪声分析

有效滤除噪声，提高信号质量，便于进行准确的噪声分析。

3.3 DAC后滤波

对数模转换器输出的信号进行滤波，平滑信号，减少纹波。

3.4 50Hz/60Hz线噪声滤波

去除电源中的工频噪声，提高系统的稳定性。

四、电气特性

4.1 输出特性

• 输出直流摆幅：±4V
• 输出失调电压：IN=GND时，典型值为 ±150mV，最大值为 ±400mV
• 去除输出失调后的直流插入增益误差：范围为 -0.15dB至0.15dB

4.2 总谐波失真加噪声

在TA = +25°C，fCLK = 100kHz条件下，典型值为 -70dB

4.3 时钟馈通

fCLK = 100kHz时，典型值为6mVp-p

4.4 内部振荡器特性

• 频率：Cosc = 1000pF时，频率范围为29kHz至43kHz
• 电流源/吸收电流：VCLK = 0V或5V时，典型值为 +70μA，最大值为 ±120μA

4.5 时钟输入电平

• 高电平：4.0V
• 低电平：1.0V

4.6 未使用运算放大器特性

• 输入失调电压：典型值为 ±10mV，最大值为 ±50mV
• 输出直流摆幅：±4V
• 输入偏置电流：典型值为0.05μA

4.7 电源要求

• 双电源：电压范围为 +2.375V至 ±5.500V
• 单电源：V- = 0V，GND=V2时，电压范围为4.750V至11.000V
• 电源电流：V+ = 5V，V- = -5V，VCLK = 0V至5V时，典型值为15mA，最大值为22mA

五、典型工作特性

5.1 内部振荡器频率与温度、电源电压、电容值的关系

通过相关图表可以直观地看到内部振荡器频率随温度、电源电压和电容值的变化情况，这对于在不同环境条件下设计滤波器非常重要。

5.2 频率响应

不同型号的滤波器在频率响应上有所差异，巴特沃斯滤波器和贝塞尔滤波器的特性在频率响应曲线中得到体现。工程师可以根据实际需求选择合适的滤波器。

5.3 相位响应

相位响应曲线展示了滤波器对不同频率信号的相位影响，有助于分析信号在滤波过程中的相位变化。

5.4 电源电流与温度、电源电压的关系

了解电源电流随温度和电源电压的变化情况，对于电源设计和系统功耗评估至关重要。

六、引脚描述

引脚名称	16引脚功能	8引脚功能
1, 2, 7, 8, 9, 10, 15, 16	不连接（N.C.）	-
3	时钟输入（CLK）	时钟输入（CLK）
4	负电源引脚（V-）	负电源引脚（V-）
5	未使用运算放大器输出（OP OUT）	未使用运算放大器输出（OP OUT）
6	未使用运算放大器反相输入（OP IN-）	未使用运算放大器反相输入（OP IN-）
11	滤波器输出（OUT）	滤波器输出（OUT）
12	接地（GND）	接地（GND）
13	正电源引脚（V+）	正电源引脚（V+）
14	滤波器输入（IN）	滤波器输入（IN）

七、详细描述

7.1 巴特沃斯与贝塞尔滤波器的区别

当3kHz方波输入滤波器时，巴特沃斯滤波器（MAX291/MAX295）会产生过冲和振铃，而贝塞尔滤波器（MAX292/MAX296）能保留方波形状，因为其在通带内具有线性相位响应，能等比例延迟所有频率分量。

7.2 截止频率和滤波器衰减

MAX291/MAX292的时钟与截止频率比为100:1，最大截止频率为25kHz；MAX295/MAX296的时钟与截止频率比为50:1，最大截止频率为50kHz。8个极点提供每倍频程48dB的衰减。

7.3 背景信息

该系列滤波器采用模拟无源网络的设计方法，相比级联双二阶设计，具有更低的组件灵敏度，能有效减少组件失配对滤波器性能的影响。

7.4 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 = 1 / (f_{CLK} * C)) 估算。不同型号的滤波器在不同时钟频率下的输入阻抗不同，设计时需注意驱动源的输入源电阻应小于滤波器输入阻抗的10%。

7.5 时钟信号要求

最大推荐时钟频率为2.5MHz，CLK引脚可由外部时钟或内部振荡器驱动。理想情况下，时钟应具有50%的占空比，允许的时钟不对称性可达60/40%（或40/60%），但时钟高电平和低电平时间至少为200ns。使用内部振荡器时，CLK到地的电容决定振荡器频率，公式为 (f{OSC}(kHz) approx frac{10^{5}}{3 C{OSC}(pF)}) ，同时应尽量减小CLK处的杂散电容。

八、应用信息

8.1 电源供应

该系列滤波器可使用双电源或单电源供电。双电源电压范围为 +2.375V至 +5.500V，±2.5V双电源等效于单电源操作，但使用外部电阻分压器网络可能会导致性能略有下降。

8.2 输入信号范围

理想的输入信号范围可通过观察总谐波失真加噪声（THD + Noise）比在给定截止频率下的最大值来确定。

8.3 未使用的运算放大器

可用于构建一阶或二阶连续低通滤波器，用于抗混叠或时钟噪声衰减。例如，可构建一个10kHz截止频率的二阶低通巴特沃斯滤波器，其输入电阻为22k，满足开关电容滤波器的最小负载要求。此外，该运算放大器还可用于减少时钟纹波馈通到输出。

8.4 DAC后滤波

使用该系列滤波器进行DAC后滤波时，需同步DAC和滤波器的时钟，避免拍频混叠到所需通带内。DAC的时钟应通过对开关电容滤波器的时钟进行分频产生。

8.5 谐波失真

滤波器内部的非线性会产生谐波失真，表2列出了在1kHz、5Vp-p正弦波输入信号、1MHz时钟频率和5kΩ负载条件下的典型谐波失真值。

九、订购信息

该系列滤波器提供多种温度范围和封装形式可供选择，具体信息可参考文档中的订购信息表格。

十、总结

MAX291/MAX292/MAX295/MAX296 8阶低通开关电容滤波器以其丰富的特性、广泛的应用领域和灵活的设计选项，为电子工程师提供了强大的信号处理解决方案。在实际设计中，工程师需根据具体需求选择合适的滤波器型号和参数，充分发挥其性能优势。同时，要注意时钟信号、电源供应、输入信号范围等因素对滤波器性能的影响。你在使用这类滤波器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。