MAX260/MAX261/MAX262：微處理器可編程通用有源濾波器的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，濾波器的重要性不言而喻。今天，我們要深入探討的是Maxim公司的MAX260/MAX261/MAX262系列微處理器可編程通用有源濾波器，它們?yōu)?a target="_blank">電子工程師在濾波器設(shè)計(jì)方面提供了強(qiáng)大而靈活的解決方案。

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產(chǎn)品概述

MAX260/MAX261/MAX262是CMOS雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器，允許微處理器對精確的濾波功能進(jìn)行控制。無需外部組件，即可實(shí)現(xiàn)多種帶通、低通、高通、陷波和全通配置。每個(gè)器件包含兩個(gè)二階濾波部分，可通過編程控制中心頻率（f0）、品質(zhì)因數(shù)（Q）和濾波工作模式。

主要特性

• 微處理器接口：方便與微處理器連接，實(shí)現(xiàn)靈活的編程控制。
• 64步中心頻率控制：能夠精確調(diào)整濾波器的中心頻率。
• 128步Q控制：對品質(zhì)因數(shù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。
• 獨(dú)立的Q和f0編程：可以分別對Q和f0進(jìn)行編程，滿足不同的設(shè)計(jì)需求。
• 保證的時(shí)鐘與f0比率：A等級產(chǎn)品的時(shí)鐘與f0比率誤差可控制在±1%以內(nèi)。
• 寬中心頻率范圍：MAX260的中心頻率范圍可達(dá)7.5kHz，MAX261可處理高達(dá)57kHz的中心頻率，而MAX262通過采用較低的時(shí)鐘與f0比率，將中心頻率范圍擴(kuò)展到140kHz。
• 單+5V和±5V供電：支持多種供電方式，提高了設(shè)計(jì)的靈活性。

技術(shù)細(xì)節(jié)

f0和Q編程

每個(gè)二階濾波部分都有獨(dú)立的時(shí)鐘輸入和f0、Q控制。實(shí)際的中心頻率是濾波器時(shí)鐘速率、6位f0控制字和工作模式的函數(shù)。Q值也通過單獨(dú)的編程輸入進(jìn)行設(shè)置。通過這種方式，MAX260/MAX261/MAX262的每個(gè)半部分都可以獨(dú)立調(diào)諧，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的濾波多項(xiàng)式。

振蕩器和時(shí)鐘輸入

時(shí)鐘電路可以與晶體、電阻 - 電容（RC）網(wǎng)絡(luò)或外部時(shí)鐘發(fā)生器配合使用。CLKA和CLKB的時(shí)鐘占空比并不重要，因?yàn)檩斎霑?huì)在內(nèi)部進(jìn)行二分頻，以生成每個(gè)濾波部分的采樣時(shí)鐘。需要注意的是，這種內(nèi)部二分頻也會(huì)使采樣率減半，在考慮混疊和其他采樣系統(tǒng)現(xiàn)象時(shí)需要特別留意。

微處理器接口

f0、Q和模式選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中。通過向A0 - A3選擇的地址寫入數(shù)據(jù)，可以更新存儲(chǔ)器內(nèi)容。D0和D1是數(shù)據(jù)輸入。數(shù)據(jù)在WR的上升沿存儲(chǔ)到選定的地址中。當(dāng)濾波器由±5V供電時(shí)，地址和數(shù)據(jù)輸入與TTL和CMOS兼容；使用其他電源電壓時(shí)，應(yīng)使用CMOS邏輯電平。

關(guān)機(jī)模式

當(dāng)向?yàn)V波器A的Q地址（Q0A - Q6A）寫入全零值時(shí)，MAX260/MAX261/MAX262進(jìn)入關(guān)機(jī)/待機(jī)模式。關(guān)機(jī)時(shí)，±5V供電下的功耗通常降至10mW。關(guān)機(jī)后重新激活濾波器時(shí)，需要2ms才能恢復(fù)到全工作狀態(tài)。

濾波工作模式

MAX260/MAX261/MAX262的每個(gè)濾波部分的求和放大器和積分器有多種配置方式，其中四種最通用的互連模式（模式1 - 4）可通過向輸入M0和M1寫入數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇。此外，還有一種模式3A，它利用了MAX261和MAX262中包含的額外運(yùn)算放大器和外部電阻，但內(nèi)部配置與模式3相同，使用相同的編程代碼進(jìn)行選擇。

設(shè)計(jì)流程

濾波器設(shè)計(jì)

首先，使用程序“PZ”確定所需的濾波器類型（如巴特沃斯、切比雪夫等）和極點(diǎn)數(shù)量。該程序還會(huì)繪制頻率響應(yīng)曲線，并計(jì)算每個(gè)二階部分的極點(diǎn)/零點(diǎn)（f0）和Q值。

生成編程系數(shù)

根據(jù)第一步得到的f0和Q值，使用程序“MPP”生成用于編程每個(gè)二階部分f0和Q的數(shù)字系數(shù)。同時(shí)，需要選擇輸入時(shí)鐘頻率和濾波模式。對于大多數(shù)帶通和低通濾波器，模式1是最方便的選擇；橢圓帶通和低通濾波器需要模式3；高通濾波器也使用模式3，而全通濾波器使用模式4。

加載濾波器

當(dāng)確定了每個(gè)二階濾波部分的f0和Q的N值后，就可以對濾波器進(jìn)行編程和操作。如果有PC可用，可以使用一個(gè)簡短的BASIC程序通過PC的并行打印機(jī)端口將數(shù)據(jù)加載到MAX260/MAX261/MAX262中。

應(yīng)用提示

電源供應(yīng)

MAX260/MAX261/MAX262可以使用多種電源配置，包括+5V至+12V單電源或±2.5V至±5V雙電源。使用單電源時(shí)，需要將V - 連接到系統(tǒng)地，并將濾波器的GND引腳偏置到V + / 2。為了獲得最佳性能，V + 和V - 應(yīng)通過4.7μF電解電容（優(yōu)選鉭電容）和0.1μF陶瓷電容旁路到地。

輸出擺幅和削波

MAX260/MAX261/MAX262的輸出設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)10kΩ負(fù)載。在MAX261和MAX262中，所有濾波輸出在10kΩ負(fù)載下可擺動(dòng)到離每個(gè)電源軌0.15V以內(nèi)；在MAX260中，由于內(nèi)部采樣保持電路，N/HP/AP輸出的電壓擺幅比LP和BP輸出小1V。為了確保輸出不超出最大范圍，需要仔細(xì)考慮峰值幅度響應(yīng)、各個(gè)部分的增益、輸入信號(hào)電平以及濾波器的失調(diào)電壓。

時(shí)鐘饋通和噪聲

MAX260系列器件的典型寬帶噪聲在DC至100kHz范圍內(nèi)為0.5mVP - P，且噪聲幾乎與時(shí)鐘頻率無關(guān)。在多級濾波器中，應(yīng)將Q值最高的部分放在前面，以降低輸出噪聲。如果輸出波形的步進(jìn)現(xiàn)象（“階梯狀”）令人反感，可以添加一個(gè)單極AC濾波器來消除。

輸入阻抗

MAX260的輸入阻抗可以近似為RIN = 2 /（CINfCLK），其中CIN約為12pF。MAX261/MAX262的輸入結(jié)構(gòu)有所不同，其輸入電阻比MAX260大750倍。

低采樣率下的f0和Q

當(dāng)選擇低fCLK/f0比率和低Q設(shè)置時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)與理想連續(xù)濾波器響應(yīng)的偏差?？梢允褂脠D20或Maxim的設(shè)計(jì)軟件對選定的f0和Q進(jìn)行校正。需要注意的是，不同模式下的校正方法有所不同。

設(shè)計(jì)實(shí)例

四階切比雪夫帶通濾波器

將MAX260的兩個(gè)部分級聯(lián)，形成一個(gè)中心頻率為1kHz的四階切比雪夫帶通濾波器。通過合理選擇時(shí)鐘頻率和編程系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)所需的濾波性能。

寬通帶切比雪夫帶通濾波器

在這個(gè)例子中，使用模式1和模式2相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)中心頻率為1kHz、通帶帶寬為1kHz、阻帶帶寬為3kHz的寬通帶切比雪夫帶通濾波器。

高頻切比雪夫帶通濾波器

使用MAX262在更高的頻率下實(shí)現(xiàn)了與上述相同的切比雪夫響應(yīng)形狀。由于MAX262具有更寬的fCLK/f0比率范圍，因此可以在兩個(gè)部分都使用模式1。

四階巴特沃斯低通濾波器

將MAX260的A和B部分級聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)截止頻率為3kHz的四階巴特沃斯低通濾波器。在這種情況下，需要考慮低Q值下的采樣誤差，并根據(jù)需要進(jìn)行校正。

總結(jié)

MAX260/MAX261/MAX262系列微處理器可編程通用有源濾波器為電子工程師提供了一種強(qiáng)大而靈活的濾波器設(shè)計(jì)解決方案。通過合理選擇工作模式、編程系數(shù)和時(shí)鐘頻率，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的濾波功能。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中需要注意電源供應(yīng)、輸出擺幅、時(shí)鐘饋通和噪聲等問題，以確保濾波器的性能和穩(wěn)定性。希望本文對大家在濾波器設(shè)計(jì)方面有所幫助，如果你在實(shí)際應(yīng)用中遇到任何問題，歡迎在評論區(qū)留言討論。