8 階低通橢圓開關(guān)電容濾波器 MAX7400/MAX7403/MAX7404/MAX7407 深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，濾波器是不可或缺的重要組件，尤其是在處理信號(hào)時(shí)，需要對(duì)特定頻率范圍的信號(hào)進(jìn)行篩選和處理。今天我們要深入探討的是 Maxim 公司的 MAX7400/MAX7403/MAX7404/MAX7407 這一系列 8 階低通橢圓開關(guān)電容濾波器（SCFs），它們?cè)诘凸目够殳B和 DAC 后濾波等應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

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一、產(chǎn)品概述

MAX7400/MAX7403/MAX7404/MAX7407 系列濾波器有不同的供電規(guī)格，其中 MAX7400/MAX7403 采用 +5V 單電源供電，而 MAX7404/MAX7407 則使用 +3V 單電源。它們的供電電流僅為 2mA，能實(shí)現(xiàn) 1Hz 至 10kHz 的轉(zhuǎn)角頻率，非常適合低功耗應(yīng)用。同時(shí)，該系列濾波器具備關(guān)機(jī)模式，可將供電電流降至 0.2μA，有效節(jié)省能源。

二、產(chǎn)品特性

2.1 濾波特性

• 階數(shù)與類型：8 階低通橢圓濾波器，這種設(shè)計(jì)能提供陡峭的滾降特性和良好的阻帶抑制能力。
• 阻帶抑制：MAX7400/MAX7404 能提供 82dB 的阻帶抑制，過渡比為 1.5；MAX7403/MAX7407 過渡比為 1.2，滾降更陡峭，阻帶抑制為 60dB。
• 轉(zhuǎn)角頻率：時(shí)鐘與轉(zhuǎn)角頻率比為 100:1，轉(zhuǎn)角頻率范圍為 1Hz 至 10kHz，可通過設(shè)置時(shí)鐘頻率輕松選擇轉(zhuǎn)角頻率。

2.2 電氣特性

• 低噪聲和失真：以 MAX7400 為例，總諧波失真加噪聲（THD + N）低至 -82dB。
• 低功耗：工作模式下電流為 2mA，關(guān)機(jī)模式下僅 0.2μA。
• 輸出偏移：輸出偏移電壓低至 ±5mV。

2.3 時(shí)鐘選項(xiàng)

• 自時(shí)鐘：通過外部電容實(shí)現(xiàn)自時(shí)鐘功能。
• 外部時(shí)鐘：可使用外部時(shí)鐘進(jìn)行更精確的截止頻率控制。

2.4 封裝形式

提供 8 引腳的 SO 和 DIP 封裝，方便不同的應(yīng)用需求。

三、引腳配置與功能

四、工作原理

4.1 濾波結(jié)構(gòu)

大多數(shù)開關(guān)電容濾波器采用雙二階節(jié)設(shè)計(jì)，但這種設(shè)計(jì)對(duì)組件變化較為敏感。而 MAX7400 系列采用了一種替代方法，通過開關(guān)電容積分器進(jìn)行求和與縮放來模擬無源網(wǎng)絡(luò)。這種無源網(wǎng)絡(luò)可以使用 CAD 程序合成，也能在許多濾波器書籍中找到。

4.2 橢圓特性

橢圓濾波器在四種常見濾波器類型（巴特沃斯、貝塞爾、切比雪夫和橢圓）中具有最陡峭的滾降特性。其高 Q 值的極點(diǎn)和阻帶零點(diǎn)使得濾波器在通帶邊緣附近具有尖銳的衰減特性，非常適合抗混疊和 DAC 后濾波應(yīng)用。

4.3 時(shí)鐘信號(hào)

• 外部時(shí)鐘：濾波器設(shè)計(jì)使用占空比為 40% 至 60% 的外部時(shí)鐘，通過改變外部時(shí)鐘速率可調(diào)整濾波器的轉(zhuǎn)角頻率，公式為 (f{C}=f{CLK} / 100)。
• 內(nèi)部時(shí)鐘：當(dāng)使用內(nèi)部振蕩器時(shí)，CLK 引腳的電容（COSC）決定振蕩器頻率，公式為 (f{OSC}(kHz)=frac{K cdot 10^{3}}{C{OSC}})（MAX7400/MAX7403 的 (K = 38)，MAX7404/MAX7407 的 (K = 34)）。

五、應(yīng)用信息

5.1 偏移和共模輸入調(diào)整

COM 引腳的電壓設(shè)置共模輸入電壓，內(nèi)部通過電阻分壓器偏置在電源中點(diǎn)。可通過外部偏置電壓調(diào)整輸出偏移，輸出電壓公式為 (V{OUT }=left(V{IN }-V{COM }right)+V{OS })。

5.2 電源供應(yīng)

MAX7400/MAX7403 使用 +5V 單電源，MAX7404/MAX7407 使用 +3V 單電源。需用 0.1μF 電容將 VDD 旁路到地。若需要雙電源，可將 COM 連接到系統(tǒng)地，GND 連接到負(fù)電源。

5.3 輸入信號(hào)幅度范圍

理想的輸入信號(hào)范圍可通過觀察總諧波失真加噪聲（THD + N）最小化時(shí)的電壓水平來確定。典型工作特性圖表展示了輸入信號(hào)峰 - 峰幅度變化時(shí)的 THD + N 響應(yīng)。

5.4 抗混疊和 DAC 后濾波

在進(jìn)行抗混疊或 DAC 后濾波時(shí)，需同步 DAC 和濾波器時(shí)鐘，以避免拍頻混入通帶。高時(shí)鐘與轉(zhuǎn)角頻率比（100:1）降低了前后濾波的要求，可使用簡單的 RC 低通濾波器實(shí)現(xiàn)輸入抗混疊和輸出時(shí)鐘衰減。

5.5 諧波失真

濾波器內(nèi)部的非線性會(huì)產(chǎn)生諧波失真。在 (TA = +25^{circ}C) 時(shí)，不同型號(hào)濾波器在特定負(fù)載和輸入信號(hào)下的典型諧波失真值可參考相關(guān)表格。

六、訂購信息

該系列濾波器提供不同的溫度范圍和封裝選項(xiàng)，包括 0°C 至 +70°C 和 -40°C 至 +85°C 的溫度范圍，以及 8 引腳的 SO 和 DIP 封裝，方便工程師根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇。

七、總結(jié)

MAX7400/MAX7403/MAX7404/MAX7407 系列 8 階低通橢圓開關(guān)電容濾波器憑借其低功耗、良好的濾波特性和靈活的時(shí)鐘選項(xiàng)，在抗混疊和 DAC 后濾波等應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢。工程師在設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)具體的應(yīng)用場景和性能要求，合理選擇合適的型號(hào)和配置，以實(shí)現(xiàn)最佳的濾波效果。你在實(shí)際應(yīng)用中是否使用過類似的濾波器？遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。