模擬有源濾波器MAX275的原理及應(yīng)用

１　概述

ＭＡＸ２７５是美國(guó)ＭＡＸＩＭ公司生產(chǎn)的通用型有源濾波器。它內(nèi)含兩個(gè)獨(dú)立的二階有源濾波電路，可分別同時(shí)進(jìn)行低通和帶通濾波，也可通過(guò)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)四階有源濾波，中心頻率／截止頻率可達(dá)３００ｋＨｚ。 ＭＡＸ２７５無(wú)需時(shí)鐘電路，因此與開(kāi)關(guān)電容濾波器相比，其噪聲更低，動(dòng)態(tài)特性更好，能廣泛應(yīng)用于各種精密測(cè)試設(shè)備、通信設(shè)備、醫(yī)療儀器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1

２ ＭＡＸ２７５的結(jié)構(gòu)原理

ＭＡＸ２７５內(nèi)部的二階有源濾波器如圖１所示。由圖可見(jiàn)，該電路采用４運(yùn)放設(shè)計(jì)，運(yùn)放、內(nèi)部電容以及外接電阻構(gòu)成級(jí)聯(lián)積分電路，可同時(shí)提供低通和帶通濾波輸出。電路內(nèi)部最后一級(jí)運(yùn)放的輸入端接有一個(gè)５ｋΩ電阻，其作用是避免外部寄生電容對(duì)內(nèi)部積分電容產(chǎn)生影響。

３ ＭＡＸ２７５的引腳功能和主要參數(shù)

３．１ 引腳功能

ＭＡＸ２７５采用２０腳ＤＩＰ或ＳＯ封裝形式，引腳排列如圖２所示。使用時(shí)只要根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出合適的外接電阻，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的連接就能很好地滿足設(shè)計(jì)要求。其主要引腳的功能如下（內(nèi)部的兩個(gè)獨(dú)立二階有源濾波器分別用Ａ、Ｂ表示）：

Ｖ＋，Ｖ－，：正、負(fù)電源輸入端。

ＩＮＡ，ＩＮＢ：信號(hào)輸入端。

ＬＰＩＡ，ＬＰＩＢ：低通濾波輸入端。

ＬＰＯＡ，ＬＰＯＢ：低通濾波輸出端。

ＢＰＩＡ，ＢＰＩＢ：帶通濾波輸入端。

ＢＰＯＡ，ＢＰＯＢ：帶通濾波輸出端。

ＦＣＡ，ＦＣＢ：頻率控制端。

３．２ 主要性能參數(shù)

ＭＡＸ２７５的主要性能參數(shù)如下：

● 頻率范圍：１００～３００ｋＨｚ；

● 頻率精度：±０．９％；

● 頻率精度溫漂：－２４ｐｐｍ／℃；

● Ｑ值溫漂：３８ｐｐｍ／℃；

● 寬帶噪聲：６μＶＲＭＳ（１Ｈｚ～１０Ｈｚ），４２μＶＲＭＳ（１０Ｈｚ～１０ｋＨｚ）；

● 失調(diào)電壓：±１２５ｍＶ（低通輸出），±５０ｍＶ（帶通輸出）；

    ● 失調(diào)電壓溫漂：２０μＶ／℃；

● 諧波失真：－８９ｄＢ（ＦＴＥＳＴ＝１ｋＨｚ），－８３ｄＢ（ＦＴＥＳＴ＝１０ｋＨｚ）；

● 輸出電壓擺幅：±４．５Ｖ （ＲＬ＝５ｋΩ）；

● 電源電壓范圍：－２．３７Ｖ～＋５．５０Ｖ；

● 工作溫度范圍：－４０℃～８５℃。

４ 典型電路

圖３為ＭＡＸ２７５的典型應(yīng)用電路。外接電阻Ｒ１～Ｒ４的阻值計(jì)算公式為：Ｒ２＝?２×１０９／Ｆｏ?，Ｒ４＝Ｒ２－５ｋΩ，Ｒ３＝?Ｑ（２×１０９）?／Ｆ０×（ＲＸ／ＲＹ），Ｒ１＝２×１０９／Ｆｏ ＨＯＬＰ×（ＲＸ／ＲＹ）（低通濾波）或Ｒ１＝Ｒ３／ＨＯＢＰ（帶通濾波）。式中Ｆ０為中心頻率／截止頻率，Ｑ為品質(zhì)因數(shù)，ＨＯＬＰ為低通濾波器增益，ＨＯＢＰ為帶通濾波器增益。需要注意的是，ＲＸ／ＲＹ取決于頻率控制端ＦＣ的接法：若ＦＣ接地，ＲＸ／ＲＹ＝１／５；若ＦＣ接正電源， ＲＸ／ＲＹ＝４；若ＦＣ接負(fù)電源，ＲＸ／ＲＹ＝１／２５。Ｒ１～Ｒ４中若有阻值過(guò)大或過(guò)小的現(xiàn)象，可適當(dāng)采取后兩種接法達(dá)到調(diào)整電阻值的目的。但在對(duì)噪聲比較敏感的情況下，不推薦使用。

圖5

５ ＭＡＸ２７５應(yīng)用實(shí)例

圖４為筆者設(shè)計(jì)的某目標(biāo)識(shí)別電路的組成原理框圖。根據(jù)識(shí)別目標(biāo)信號(hào)頻率的特點(diǎn)，濾波器采用由ＭＡＸ２７５構(gòu)成的二階巴特沃思低通濾波器，且Ｆｏ＝３００Ｈｚ，ＨＯＬＰ＝２．８。具體實(shí)現(xiàn)方案參見(jiàn)圖５。該圖由在ＤＯＳ環(huán)境下運(yùn)行的ＭＡＸ２７５ Ｆｉｌｔｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｏｆｔｗａｒｅ根據(jù)設(shè)計(jì)要求自動(dòng)生成，所有外接電阻均為標(biāo)稱值，采用１％金屬膜電阻。

設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的主要問(wèn)題有：第一，由于該低通濾波器的截止頻率較低，使得某些外接電阻的阻值較大，當(dāng)大于４ＭΩ時(shí)，由于電阻精度及寄生電容的影響，Ｆｏ和Ｑ值會(huì)出現(xiàn)較大偏差。解決方案是用Ｔ形電阻網(wǎng)絡(luò)取代大阻值的外接電阻，圖５中有兩處采用了Ｔ形網(wǎng)絡(luò)以代替大阻值的Ｒ２和Ｒ４（兩者約為６．７ＭΩ）；第二，濾波器的輸出失調(diào)電壓將對(duì)后級(jí)的電壓比較器產(chǎn)生影響，有可能導(dǎo)致比較器誤動(dòng)作。解決方案是在圖５的ＩＮＰＵＴ端和輸出端ＬＰＯ之間增加一級(jí)ＲＣ無(wú)源濾波電路，以消除輸出失調(diào)電壓，另外還可在ＬＰＯ端加接一個(gè)由集成運(yùn)放構(gòu)成的射極跟隨器作為緩沖輸出。

    巴特沃思濾波器幅頻響應(yīng)的特點(diǎn)是在小于截止頻率的范圍內(nèi)，具有最平幅度響應(yīng)，而在大于截止頻率后，幅頻響應(yīng)迅速下降。圖５電路的幅頻特性曲線如圖６所示。實(shí)際應(yīng)用表明，ＭＡＸ２７５完全符合設(shè)計(jì)要求，是一種使用方便、性能優(yōu)良的有源濾波器。