模拟有源滤波器MAX275的原理及应用

１　概述

ＭＡＸ２７５是美国ＭＡＸＩＭ公司生产的通用型有源滤波器。它内含两个独立的二阶有源滤波电路，可分别同时进行低通和带通滤波，也可通过级联实现四阶有源滤波，中心频率／截止频率可达３００ｋＨｚ。 ＭＡＸ２７５无需时钟电路，因此与开关电容滤波器相比，其噪声更低，动态特性更好，能广泛应用于各种精密测试设备、通信设备、医疗仪器和数据采集系统。

图1

２ ＭＡＸ２７５的结构原理

ＭＡＸ２７５内部的二阶有源滤波器如图１所示。由图可见，该电路采用４运放设计，运放、内部电容以及外接电阻构成级联积分电路，可同时提供低通和带通滤波输出。电路内部最后一级运放的输入端接有一个５ｋΩ电阻，其作用是避免外部寄生电容对内部积分电容产生影响。

３ ＭＡＸ２７５的引脚功能和主要参数

３．１ 引脚功能

ＭＡＸ２７５采用２０脚ＤＩＰ或ＳＯ封装形式，引脚排列如图２所示。使用时只要根据相关公式计算出合适的外接电阻，经过简单的连接就能很好地满足设计要求。其主要引脚的功能如下（内部的两个独立二阶有源滤波器分别用Ａ、Ｂ表示）：

Ｖ＋，Ｖ－，：正、负电源输入端。

ＩＮＡ，ＩＮＢ：信号输入端。

ＬＰＩＡ，ＬＰＩＢ：低通滤波输入端。

ＬＰＯＡ，ＬＰＯＢ：低通滤波输出端。

ＢＰＩＡ，ＢＰＩＢ：带通滤波输入端。

ＢＰＯＡ，ＢＰＯＢ：带通滤波输出端。

ＦＣＡ，ＦＣＢ：频率控制端。

３．２ 主要性能参数

ＭＡＸ２７５的主要性能参数如下：

● 频率范围：１００～３００ｋＨｚ；

● 频率精度：±０．９％；

● 频率精度温漂：－２４ｐｐｍ／℃；

● Ｑ值温漂：３８ｐｐｍ／℃；

● 宽带噪声：６μＶＲＭＳ（１Ｈｚ～１０Ｈｚ），４２μＶＲＭＳ（１０Ｈｚ～１０ｋＨｚ）；

● 失调电压：±１２５ｍＶ（低通输出），±５０ｍＶ（带通输出）；

    ● 失调电压温漂：２０μＶ／℃；

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

● 输出电压摆幅：±４．５Ｖ （ＲＬ＝５ｋΩ）；

● 电源电压范围：－２．３７Ｖ～＋５．５０Ｖ；

● 工作温度范围：－４０℃～８５℃。

４ 典型电路

图３为ＭＡＸ２７５的典型应用电路。外接电阻Ｒ１～Ｒ４的阻值计算公式为：Ｒ２＝?２×１０９／Ｆｏ?，Ｒ４＝Ｒ２－５ｋΩ，Ｒ３＝?Ｑ（２×１０９）?／Ｆ０×（ＲＸ／ＲＹ），Ｒ１＝２×１０９／Ｆｏ ＨＯＬＰ×（ＲＸ／ＲＹ）（低通滤波）或Ｒ１＝Ｒ３／ＨＯＢＰ（带通滤波）。式中Ｆ０为中心频率／截止频率，Ｑ为品质因数，ＨＯＬＰ为低通滤波器增益，ＨＯＢＰ为带通滤波器增益。需要注意的是，ＲＸ／ＲＹ取决于频率控制端ＦＣ的接法：若ＦＣ接地，ＲＸ／ＲＹ＝１／５；若ＦＣ接正电源， ＲＸ／ＲＹ＝４；若ＦＣ接负电源，ＲＸ／ＲＹ＝１／２５。Ｒ１～Ｒ４中若有阻值过大或过小的现象，可适当采取后两种接法达到调整电阻值的目的。但在对噪声比较敏感的情况下，不推荐使用。

图5

５ ＭＡＸ２７５应用实例

图４为笔者设计的某目标识别电路的组成原理框图。根据识别目标信号频率的特点，滤波器采用由ＭＡＸ２７５构成的二阶巴特沃思低通滤波器，且Ｆｏ＝３００Ｈｚ，ＨＯＬＰ＝２．８。具体实现方案参见图５。该图由在ＤＯＳ环境下运行的ＭＡＸ２７５ Ｆｉｌｔｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｏｆｔｗａｒｅ根据设计要求自动生成，所有外接电阻均为标称值，采用１％金属膜电阻。

设计过程中遇到的主要问题有：第一，由于该低通滤波器的截止频率较低，使得某些外接电阻的阻值较大，当大于４ＭΩ时，由于电阻精度及寄生电容的影响，Ｆｏ和Ｑ值会出现较大偏差。解决方案是用Ｔ形电阻网络取代大阻值的外接电阻，图５中有两处采用了Ｔ形网络以代替大阻值的Ｒ２和Ｒ４（两者约为６．７ＭΩ）；第二，滤波器的输出失调电压将对后级的电压比较器产生影响，有可能导致比较器误动作。解决方案是在图５的ＩＮＰＵＴ端和输出端ＬＰＯ之间增加一级ＲＣ无源滤波电路，以消除输出失调电压，另外还可在ＬＰＯ端加接一个由集成运放构成的射极跟随器作为缓冲输出。

    巴特沃思滤波器幅频响应的特点是在小于截止频率的范围内，具有最平幅度响应，而在大于截止频率后，幅频响应迅速下降。图５电路的幅频特性曲线如图６所示。实际应用表明，ＭＡＸ２７５完全符合设计要求，是一种使用方便、性能优良的有源滤波器。