MAX274有源滤波器的设计应用

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MAX274有源滤波器的设计应用

于春香

(中国兵器工业第214研究所　蚌埠　233042)

摘　要　介绍了MAX I M 公司系列芯片MAX274的工作性能与特点,并详细介绍了MAX274滤波器的公式和软件设计方法。

关键词　MAX274　有源滤波器　滤波单元　陷波滤波器　Q 值

1　前　言

在电子技术应用领域里,经常需要设计硬件有源滤波器,而滤波器的好坏将直接影响到整个系统的性能。普通硬件有源滤波器由运算放大器和R 、C 组成,虽然比较容易实现,但参数调试困难,而且当工作频率较高时,元件周围的杂散电容将会严重影响滤波器的特性,使其偏离预定的工作状态。MAX I M 公司生产的MAX274是一八阶连续时间有源滤波器,由4个独立的二阶有源滤波器组成,每个滤波单元只需外接4个电阻,即可实现Butter worth 、Bessel 、Chebyshev 和Elli p tic 带通或低通滤波器,比开关型滤波器噪声低,动态特性好,并且不需要时钟,没有时钟噪声。

2　MAX274特性和内部滤波器单元结构

MAX274可以实现100Hz ～150kHz 范围内的任意

频率的带通和低通。其主要特性参数如下:

●最大工作频率为10MHz;●中心频率范围是100Hz ～150kHz;●中心频率的精度为±1%;

●中心频率的温度系数(△F 0/△T )为-28ppm /℃;

●工作电压为+5V 或±5V 。

MAX274内部集成4个独立的二阶有源滤波

器,每个二阶滤波器电路其内部结构是相同的,电路内部包含4个放大器、2个电容和5个电阻,通过改变外接4个电阻即可实现各种频率的带通或低通滤波器。其内部单元结构和外部接口图分别如图1、图2所示

。

图1　内部单元结构图

第25卷第2期2007年6月　　　　　　　　　　　　集成电路通讯

J ICH EN GD I ANLU TON GXUN 　　　　　　　　　　　

Vol .25　No .2

Jun .2007

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图2　外部接口图

图2中的管脚功能说明

I N A 、I N B 、I N C 、I N D:信号输入;

LP OA 、LP OB 、LP OC 、LP OD:低通滤波器输出;BP OA 、BP OB 、BP OC 、BP OD:带通滤波器输出;FC:Ry/Rx 调节端,可接V +、G ND 或

V -端

FC 接到Ry/Rx V +

1/4G ND 5/1V -25/1

3　滤波器的设计

3.1　根据滤波器的设计公式进行设计的步骤

3.1.1　计算F 0/Q

由于内部运放有限的增益带宽积和驱动能力,MAX274对中心频率与品质因数之比F 0/Q 有限制,如图3所示。在设计一个滤波器时候,应先计算F 0和Q 值,确保F 0/Q 在图3的可实现区内,超出此范围的滤波器是不能实现的。

图3　F 0,Q 取值范围

3.1.2　计算滤波器外接电阻的阻值

外接电阻的阻值最大不应该超过4M Ω,因为此时电路的寄生电容的影响会明显地表现出来,从而造成过大的F 0/Q 误差。当外接电阻R2与

R3的阻值小于5k

Ω时,将会对电路输出驱动能力有影响。外接电阻的阻值计算方法如下:

步骤1:计算电阻R2,电阻R2、R4决定中心频率F O 。

R2=2×109

/F 0

步骤2:计算电阻R4,R4=R2-5k

Ω步骤3:计算电阻R3,电阻R3决定中心频率F O 、品质因数Q 。

R3=(Q ×109

/F 0)×(Rx/Ry )

Rx/Ry 的比值由FC 所连接的电平决定,其

具体的系数见图2。

步骤4:计算电阻R1,电阻R1决定其增益。低通滤波器:R1=2×109

F 0×H OLP

×

Rx Ry H OLP 为低通输出LP O 在直流输入下的增益。

带通滤波器:R1=

R3

H OB P

H OB P 为带通输出BP O 在中心频率处的增益。3.1.3　陷波滤波器的设计

MAX274外接一个运放就可实现陷波滤波

器,如图4所示,其参数为:

F 0=F notch =

1R2(R4+5k

Ω)?2×109

Q =

1R2(R4+5k Ω)?R3?(Ry Rx

)3

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H ON =G A I N =RG/R I

N 图4　陷波滤波器

3.2　根据设计软件进行设计

MAX I M 公司提供了MAX274滤波器的设计

软件,该软件可根据所要求的滤波形式,计算出滤波器的阶数、极点值、Q 值和电阻的大小,省去了用公式进行计算。

3.2.1　由滤波器的指标确定极点、Q 值和零

点

这一步主要是根据滤波器所需达到的性能指标,如通带内的最大衰减、阻带内的最小衰减、截止频率、抑止频率、Q 值等,迅速算出经典的But 2

ter worth 、Bessel 、Chebyshev 和Elli p tic 滤波器的极

点、阶数和Q 值。

Select One

Deter m ine Poles/Q s /Zer os based on filter requirements

I m p lement filter in hard ware (MAX274/275)Configure p rinter Quit

[↑,↓]move curs or [E NTER ]t o select

[ESC ]t o cancel

图5　MAX274设计软件的主界面

在图5中选择“Deter m ine Poles/Q s /Zer os based on filter require ments ”菜单并回车,就进入

到图6,首先选择所要设计的滤波器的类型(LOW P ASS 、H I GHP ASS 、BANDP ASS 、NOTCH ),对于带通滤波器,Amax 为通带内最大

衰减,Am in 为阻带内最小衰减,Fc 为通带的中心频率,Fb w 为通带的带宽,Fs w 为阻带的带宽。O rder 为滤波器阶数。分别输入滤波器的各项设

计指标,从而完成初步设计。在这一步完成之后,可以通过屏幕大致浏览设计好的滤波器幅度及相

位响应,保存设计进入第二步,导入第一步完成的设计模型,这时软件会提醒你选择Butter worth 、Chebyshev 还是Bessel 型滤波器,确定后就进入电

路设计部分。在这一部分,我们可以具体观看每一个二阶滤波器的外接电阻值及电路的连接情况,并且允许对每个电阻进行调节,甚至可以将某一、二阶节去掉或者重新增加一、二阶节,保存调整后的设计,可以通过相应的命令观察各二阶节以及滤波器的整体幅频特性,从而完成电路设计。

Maxi m I ntergrated Pr oducts Filter Design Soft w are

Type Bandpass Amax 　　　Am in 　　　Fc 　　　

Fb w 　　　Fs w 　　　

　Butter worth Bessel Chebyshev Elli p tic O rder Am in

图6　由滤波器的指标确定极点、零点和Q 值界面

4　MAX274在滤波器中的应用

下面是作者设计的1个4阶带通滤波器的实

例,设计要求:中心频率37.08kHz,截止频率f L =25kHz 、f H =55kHz,带内波动为1dB ,通带增益为20d B ,带外抑制为20d B /O 。

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根据设计要求,用MAX274软件进行参数设

计如下:

　Type Bandpass Amax 0.5d B Am in 20d B 　Fc 37.08k

Fb w 　18k 　Fs w 　71k 　

Butter worth 　　　Bessel 　　　Chebyshev 　Elli p tic 　O rder 　　6　4　4　Am in 　26.633d B 　***20.4dB 26.469d B

根据以上设计,针对三种滤波器性能进行比较,由于Chebyshev 滤波器在截止频率处下降很

快,从而保证带外抑制大于20dB /O 。该滤波器设计结果如下:

F 0(kHz )

Q G A I N R1R2R3R4Secti on 127.7k 2.977106.712k 72.202k 42.989k 67.202Secti on 2

48.75k

2.977

10

4.004k

41.026k

24.426k

36.026

对所设计的滤波器进行了电性能测试,测试结果满足设计指标要求。

参考文献

1.MAX I M p r oduct data sheet 2001

新型DC -DC 变换器的控制I C -F A7733N

富士公司最近研发的单沟道降压变换器用I C,装有耗电小、外部元件数少的高耐压功率MOSFET

(金属氧化物半导体场效应晶体管)。由于高输入电压(～45V ),能达到任意的输出功率,故可实现小型

高效率(>85%)的DC -DC 变换器。这一I C 的主要特点如下:⒈由于高耐压CDMOS 的加工工艺,所耗费的电流小;⒉输入电压范围宽,10～45V (最大定额为50V );⒊内装导通电阻小的P 沟道功率MOS 2

FET (I O =12A );⒋

内部设置了各种保护电路(防止低压误动作,软起动,过流保护,定时器闭锁式短路保护,过热保护等);⒌标准偏置功能,偏置电流<30微安;⒍振荡频率可变化,(f =30～40kHz )。

邓隐北　摘自《富士时报》2006.No 1

声　　明

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《集成电路通讯》编辑部

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