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｡

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:%26;#177;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:%26;#177;125mV(低通输出),%26;#177;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:%26;#177;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%26;#215;109/Fo ,R4=R2-5kΩ,R3=Q(2%26;#215;109)/F0%26;#215;(RX/RY),R1=2%26;#215;109/Fo HOLP%26;#215;(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｡

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｡