MAX266中文数据手册

MAX266 265 中文数据手册中文数据手册 By Hi Cracker whu 引脚电阻可编程通用高效滤波器引脚电阻可编程通用高效滤波器 MAX266 265 General Description 和 MAX265 是高效的容滤波器 专门设计用于需要高精度 滤波的应用 MAX266 场合 内置了两个独立的滤波模块 可以 配置成低通 高通 带通 带阻 全通滤波器 中心频率或者 截止频率的控制需要外接电阻以及 6 Pin Strapped 的输入特性 来编程实现 然而 Q 值仅用电阻连接实现 各种各样类型的 滤波器都可以实现 巴特沃斯 切比雪夫 椭圆滤波器等等 内部集成了两个运算放大器 MAX265 可以将中心 截止频率可以最高调到 40Khz 然而 MAX266 通过使用一个低范围的 fclk fo 比例系数 可以将 fos 调到 140Khz 4MHZ 系统时钟 可以通过一个晶振或是额外的 源获得 滤波器的操作电压为从 2 37v 到 6 3v 或者 5V 的单 电源供电 Application 声纳电子设备 Anti Aliasing 滤波器 数字信号处理 震动音频分析 远程通信测试仪器 Features 滤波器参数设置软件化 256bit 的频率控制字 电阻调整 Q 值和 fo 140Khz 频率调节范围 5V 或者单电源 5V 操作电压 Introduction 每个 MAX266 265 都包含的两个可配置滤波器模块已经显 示在数据手册前面的功能框图上 fclk fo 编程输入 F0 F5 被 两个滤波模块共用 然而 每个部分的 fo 仍然受到各自外接电阻 的独立调节 各个模块的的 Q 值也是受到各自的外接电阻的独 立调节的 MAX266 使用比 MAX265 更低范围的取样比率 fclk fo 这样就可以产生更高的信号带宽以及 fo 的可编程范围 降低 fclk fo 产生的影响主要就是比 MAX265 的滤波器参数的连续性 稍微差了一些 但是这些不同可以通过使用图 23 所示的图形或 是美信得滤波器软件来补偿 在所有系列的 MAX26X 系列的滤波器中 由于有时钟速 率在内部被一分为二 所以 内部采样速率只有输入时钟的一 半 CLKa 或 CLKb 所有的数据手册上的数据 图表 以及 描述 关注的滤波器时钟都是将频率 CLKa 或者 CLKb 作为输 入参考的 换言之 两倍的内部采样速率 Filter Design Software 美信提供了软件程序来帮助快速的将频率响应设计需求转 化成对硬件的操作 一系列的软件程序可以使用 包括如下 Program PZ 输入需求 例如 中心频率 Q 值 通带纹波 抑 制衰减 PZ 寄存处极点频率 Q 值 零点 以及所需的滤波器 的阶数 Program RP 由 PZ 算出的第一个滤波模块和和第二个滤波模 块的规格输入软件 RP 将会帮助依下列的格式计算出所需的电 阻值 1 2 3 3A 4 5 6A 6B Program RPCHECK 将编程电阻 时钟速率 fclk fo 比率输入 该软件 它将帮助算出一个滤波模块在所有配置模式下的实际 性能 之后设计的灵敏性 以及电阻的范围可以继续得到测试 Program FR 当一个滤波模块或是更多的滤波模块设计完成之 后 FR 可以帮助你测试最终级联后的滤波器响应 输出的频率 响应可以和最初的来自 PZ 的数据相比较 Quick Look Design Procedure MAX26X 系列的滤波器 在美信滤波器设计软件的辅助下 极大的简化了设计流程 可以帮助用户设计出很多高效的滤波 器 你会发现 很多滤波器的设计 都遵循这部分列出来的设 计步骤 如果没有使用滤波器设计软件 或者电路的复杂程度 超过了部分所涉及的步骤 那么 可以参考数据手册的其余部 分以获得更加详细的应用信息的描述 Step1 Filter Design 从软件 PZ 开始设计 首先决定使用什么类型的滤波器 PZ 可以帮助你决定滤波器多项式 即决定滤波器的 以及设计出 滤波器级数的最佳选择 这个软件同时会画出频响曲线以及所 选择的每一个滤波模块的频率极点 零点 Q 值 每一个 MAX265 266 包含两个这样的模块 各个器件可以级联成更高 级别的滤波器 Step2 Select a Filter Mode 下一步就是选择最优化的滤波器操作模式 看 操作模式 这 一行章节对每一种操作模式的描述和各自的优点 为了简化模 式选择 这些描述是按照滤波器类型 低通 带同 等 有机 的组织起来的 在级联的滤波器中 滤波器的操作模式可以混 合使用 Step3 Programming and Resistor Values 以步骤 1 中 PZ 得出的 fo 以及 Q 值作为开始 继续使用 RP 设 计软件进行后续设计 RP 为 fclk fo 挑选合适的编码组合 列在 表 2 中 这个软件同时选择位外接的电阻选择合适的阻值 以 最常用的模式给出 这些是 1 2 3 3A 4 5 6A 和 6B Detailed Description fo Programming 芯片中的每一个滤波器模块都它自己输入时钟 然而 由 于引脚的局限性 六个 fclk fo 编程输入引脚 F0 F5 需要被两 个拉勃起模块共享 除了编程输入引脚 每一个滤波模块的 fo 也受到了滤波器时钟和外接电阻的控制 外接电阻能够调节 fo 的程度受到滤波器操作模式的影响 Oscillator and Clock Inputs 芯片时钟电路的需要配合晶振 或外接时钟源 或是电阻 电容网络 RC 共同操作 如图 1 当使用 RC 网络时 时钟 速率 fclk 0 45 RC 但是 这个关系式与实际情况之间可能 有误差 所以 在最滤波器的精确度要求较高的应用中 并不 推荐适用 RC 时钟 从 CLKA 和 CLKB 输入时钟的占空比并不重要 因为这 个信号在内部被二分频后分别送给两个滤波模块 作为其采样 时钟 需要特别注意的是 这个内部的分频操作同时也将 抽 样 速率分频当考虑到系统混叠以及其他系统现象的时候 Filter Operating Modes Max266 和 265 滤波器内部的各个滤波模块可以配置成多种 模式 这个配置可以通过 Sa b S1 S1b 的输入值 以及外接 的电阻 从图 5 到图 20 描述了滤波器模式 每一中情况 都只 显示了两个滤波模块中的其中一个 fo fn notch Q 以及 每一种模式的的输出增益都显示在各个图表中 针对每一个滤 波器类型 各个操作模式的优点将在接下来的部分讨论 表 1 针对每一种模式 在 Qs 不断变化的情形下 列出了相对应的典 型的 fo 和 fclk 的范围 Modest for Bandpass and Lowpass Filters MODE1 and 1A 1D 图 图 5 9 当需要制作全极点低通 带通滤 波器时 例如巴特沃斯 切比雪夫 贝塞尔滤波器时 这个模 式时非常用用的 这个模式支持最高的 fos 因为输入放大器在 滤波器的谐振环路的外面 Mode1A 仅仅需要两个电阻 时最 简单的低通或带通滤波器的配置方式 在 1A 模式下 有两个 BP 输出 其中一个 BP2 不论电阻值为多少 都具有单外增 益 在 Mode1 1A 和 1D fo 受到 fclk 和 fclk fo 编程输入 F0 F5 的调节 但是不受电阻控制 Mode1B 和 1C 允许电阻调节作为 编程调节的补充 fo 在 1B 模式下可以编程增加 在 1C 模式下 可以编程减小 Mode1D 时带通滤波或是低通滤波的简单模式 当是 Qs 可以调节 MODE2and 2A 2B 图 图 10 12 将低通滤波器的噪声降低到了 最小 看典型的操作特性 MODE3 and 3A 图 图 13 14 对于零极点滤波器 比如说椭圆滤 波器 这种模式对于 fo 和 fn 的调节是最灵活的 如果 fos 在表 1 列出的范围之内 则推荐使用这种模式 在 Mode3A 下 HP 和 LP 的输出是通过联合下一级滤波器的输 入放大器 或者 其他的片上放大器共同计算 从而形成 notch 电阻控制了 notch zero fn 的位置 它可以在 fo 的上下进 行调整 尽管 Mode3A 的输出被打上了 Notch 的标签 但是它也可以 用作级联的带通滤波器 低通滤波器 以及高通滤波器 注意 带通滤波器计算公式 以及低通滤波器计算公式 注意 带通滤波器计算公式 以及低通滤波器计算公式 见美 见美 信官方数据手册信官方数据手册page9 Modes For Highpass Filters MODE2 图 10 可以用于椭圆高通滤波器 使用它的 N 输出 这里的 fn 小于 fo MODE3 和 3A 图 13 14 提供了高通输出 针对全极点滤波器 比如说贝塞尔 巴特沃斯 切比雪夫滤波器 Mode3 是首选模 式 在 4th order 甚至更多的拥有零点的滤波其中 比如椭圆滤 波器 Mode3A 的部分可以级联起来 使用 Notch 输出 图 11 注意 高通滤波器的计算公式见美信官方数据手册注意 高通滤波器的计算公式见美信官方数据手册 Modes for Notch Filters MODE1 1B and 1C 图 5 7 8 在 2nd order notches 配置下工作 的很好 这些模式拥有最高的带宽 并且 由于 notch fn 和 fo 出现在同一个点 所以这些模式都是最基本的 在 mode1 中 fn 仅仅通过时钟和可编程的 fclk fo 的比率即可完成设置 在 mode1B 和 1C 中 fn 可以通过电阻来调整 但是此时它仍然与 fo 相等 Mode2 2A 2B 图 10 11 12 当需要级联 2nd order 以组合成 high order 的 notch 时 这些模式显得非常有用 fn 可以通过电 阻进行独立调节到低于 fo 的某一个频率点 这些模式相对于模 式 1 显得较为麻烦缓慢 但是它也表现出了更低的噪声 Mode3A 图 14 对于零极点滤波器 比如椭圆滤波器 这个模 式使 fo 和 fn 的调整变得非常灵活 电阻的比率决定 notch 的区 间范围 它可以在 fo 的上下进行继续调整 在 mode3A 下 高 通或低通输出需要联合下一级滤波器的输入放大器 或者一个 其他的片上放大器共同组成一个 notch 注意 注意 NOTCH计算公式见美信官方数据手册计算公式见美信官方数据手册 Page10 Modest for allpass Filters MODE4 and 4A 图 15 16 仅仅提供全通输出 也就是说 随 着频率的变化 它的幅度响应是平坦的 相位响应是线性的 表达式的分子上的零点对和分母上的极点对有相同的中心频率 和 Q 值 所以导致幅频响应就是一条直线 在 mode4 下 fo 受 到时钟和 fclk fo 的编程控制 然而 在 mode4A 下 fo 也可以 受到电阻的调节 MODE5 图 17 将分子上的零点对 fz 中心频率 放置在一 个与 fo 不同频点上 因此 幅频响应在 fz 处有一个 notch 他 是与分子上的 Q 值成比例的 注意 全通滤波器的计算公式见美信官方数据手册 注意 全通滤波器的计算公式见美信官方数据手册 Modest for 1ST order Filters MODE6A 6B and 6C 图 18 20 这些模式可以形成简单的单 极点可调函数关系式 这些模块可以单独的使用 或者添加到 2nd order 模块级联成 odd order 滤波器 低通 高通 全通输出 都是可以组成的 Filter Design Procedure 大多数设计者设计的开始都是先将需要的频率响应先转化为一 个或多个滤波模块的 fos 和 Q 值 这些值可以通过已经讲解过 的设计公式或是表格来求得 当然 也可以直接通过美信官方 的滤波器设计软件 PZ 来完成计算 一旦得到 fos 和 Q 值 下一步就是为滤波器的类型选择合适的操作模式 接下来 需要选择 fclk fo 的比例和时钟频率 并且 计算出需 要的电阻值 滤波器设计软件 RP 可以帮助为每一部分选择 合适的值 如果抽样频率 fclk 2 慢到可以产生显著的错误 那么 所选 择的 fos 和 Q 值也许就需要通过图 23 或者是美信设计软件提供 的信息来更正采样速率的影响 在大多数情况下 采样错误时 不明显的 一般来说 错误率小于 1 或 2 在任何情形下 需要的 fos 无论是否需要进行修正 都可以从表 2 或是滤波器 设计软件中求得 Cascading Filters 在一些设计中 例如 滤波器带宽非常窄 或者在一些模式中 的 fo 不能受到电阻的调节 几个具有恒等的 fo 的 2nd order 部 分也许需要级联起来 最终滤波器的 Q 值计算表达式是 见 美信官方数据手册 P14 这里的 Q 指的是每个单独滤波器部分的 Q 值 N 是滤波器模块 的数量 在表 3 中列出的总 Q 值和带宽是在多达 5 个独立的 2nd order 滤波模块级联的情形下算出的结果 B 是每个独立部 分的带宽 在比较复杂的滤波器中 具有不同 fos 和 Q 值的滤波器模块常 常级联在一起 在这种情况下 总体增益已经不仅仅是各个独 立模块在各自独立的 fos 处的各独立增益作用的结果 4th order 滤波器的级联增益可以通过下列表达式计算出来 美信官网 数据手册 P15 Application Hints Power Supplies MAX265 266 可以在多种多样的供电电源下正常的操作 例如 2 5V 5V 或者是 5V 12V 的单电源供电模式 当使用 单电源供电时 V 段可以直接接到系统参考地 滤波器的 GND 需要偏压到 V 2 输入信号需要通过电容耦合到滤波器输入端 或者也添加一个 V 2 的偏压 图 21 显示了单电源操作下的电 路连接 如果 CLKA 和 CLKB 受到 5V 输入电平驱动 则消耗的电能 将低于在 TTL 电平驱动下的电能消耗 5V 或是 2 5V 的操作 电压虽然降低了能量消耗 但是和 12V 或 5V 操作电压比起 来 也降低系统带宽 通过在 V 和 V 端用 4 7uf 电解电容和 0 1uf 的陶瓷电容并联对 供电电源进行去耦将会得到最佳器件性能 当然 去耦电容需 要尽可能靠近 IC 引脚 当使用单电源供电时 V 和 GND 需要 去耦至 V 端 Output Swing and Clipping MAX265 266 的输出设计的可以在每一个供电轨上 在 0 25V 范围内 驱动一个 5 千欧姆的负载 为了确保输出不会超出最 大浮动范围 输出削波 输出幅度响应的最大值 各个滤波模 块的增益 Hobp Holp Hohp 输入信号水平 滤波器偏置 电压 都必须仔细的考虑 检测没有使用到的滤波器输出部分 以防止削波 例如 在带通连接下的低通输出部分 因为任何 一级滤波部分的最大负载被超过之后都会导致全局响应的偏离 理想值 Choosing Resistors 手工计算或者是通过软件产生的电阻值 也许都可以变换到其 他的值 只要它们的比例保持不变即可 MAX265 266 驱动 5K 或更大负载的要求限制了电阻的下限 然而 其他的要连 接到滤波器输出的负载也需要考虑到 大值电阻的使用需要非 常小心 因为这样会使噪声积累 寄生电容的影响被放大 在 电阻值在不超过每一级滤波器最小负载 5K 的情况下 尽量 使其值达到最小 将会得到最佳的器件性能 Clock Feedthrough and Noise 典型的宽频噪声的频率是从直流到 100KHz 幅度值大约 0 5mVpp 噪声与中心频率和 Q 值之间的关系在介绍典型操作 特点的部分已经用图表加以展示 注意 clock feedthrough is removed from the noise measurements by an external RC output filter MAX265 266 以及其他开关电容滤波器的波形都是以阶 梯状的采样信号的形式输出的 这个阶梯状的波形是与内部采 样速率 fclk 2 相关的 如果想要消弱这种阶梯 可以再加一 级无源 RC 滤波器 在没有输入信号的情况下 clock related feedthrough 大约是 8mvpp 它也受到了 RC 平滑滤波器的衰 减作用 正如图 22 显示的那样 fo and Q at Low Sample Rates 当选择了低 fclk fo 比例 和低 Q 值时 滤波器响应偏离理想的 连续性的现象将会变得很显著 这主要是由于 Q fo fclk fo Qs 的相互影响 图 23 中的数据显示了这些不 同之处 由于这些错误都是可以预知的 所以可以通过选择合 适的 fo 和 Q 值 使得实际的滤波器参数都能过合乎最初的设计 需求 这些可预知的错误并不是 MAX26X 系列器件所独有的 事实上存在于所有类型的抽样滤波器中 因此 这种补偿 修 补措施也适用与于其他的开关电容滤波器 在很多情形下 错 误并不明显 参数修正也是非必须的 然而 MAX266 使用了 比 MAX265 更低的 fclk fo 比例 因此 MAX266 也是更容易产 生抽样错误的 正如图 23 所显示的那样 美信的滤波器设计软件会自动的使用现有的修正函数来得出期 望的 fclk fo 和 Q 因此 如果美信设计软件决定了 fo 和 Q 则 图 23 不再需要 如果同样的修正因子被计算了两次 将会产生 过度补偿的结果 Aliasing 和所有的采样系统一样 输入信号的组成频率超过采样频率的 一半时将会产生混叠的现象 特别的 输入信号的组成成分接 近采样速率时产生的差频信号在通频带常常会被衰减掉 这样 的混叠信号出现在输出端时 是很难与真正的输入信息区分开 的 举个例子 99KHz 的输入信号 输入一个采样频率是 100Khz 的滤波器中 fclk 200KHz 那么此时混叠输出的的 差频信号是 1Khz 此时的输出波形 好像是 1Khz 的输入信号 经过衰减以后得到的 在使用 MAX26X 系列的滤波器 时 一 定要记住抽样定理中速率问题 抽样速率的一半 事实上时 fclk 4 因为 fclk 在内部经过了 2 分频 一个简单的无缘低通滤波器可以很好的滤除输入频率中可能会 造成混叠的频率 在许多情形下 输入信号本身也就就是带限 信号 因此不需要额外的混叠抑制滤波器 宽带宽的 MAX266 使用了比 MAX265 更低的 fclk fo 比例 所以 MAX266 更需要 一个输入滤波 Nulling DC Offset 在 LP 或者 Notch 输出产生的 DC 偏移电压可以通过图 24 的连 接来完成调零操作 这个电路使用运算放大器搭建了一个单极 点混叠抑制滤波器 注意 多级滤波器的总偏置通常将会低于 单级滤波器的偏置 因为各级滤波器之间的偏置是可以相互抵 消的 使用 HP 或者 BP 的输出 偏置可以通过电容耦合来消除 Design Example 4th Orcer Butterwoth Lowpass Filter Cutoff Frequency 30KHz foa fob 30Khz Qa 1 307 Qb 0 541 Gain 1 由于这个应用的较高的操作频率 MAX266 很适合于这个应用 中 由于 fo 在两个 2nd order 滤波模块中时相同的 所以适合 工作在 Mode1 下 上述的 cookbook 中的 fo 和 Q 值可以直 接使用 或者可以使用滤波器设计软件 PZ 如果给两个模块任意选择一个 2MHz 的时钟 那么此时的 fclk fo 会是 66 7 通过核对图 23 中的采样差错图 我们可以看 到 在较低的 fclk fo 比例和低 Q 值下 采样差错逼近 9 这 些错误可以通过图表或者软件 PZ 和 RP 来修正 RP 的输出 精确到 3 位数字 差错修正如下 Sec 1 R1 20K R2 20K R3 26 6K Programmed Clk Ratio 69 12 Clk Frequency 2Mhz Sec 1 R1 35 9K R2 35 9K R3 20K Programmed Clk Ratio 72 26 Clk Frequency 2Mhz 注意 因为各个模块之间的抽样差错并不完全相同 修正过程 也是不同 因此 每一个模块的编程时钟比例并不相同 RP 计 算 MAX265 266 不允许独立的对每一半滤波器进行编程 所 以这里我们看到 1 在两个滤波器模块中使用相同的时钟比例 69 12 但是必须 接受产生的响应误差 2 在两个滤波器模块中使用相同的时钟比例 69 12 但是将模 块 2 中的时钟设计为 69 12 72 26 2MHz 1 913MHz 从而 修正差错 3 在两个模块中使用相同的时钟比例 69 12 和 2MHz 的时钟频 率 但是将模块 2 的操作模式更换为模式 2 从而同过电阻对 其 fo 进行再次调节 我们继续以 3 方案来继续这个设计 所以将模块 2 的操作模 式转换为 Mode1B 这样 时钟比例 72 26 不能直接设置 由 于模块 1 和模块