通用型有源滤波器MAX275的结构原理和应用实例分析
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：±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。
５、ｍａｘ２７５应用实例
图４为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。
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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。
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ｂｐｏａ，ｂｐｏｂ：带通滤波输出端。
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● 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；
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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。
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