探索MF10-N通用單片雙開關(guān)電容濾波器：特性、設(shè)計與應(yīng)用

在電子工程師的日常工作中，濾波器是一個不可或缺的重要組件。今天，我們來深入探討德州儀器（Texas Instruments）的MF10 - N通用單片雙開關(guān)電容濾波器，詳細了解它的特性、設(shè)計要點和應(yīng)用場景。

文件下載：MF10CCWMX/NOPB.pdf

一、產(chǎn)品概覽

MF10 - N由兩個獨立且易于使用的通用CMOS有源濾波器構(gòu)建模塊組成。每個模塊搭配一個外部時鐘和3 - 4個電阻，就能實現(xiàn)各種二階功能。它具有以下顯著特點：

1. 使用便捷：對于工程師來說，易于操作意味著能節(jié)省大量的開發(fā)時間。
2. 高精度時鐘與中心頻率比：時鐘與中心頻率比的精度可達±0.6%，這為精確的濾波設(shè)計提供了保障。
3. 頻率穩(wěn)定性好：濾波器截止頻率的穩(wěn)定性直接取決于外部時鐘質(zhì)量，對外部組件變化的敏感度低。
4. 多類型輸出：具備獨立的高通（或陷波或全通）、帶通、低通輸出。
5. 寬頻率范圍：fO × Q范圍可達200 kHz ，最高工作頻率可達30 kHz。
6. 多樣的封裝形式：提供20引腳0.3英寸寬的PDIP封裝和20引腳表面貼裝（SOIC）寬體封裝，方便不同的應(yīng)用場景選擇。

二、關(guān)鍵參數(shù)與規(guī)格

1. 絕對最大額定值

這是確保器件安全性能的重要參數(shù)。例如，電源電壓（V+ ?V?）最大為14V，任何引腳的電壓范圍在V??0.3V至V+ + 0.3V之間，任何引腳的輸入電流限制在5 mA等。在設(shè)計電路時，必須嚴格遵守這些額定值，否則可能會對器件造成損壞。

2. 工作額定值

不同型號的MF10 - N如MF10ACN、MF10CCN、MF10CCWM的溫度范圍為0°C ≤TA ≤70°C 。在實際應(yīng)用中，要根據(jù)工作環(huán)境溫度來選擇合適的器件型號。

3. 電氣特性

在供電電壓V+ = +5.00V和V? = ?5.00V的條件下，它有眾多關(guān)鍵的電氣參數(shù)。比如中心頻率范圍在0.1 - 30 kHz ，時鐘頻率范圍在5.0 Hz - 1.5 MHz ，時鐘與中心頻率比偏差在不同模式和條件下有具體的數(shù)值要求等。這些參數(shù)是我們設(shè)計濾波器性能的重要依據(jù)，大家在設(shè)計時要仔細參考。

三、引腳功能解析

MF10 - N的引腳設(shè)計涵蓋了各種功能，下面為大家詳細介紹幾個關(guān)鍵引腳：

1. LP、BP、N/AP/HP引腳：分別是二階低通、帶通和陷波/全通/高通輸出，這些輸出通常能夠吸入1.5 mA電流并提供3 mA電流，輸出擺幅距離每個電源約1V。
2. INV引腳：是每個濾波器求和運算放大器的反相輸入，屬于高阻抗輸入。
3. S1引腳：用于全通濾波器配置的信號輸入引腳，驅(qū)動時源阻抗應(yīng)小于1 kΩ ，若不使用則應(yīng)連接到AGND。
4. SA/B引腳：控制一個開關(guān)，可將每個濾波器第二個求和器的一個輸入連接到AGND或低通（LP）輸出，為濾波器的不同操作模式提供了靈活性。
5. CLKA、CLKB引腳：是每個開關(guān)電容濾波器構(gòu)建模塊的時鐘輸入，要求時鐘電平一致（TTL或CMOS），時鐘占空比應(yīng)接近50%，特別是在使用高于200 kHz的時鐘頻率時。
6. 50/100/CL引腳：通過設(shè)置該引腳的高低電平，可以實現(xiàn)50:1或100:1的時鐘與濾波器中心頻率比，當(dāng)引腳置低時還能觸發(fā)簡單的限流電路。

四、工作模式分析

MF10 - N具有多種工作模式，每種模式都有其獨特的特點和應(yīng)用場景。以下為大家介紹幾種常見模式：

1. 模式1：陷波1、帶通、低通輸出

此模式下，陷波頻率等于復(fù)極點對的中心頻率，即 (f{notch }=f{0}=frac{f_{CLK}}{50}) 。低通增益和帶通增益可以通過電阻比進行調(diào)整，電路動態(tài)關(guān)系也有相應(yīng)的公式。這種模式適用于需要特定陷波和帶通功能的應(yīng)用。

2. 模式1a：非反相帶通、低通

中心頻率可以選擇為 (frac{f{CLK}}{100}) 或 (frac{f{CLK}}{50}) ，帶通增益有特定的計算公式。不過該模式在高Q值時動態(tài)性能可能不佳，有時可能需要輸入緩沖器。

3. 模式3：高通、帶通、低通輸出

這是一種通用的狀態(tài)變量濾波器模式，適合大多數(shù)通用濾波需求。不過由于輸入求和放大器的有限GBW乘積，可能會導(dǎo)致Q值略有增強，如果這是一個問題，可以在R4兩端連接一個小電容（10 pF - 100 pF）來提供一些相位超前。

大家在實際應(yīng)用中，要根據(jù)具體的濾波需求來選擇合適的工作模式。

五、設(shè)計實例：四階Chebyshev低通濾波器

為了更好地理解MF10 - N的應(yīng)用，我們以設(shè)計一個四階Chebyshev低通濾波器為例。假設(shè)系統(tǒng)要求該濾波器具有1 dB波紋、直流增益為1、截止頻率為1000 Hz。

1. 參數(shù)確定：根據(jù)系統(tǒng)要求，確定所需的兩個二階濾波器部分的中心頻率、Q值和增益：
   • (f{0A} = 529 Hz, Q{A} = 0.785, H_{0A} = 1)
   • (f{0B} = 993 Hz, Q{B} = 3.559, H_{0B} = 1)
   • 所需的時鐘與截止頻率比為100 ，使用100 kHz的時鐘信號。由于所需的中心頻率無法通過50或100的時鐘與中心頻率比獲得，因此需要通過外部電阻進行調(diào)整。
2. 模式選擇：從模式表中可以看出，模式3可用于生成具有電阻可調(diào)中心頻率的低通濾波器，所以我們選擇模式3。
3. 電阻計算：首先選擇輸入電阻 (R{1A} = 20k) ，通過 (R{4A} = -H{OLPA}R{1A} = R_{1A} = 20k) 使通帶增益的絕對值等于1 。對于第二個部分，使用類似的方法計算電阻。
4. 電路布局：在設(shè)計電路時，要注意將Q值較低的部分放在Q值較高的部分之前，以避免信號在中心頻率附近出現(xiàn)削波。最后，根據(jù)供電方式（如±5V雙電源或+10V單電源）進行合理的電路布局，并添加必要的電源旁路電容。

六、單電源操作注意事項

MF10 - N也可以在單端電源下工作，此時VA +和VD +連接到正電源（8V - 14V），VA -和VD -連接到地，AGND引腳必須連接到V+/2 。這個半電源點要非?！案蓛簟?，因為其上出現(xiàn)的任何噪聲都會被視為濾波器的輸入。半電源點可以通過一對電阻和一個旁路電容從電源電壓中獲得。

總之，MF10 - N通用單片雙開關(guān)電容濾波器憑借其豐富的功能、良好的性能和多樣的工作模式，為電子工程師提供了強大的濾波解決方案。在實際應(yīng)用中，我們要根據(jù)具體的需求，合理選擇工作模式、準(zhǔn)確計算參數(shù)、精心設(shè)計電路，以實現(xiàn)最佳的濾波效果。大家在使用MF10 - N進行設(shè)計時，有沒有遇到過一些獨特的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。