基于MAX274的音频滤波器设计

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摘 要：介绍max274有源滤波器的特性及计算电路参数的原理和数学推导过程。并介绍了MAXIM公司专用滤波器设计芯片配套开发软件的使用方法。给出了简洁、有效的滤波器设计解决方法，设计了通带范围为300Hz一3400Hz的音频有源切比雪夫型带通滤波器。实际滤波效果良好。

关键词：带通滤波器；切比雪夫(Chebyshev)型滤波器；MAX274

引言

在语音数字系统设计中，为了防止在数据采集后发生混叠失真，同时因为前端一般都会混入50Hz的交流电源噪声，为了阻止语音频带以外的噪声，在A／D转换之前要设置一个滤波器。并且，为了在接收端的A／D转换之后还原高质量的语音信号，也需要有尖锐截止特性的通带范围为300Hz～3400Hz的带通滤波器。经调查研究，我们采用了美国MAXIM公司开发的8阶连续时间有源滤波器芯片MAX274，设计出了比较满意的带通滤波器。现将设计方法及经验体会总结如下。

滤波器类型选择

一般有源连续滤波器有以下类型：

巴特沃斯(Butterworth)型滤波器在通带和止带内没有复杂的纹波。相位响应的线性特性比较好。但是接近通带的止带的衰减不够快，既滚降特性不太好。

切比雪夫(Chebyshev)型滤波器的设计是为了在接近通带的止带产生最佳的衰减，即具有最快的滚降。但是它在相位上不是线性的，也就是说，不同的频率分量要受到不同时间延迟的支配。而且会在通带或者止带内产生纹波。

椭圆函数(Elliptic)型滤波器可以产生比切比雪型或巴特沃斯型滤波器更陡峭的滚降，不过却在通带和止带内同时引入了内容复杂的纹波，并造成高度的非线性相位响应。

我们在系统设计中所需要的带通滤波器，要在接近通带的止带产生比较好的衰减，并且滤波器阶数在满足要求的前提下应尽可能小。切比雪夫型滤波器的具有比较快的滚降，相位响应基本满足要求，且相对其他滤波方式完成相同的指标所需阶数较小。经过权衡取舍，选择了切比雪夫型滤波器来设计带通滤波器。

MAX274有源滤波器简介

MAX274是MAXIM公司推出的一种连续时间有源滤波器，内部有4个2阶状态可变滤波器单元，可实现巴特沃斯(Butterworth)型、切比雪夫(Chebyshev)型、椭圆函数(Elliptic)型以及贝赛尔(Bessel)全通型滤波器。

选用274／275设计滤波器具有如下优点：

(1)电路简单，无需外接电容，根据设计要求，每个滤波单元只需外接4个编程电阻，即可实现从100Hz到150kHz的低通、带通滤波；

(2)MAXIM公司网站提供了免费的专用设计软件，无需复杂的计算；

(3)274是单片集成结构，高频工作时基本不受杂散电容的影响；对电阻误差也不敏感；

(4)所设计滤波器的中心频率、转折频率、Q值以及放大倍数等都可由外加电阻加以确定，参数调整十分方便；

(5)由于放大倍数可调，所以常常设计成与后续模数转换器直接接口的形式，省却了放大电路；

(6)该芯片为连续时间型，比开关型滤波器噪声低，动态特性好；并且不要时钟，没有时钟噪声。

MAX274内部的每个滤波器单元结构如图1所示。其中BPO、LPO分别为带通和低通输出。

MAX274的引脚见图2。引脚名的最后一个字母表示其所属第几个滤波器单元，如A表示第一个，B表示第二个。引脚名的前几个字母表示其功能，如IN为输入，BPI为带通输入，BPO为带通输出,LPO为低通输出，FC为工作方式及频率选择。V+为正电源，V-为负电源，电源电压，为±2．137V～±5．150V之间。电源电流最大不超过30mA。

验证实际设计的每个二阶节的频谱。

我们利用MAXIM附带的软件设计出的频带范围为300Hz～3400Hz的四阶切比雪夫滤波器的各级电阻值是：

第一级二阶节：

Rl=30．841KΩ，R2=477．141KΩ，R3=89．285KΩ，R4=472．14KΩ

第二级二阶节：

R1：318．744KΩ，R2=4931KΩ，R3=922．8KΩ，R4=4931KΩ

实际安装调试

由于MAXIM提供的软件仿真出来的频谱图并不十分精确，而且无法观察级联起来后的频谱，所以应该再在MATLAB下完成仿真得到更力口精确的频谱。

仿真可根据二阶节的内部结构可以得到输入比带通输出的传递函数：

C=79.5pF

把设计软件中得到的每个二阶节的电阻值代入相应的传递函数中，再把每个二阶节的传递函数相乘，可以得到最后输出的辐频响应，见图4实线部分。

设计中，我们实际能实现的电阻阻值与计算值之间有一定的误差，即使使用可调电阻，也存在误差。因此要对电阻值进行取舍，一般只要误差不超过5％，电阻值对滤波器波形的影响就不大，基本可以满足要求了。

在实际调整电阻值过程中要遵循以下简单的原则：R1的阻值与增益成反比；R3的阻值与品质因素成正比；R2与R4的阻值与带宽成反比。

在实际调试后，得出了比较令人满意的幅频响应，见图5虚线部分。调整之后的实际电路连接原理图见图4，其中各级电阻值是：

第一级二阶滤波器：

R1：25，7KΩ，R2＝410KΩ，R3=69．5KΩ，R4=920KΩ

第二级二阶滤波器：

Rl=400KΩ，R2＝5040KΩ，R3=930KΩ，R4=4600KΩ

结语

实践证明，采用连续时间集成滤波器MAX274设计和制作的音频滤波器，结构简单，易于设计，性能可靠，避免了传统滤波器电子元件多、不宜调节的缺点，很好满足了设计要求，实际滤波效果良好。