Полосовой фильтр на ОУ. Расчет полосового фильтра
Главная » Справочник » Полосовой фильтр на ОУ. Расчет полосового фильтра
Полосовые фильтры используются во многих областях электроники. Особенно они широко используется в схемах радиоприема и радиопередачи, в частности в резонансных контурах. Однако и для низких частот, активный полосовой фильтр является эффективным средством выделения сигнала промежуточных частот. Для этих фильтров наиболее широко используемым активным элементом является операционный усилитель (ОУ).
Полосовые фильтры на ОУ легко проектировать и строить, поскольку для этого необходимо минимум компонентов. В дополнение к этому, они обеспечивают очень высокий уровень производительности.
Что такое полосовой фильтр
Как следует из названия, полосовой фильтр фильтрует все частоты, пропуская только частоты, находящиеся в определенном диапазоне. Все частоты за пределами данного частотного диапазона ослабляются.
Есть два основных параметра определяющие характеристики полосового фильтра: полоса пропускания, где фильтр пропускает сигналы и полоса затухания, в которой сигналы ослабляются.
Идеальный полосовой фильтр имеет ровную полосу пропускания (усиление и отсутствие затухания сигнала по всей полосе пропускания) и полное затухание вне полосы пропускания. Кроме того, переход из полосы пропускания абсолютно резкий.
Но на практике невозможно создать идеальный полосовой фильтр. Реальный фильтр неспособен полностью задержать все частоты за границами желаемого диапазона частот. В частности, имеется область в непосредственной близости у границы заданного диапазона, где сигнал частично ослабляется, но не отфильтровывается полностью. Эта область носит название крутизна спада фильтра, и измеряется в дБ затухания на октаву. Как правило, при проектировании, стремятся сделать данный спад как можно более узким, что позволяет получить фильтр максимально приближенным к заданным параметрам.
Расчет полосового фильтра
Расчет полосового фильтра может стать очень сложным занятием даже при использовании операционных усилителей. Тем не менее можно немного упростить методику расчета, и в то же время сохранить производительность полосового фильтра на ОУ на приемлемом уровне.
Данная схема и методика расчета представляют собой хороший баланс между производительностью и простотой конструкцией фильтра.
Из рисунка видно, что помимо операционного усилителя схема еще содержит два конденсатора и три резистора.
Пример упрощенного расчета элементов полосового фильтра на ОУ
Входные данные:
- Резонансная частота f = 20Гц.
- Добротность Q = 10.
- Коэффициент передачи Hо = 5
Так как fmax – fmin = f / Q = 2Гц,
Инвертор 12 В/ 220 В
Инвертор с чистой синусоидой, может обеспечивать питание переменно…
Подробнее
то полоса пропускания составит fmax = 21 Гц, fmin=19 Гц.
Будем исходить из того, что C1=C2=C=1мкФ
Тогда сопротивления резисторов можно рассчитать по следующим формулам:
В нашем случае получим следующие результаты:
R1 = 10 / (5*2*3,14*20*0,000001) = 15,9 кОм
R2 = 10 / ((2*10*10-5)*2*3,14*20*0,000001) = 408 Ом
R3 = 2*10 / (2*3,14*20*0,000001) = 159,2 кОм
В схеме с одним операционным усилителем, желательно, чтобы коэффициент передачи не превышал 5 и добротность была не более 10. Для получения качественного фильтра параметры резисторов и конденсаторов должны как можно ближе соответствовать расчетным значениям.
Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор
Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…
Подробнее
Categories Справочник Tags полосовой фильтр
Отправить сообщение об ошибке.
Активные фильтры НЧ и ВЧ + расчет
wakh
Вахтанг, Москва
-
- #1
Скопировал сюда, чтобы можно было быстро найти.
Собирал неоднократно.
Совпадение с расчетом практически полное.
Реакции:
На это отреагировали gogi, Андрей Никитин, pap_nev и 4 другихYuriyB
Горняк
- #2
В Микрокап давно уже встроена функция построения фильтров на любой вкус. Все эти формулы давно загнали в компьютер.
Это, как в BassBoxPro, все расчёты совпадают с расчётами по формулам из книги Алдошиной и Войшвилло «Высококачественные акустические системы и излучатели»
Эпоха всё таки сменилась.
Реакции:
На это отреагировал(а) Phantomaswakh
Вахтанг, Москва
- #3
YuriyB написал(а):
В Микрокап давно уже встроена функция построения фильтров на любой вкус
Нажмите для раскрытия…
Ну ты понимаешь, если бы я не открыл эту тему,
то твои компьютерные фильтры не попали бы сюда никогда.
Реакции:
На это отреагировали decoder, Gerasim, YuriyB и 3 другихJenyok
Постоялец
- #4
Коллеги,
как рассчитать схему фильтра 2-го порядка (слева на картинке) ?
Перерыл весь интернет, ответов НЕ нашел.
.
Сделал следующее.
.
Оторвал ножку резистора R25, замкнул C9 , т.е. получил фильтр 1-го порядка, см. картинку.
Для R32 = 120 кОм и C1 = 0.15 мкФ частота среза по уровню -3 дБ примерно равна 23 Гц, что соответствует следующим параметрам
Для R32 = 100 кОм и C1 = 0.15 мкФ частота среза по уровню -3 дБ примерно равна 27 Гц, что соответствует следующим параметрам
ФВЧ фильтра C = 0.15 мкФ, R = 39 кОм
.
Вот и как тут объяснить величину резистора R32 (120 кОм, 100 кОм) ?
.
RIAA_P27B_468.png
Открыто
12943
Старожил
- #5
Такое надо? Это начало главы из книги Амелиных.
Image 1.png
Открыто
Jenyok
Постоялец
- #6
Коллеги,
как рассчитать схему фильтра 2-го порядка (слева на картинке) ?
Перерыл весь интернет, ответов НЕ нашел.
.
Сделал следующее.
.
Оторвал ножку резистора R25, замкнул C9 , т.е. получил фильтр 1-го порядка, см. картинку.
Для R32 = 120 кОм и C1 = 0.15 мкФ частота среза по уровню -3 дБ примерно равна 23 Гц, что соответствует следующим параметрам
Для R32 = 100 кОм и C1 = 0.15 мкФ частота среза по уровню -3 дБ примерно равна 27 Гц, что соответствует следующим параметрам
ФВЧ фильтра C = 0.15 мкФ, R = 39 кОм
.
Вот и как тут объяснить величину резистора R32 (120 кОм, 100 кОм) ?
.
RIAA_P27B_468.png
Открыто
Jenyok
Постоялец
- #7
А еще бы хотелось расчет активных фильтров на транзисторах.
.
Расчет ФНЧ, ФВЧ фильтров на операционных усилителях ОУ.
См. прикрепленный файл.
.
rar
Расчет ФНЧ-ФВЧ.rar
Скачать
Jenyok
Постоялец
- #8
Вот что есть по расчету фильтров.
См. прикрепленные файлы.
.
rar
proektirovanie-i-primenenie-operatsionnykh-usiliteley.
rar
Скачать
rar
v_pomohja_radioljubitelju_nomer92.rar
Скачать
Реакции:
На это отреагировал(а) ВикторОв59Rus2000
I=U/R
- #9
Jenyok написал(а):
как рассчитать схему фильтра 2-го порядка (слева на картинке) ?
Нажмите для раскрытия…
Незачем дублировать простые вопросы в разных, тем более, непрофильных темах. ..
Sagittarius
Неуравновешен. Склонен к офтопу и оскорблениям.
- #10
Jenyok написал(а):
А еще бы хотелось расчет активных фильтров на транзисторах.
Нажмите для раскрытия…
С фильтрами вообще проблем нету.
По нужной АЧХ, допустимым её пульсациям и крутизне ската выбираешь тип фильтра: Тщебышева там, али Ботфорта Салленовича Кая, и его порядок. Выбираешь тип ОУ, тут уже — по шумам и искажениям, которые допускаешь приемлемыми. Закладываешь в симуль — симуль тебе рисует АЧХ, все дела, твоя работа — лишь спаять, пока что автоматов для пайки (дома) не придумали кетайцы.
Sagittarius
Неуравновешен. Склонен к офтопу и оскорблениям.
- #11
Jenyok написал(а):
Перерыл весь интернет, ответов НЕ нашел.
Нажмите для раскрытия…
Я так смотрю, ты хочешь 50 Гц отрезать. Но это всё — мракобесие, потому, что 50 Гц почти всегда и так не слышно: акустика не воспроизводит. а вот гармоники запросто до 1000 Гц докатываются, и с ними ничего не сделаешь (фильтром). Разве что ставить резонансные контура на каждую гармонику — а этот фильтр в ведро не влезет.
Реакции:
На это отреагировал(а) Андрей НикитинOleg
Постоялец
- #12
Jenyok написал(а):
Вот и как тут объяснить величину резистора R32 (120 кОм, 100 кОм) ?
Нажмите для раскрытия…
Jenyok написал(а):
как рассчитать схему фильтра 2-го порядка (слева на картинке) ?
Перерыл весь интернет, ответов НЕ нашел.Нажмите для раскрытия…
Так просто подставлять 120 кОм в формулу для f нельзя. Дело в том, что нижний вывод этого R подключён не к «общему», а к выходу усилителя Q1+Q12, да к тому же, через делитель R27/R2. Таким образом, к нему (R32) приложено противофазное напряж. сигнала, т.е. ток через R увеличивается, что означает уменьшение действующего значения этого R32 — как в той самой заморозке. Но и это не всё. Просто разделить R32 на Кус усилителя Q1+Q12 (с учётом делителя R27/R2) не получится, т.к. это ФВЧ, а, значит, этот Кус частотнозависимый. Учитывая то, что это фильтр с многопетлевой ОС (ОС-и через R25 и R32, заведенные в разные точки усилителя с ограниченным Кус), то для этой конфигурации нельзя найти ОУ-шного эквивалента. Поэтому не удивительно, что рассчёта такой схемы вы и не нашли.
Иначе говоря, «нестандартных» схем фильтров можно понапридумывать бесконечное множество. И кто станет отслеживать появление этих схем, тут же создавая матаппарат для их рассчёта? Правильно, никто. Мораль: в том числе и для этого придуманы симуляторы, и вы пользуетесь далеко не лучшим. Я советую переходить на МК, коллеги, очевидно, посоветуют ЛТс.
ПС. Лучшая прога для рассчёта фильтров — это Filter Solution. Там одних только видов аппроксимаций более десятка. Актив, пассив, выбор С или R, влияние отклонений номиналов на параметры, куча различных конфигураций для каждого типа фильтра и мн. мн. другое. Очень мощный инструмент, рекомендую.
ППС. Конвертировал в пдф статью из стартового поста, так, имхо, удобней.
Filters.pdf
Скачать
Последнее редактирование:
Реакции:
На это отреагировали Rus2000, 12943 и Sagittariusthevictor
Новичок
- #13
для быстрого расчета фильтров существуют онлайн сервисы, например:
У вас нет разрешения на просмотр ссылки, пожалуйста Вход или Регистрация
У вас нет разрешения на просмотр ссылки, пожалуйста Вход или Регистрация
Реакции:
На это отреагировали Rus2000, 12943 и SagittariusFIL I.
4 – Активные фильтрыВведение
В предыдущем посте мы рассмотрели конструкцию пассивного LC-фильтра. LC-фильтры имеют много преимуществ: они просты в понимании и конструкции, не требуют внешнего источника питания. Они также являются единственным решением для более высоких частот. Тем не менее, они не могут обеспечить прибыль. Вместо этого часть мощности теряется, когда сигнал проходит через фильтр. Это вносимых потерь фильтра. Для очень слабых сигналов это может быть довольно проблематично. Чем выше порядок LC-цепи, тем больше вносимые потери.
Здесь на помощь приходят активные фильтры . Поскольку они могут обеспечить усиление, они блестяще фильтруют очень слабые сигналы. Они также могут управлять более высокими уровнями мощности. С экспериментальной стороны им также не нужны индукторы, что делает строительство быстрее и дешевле. Не говоря уже о том, что отсутствие катушек индуктивности означает отсутствие паразитной связи нежелательных частот. Однако у них есть свои недостатки, и наиболее важным из них является пропускная способность активного устройства. Активные фильтры обычно нельзя использовать выше определенных частот.
Разработка активного фильтра
Разработка активного фильтра значительно выигрывает от использования программных средств разработки, даже больше, чем для пассивных лестничных LC-фильтров. Для активного фильтра необходимо учитывать больше параметров, и математика немного сложнее.
Тем не менее, между конструкциями пассивных и активных фильтров по-прежнему много общего. Активные фильтры по-прежнему могут быть разработаны для определенного типа ответа: все они принадлежат к одному из семейств фильтров, описанных в предыдущих сообщениях:
- семейство Butterworth, предлагающее плоскую характеристику полосы пропускания и пологий спад
- семейство Чебышевых, предлагающее гораздо более крутой спад за счет пульсаций в полосе пропускания
- семейство Bessel, предлагающее плоскую характеристику полосы пропускания, хорошую характеристику групповой задержки и очень пологий спад
- семейство Cauer, предлагающее самый крутой спад за счет пульсаций в полосе пропускания и вырезов в полосе задерживания
Как и в пассивных фильтрах, спад активного фильтра после частоты среза (также называемой угловой частотой) составляет 20 дБ/декада по мощности на порядок или 10 дБ/декада по напряжению на порядок.
В чем больше всего отличается конструкция активного фильтра, так это в количестве доступных на выбор топологий. Для пассивных фильтров требовались только LC-ступенчатые схемы, будь то конфигурации «T» или «Pi». С другой стороны, активные фильтры могут иметь очень разные характеристики не только в зависимости от их семейства фильтров, но и от того, какая топология активного фильтра используется.
Из-за относительно большого количества и сложности этих топологий в этом посте мы рассмотрим только две наиболее распространенные топологии фильтров: 9Топология 0005 Sallen-Key и топология Multiple Feedback (MFB) .
Активные фильтры Sallen-Key
Фильтр Sallen-Key, также называемый фильтром Sallen-and-Key или фильтром VCVS (источник напряжения, управляемый напряжением), является наиболее популярной и распространенной топологией активного фильтра. И не зря, хотя он может и не обеспечивать наибольшей производительности, его проще всего понять и спроектировать, и он все же дает более чем адекватные ответы. Вот архитектуры Саллена-Ки для фильтров нижних частот, верхних частот и полосовых фильтров:
Обратите внимание, что для фильтров нижних и верхних частот у нас есть два конденсатора. Это дает конфигурации отклик второго порядка. Полосовой фильтр — это особый случай: так же, как и для пассивных фильтров, даже если он имеет 4 конденсатора, он все равно дает характеристику второго порядка.
Чтобы понять, как работает этот фильтр, давайте изучим низкочастотный вариант . На низких частотах конденсатор представляет собой разомкнутую цепь: поэтому входной сигнал поступает непосредственно на операционный усилитель с определенным коэффициентом усиления. Входной сигнал дублируется (с усилением, если оно есть) на выходе. А высокие частоты, конденсаторы коротит. На входе нашего операционного усилителя сигнал посылается на землю из-за низкого импеданса конденсатора, поэтому напряжение практически не усиливается. Обратите внимание, что на этих более высоких частотах эта схема имеет не только отрицательную обратную связь с цепью резисторного делителя, но и положительную обратную связь с . Изменение этого конденсатора может изменить пиковую характеристику нашего фильтра на частоте среза. Его увеличение снижает импеданс на частоте среза, тем самым увеличивая положительную обратную связь и увеличивая пиковую характеристику. Уменьшение его имеет противоположный эффект.
Однако та же причина, по которой обеспечивается положительная обратная связь, делает фильтр Саллена-Ки его основным недостатком. На более высоких частотах, выше точки отсечки, действует как короткое замыкание. Это означает, что часть нашего сигнала больше не фильтруется, а вместо этого напрямую связана с нашим выходом. Это означает, что выше определенной частоты в полосе задерживания затухание уменьшается.
Также обратите внимание, что выход неинвертирующий: входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя.
Две сети определяют частоту среза, а и определяют коэффициент усиления фильтра. Обратите внимание, как и расположены в конфигурации неинвертирующего усилителя, что дает коэффициент усиления , равный . Частота среза составляет , что очень похоже на фильтр первого порядка. Наконец, Q-фактор этого фильтра равен
Фильтры более высокого порядка могут быть созданы путем объединения нескольких таких конфигураций вместе. Это всегда будет приводить к фильтру четного порядка. Активные фильтры нечетного порядка с использованием конфигурации Саллена-Ки можно создать, вставив простой активный RC-фильтр одиночного порядка перед остальными этапами. К сожалению, при соединении нескольких ступеней вместе для достижения фильтра более высокого порядка значения компонентов часто не будут идентичными от одной ступени к другой. Итак, с чего начать разработку активного фильтра Саллена-Ки?
Давайте начнем с определения наших проектных ограничений. Для этого примера предположим, что мы хотим:
- фильтр нижних частот Баттерворта 4-го порядка
- частота среза 10 кГц.
Первым шагом является определение нескольких соотношений, которые упростят наши уравнения и помогут нам лучше визуализировать решение:
- : коэффициент сопротивления
- : коэффициент емкости
Далее нам нужно найти таблицы параметров для фильтров Sallen-Key Butterworth. В хорошем справочнике по дизайну они есть. Если вы не слишком заинтересованы в том, чтобы тратить 100 долларов на один, данные доступны в замечательной заметке TI здесь, на странице 9.
В этих таблицах у нас есть два параметра для каждого этапа: FSF и Q . FSF — коэффициент масштабирования частоты, а Q — коэффициент качества. После того, как вы выбрали порядок фильтрации и, следовательно, количество ступеней вашей конфигурации Sallen-Key, используйте следующие уравнения, также доступные на странице 9.из примечания к приложению TI, чтобы найти фактические значения компонентов. Для каждого этапа:
- : усиление этапа
*** QuickLaTeX не может скомпилировать формулу: FSF \times f_c = \frac{1}{2\pi\sqrt{R_1 R_2 C_1 C_2} *** Сообщение об ошибке: Файл закончился при сканировании с использованием \frac . Экстренная остановка.
, с выбранной нами частотой среза
Вы только заметите, что если в таблицах указаны только значения FSF и Q, это по-прежнему дает нам довольно большой выбор для определения наших сопротивлений и конденсаторов. Обычное упрощение, используемое при проектировании фильтров Саллена-Ки, заключается в том, чтобы отношение резисторов и отношение конденсаторов были равны единице. Это означает, и . Вышеупомянутые уравнения тогда становятся:
С этими уравнениями гораздо проще справиться! Однако у этого упрощения есть недостатки. Коэффициент качества теперь зависит от K, и у нас не может быть отрицательной или нулевой добротности, поэтому коэффициент усиления должен быть меньше 3. При разработке фильтров Саллена-Ки еще одним очень распространенным упрощением является присвоение коэффициента усиления единице. Таким образом, наш фильтр становится следующим:
Фильтр Саллена-Ки с единичным коэффициентом усиления является очень распространенной конструкцией. При , все сопротивления равны, и все емкости равны, наша добротность становится .
Небольшое напоминание о фильтре Q: Q — это пиковое значение фильтра на его полюсной частоте, здесь наша частота среза. На этой частоте усиление будет Q. Для входного сигнала 1 В коэффициент добротности 2 даст нам амплитуду 2 В на частоте среза. Чем выше добротность, тем выше пики отклика на частоте среза.
Фильтр Sallen-Key с единичным усилением
Хотя все эти упрощения и упрощают вычисление значений компонентов вручную, они не обеспечивают максимальной производительности фильтра. Сохраняя популярную схему с единичным коэффициентом усиления, но отказываясь от допущения о равных сопротивлениях и равных емкостях, мы имеем два уравнения:0007
для 4 параметров: , , , . Вместо установки и мы можем оптимизировать отношения в зависимости от того, чего мы пытаемся достичь.
Важным соображением является то, должны ли мы выбрать более высокое сопротивление и более низкую емкость, или более низкое сопротивление, но более высокую емкость. Это зависит от рабочей среды вашего фильтра. Если каскад, предшествующий фильтру, имеет довольно высокое выходное сопротивление, имеет смысл использовать более высокие значения сопротивления, чтобы не слишком нагружать предыдущий каскад. С другой стороны, если вы собираетесь использовать фильтр на высоких частотах, может быть лучше выбрать более высокие значения емкости, чтобы подавить паразитные емкости, присутствующие в схеме.
Отсутствие принудительного равенства сопротивлений и емкостей также позволяет нам иметь разные значения добротности для разных каскадов. Комбинирование разных ступеней с разными значениями добротности позволяет в целом улучшить кривые отклика.
Вот кривая отклика фильтра нижних частот Sallen-Key с единичным коэффициентом усиления и частотой среза 10 кГц:
Обратите внимание, что затухание прекращается на частоте около 100 кГц, и сигнал снова усиливается. Это недостаток конфигурации Саллена-Ки.
Вы можете задаться вопросом, в чем смысл активного фильтра с единичным усилением. Разве весь смысл активного фильтра не в том, чтобы обеспечивать усиление в дополнение к фильтрации? Имейте в виду, что, хотя этот фильтр не имеет усиления, он также не имеет затухания, что является проблемой для пассивных фильтров. Активные фильтры также обычно имеют более крутой спад вблизи частоты среза.
Добавление усиления или ослабления к фильтру Саллена-Кея
Несмотря на то, что вариант фильтра Саллена-Кея с единичным усилением очень популярен, иногда все же требуется некоторое усиление или ослабление.
Проще всего добавить затухание. Простой делитель напряжения позволяет нам ослабить уровень входного сигнала:
Напряжение в точке A становится равным . Чтобы получить точно такой же отклик схемы, нам также необходимо убедиться, что выходное сопротивление этого делителя напряжения остается равным . Таким образом, активный фильтр «видит» то же самое, и ответ остается неизменным. Это означает:
Этот фильтр теперь имеет затухание .
Добавление усиления не намного сложнее. Мы просто добавляем сеть делителя напряжения в петлю отрицательной обратной связи, чтобы обеспечить неинвертирующее усиление:
, как было показано в начальной презентации конфигурации Саллена-Ки. Однако обратите внимание, что такое добавление усиления изменит добротность схемы и, следовательно, значения компонентов. В то время как ослабление может быть добавлено после проектирования фильтра, усиление должно быть включено в первоначальный проект фильтра, а не добавлено после слов. Q-фактор становится:
, как было показано ранее.
Фильтр множественной обратной связи
Следующим по популярности активным фильтром является фильтр множественной обратной связи (MFB), также называемый фильтром множественной обратной связи с бесконечным усилением. Вот архитектуры для низкочастотного, высокочастотного и полосового вариантов:
Чтобы понять, как работает этот фильтр, давайте более подробно рассмотрим низкочастотный вариант . Обратите внимание, что на низких частотах, когда конденсаторы действуют как разомкнутые цепи, фильтр действует как инвертирующий усилитель. и установите коэффициент усиления фильтра. На более высоких частотах большая часть сигнала замыкается на землю из-за низкого импеданса .
Обратите внимание, что если мы хотим создать фильтр MFB с единичным усилением, нам нужно установить и приравнять. Однако практические допуски компонентов означают, что наше усиление всегда будет немного отличаться. Фильтр Саллена-Ки лучше справляется с сохранением истинного единичного усиления, поскольку его единичное усиление не зависит от внешних компонентов. Также обратите внимание, что для схем с единичным усилением для фильтра Саллена-Ки требуется на 1 компонент меньше, чем для фильтра с множественной обратной связью: 4 вместо 5.
Фильтр MFB также решает проблему полосы задержания предыдущего фильтра: здесь сигнал постоянно ослабляется во всем частотном диапазоне.
Кроме того, фильтр MFB инвертирует . Входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ.
Какой выбрать?
Теперь, когда мы рассмотрели две самые популярные конфигурации активных фильтров, возникает очевидный вопрос: какую из них следует использовать? Все зависит от вашего приложения и от того, какой отклик фильтра вы хотите.
Как правило, фильтры Саллена-Ки более чувствительны к изменениям значений компонентов. Таким образом, для более высокого коэффициента усиления и добротности ваш измеренный отклик может фактически сильно отличаться от ваших расчетов. Таким образом, для приложений с более высокой добротностью и усилением лучше всего использовать MFB.
При изготовлении фильтров нижних частот любая из этих конструкций даст вам адекватные характеристики в полосе пропускания и вблизи частоты среза, с небольшим преимуществом конфигурации Саллена-Ки (она менее шумная). Однако имейте в виду, что затухание в полосе задерживания не является постоянным в случае фильтра Саллена-Ки. В одной точке полосы задерживания затухание прекратится и даже изменится на противоположное, как показано на приведенных выше графиках. Если вас не волнует этот факт, то выбирайте конфигурацию Саллена-Ки.
При изготовлении фильтров верхних частот обычно предпочтительнее конфигурация Саллена-Ки. Посмотрите на высокочастотный вариант фильтра MFB. Обратите внимание на два конденсатора, прокладывающие путь от входа к выходу. На более высоких частотах эти два конденсатора действуют как путь к выходу с низким импедансом. Это приводит к всплескам отклика полосы пропускания. Конфигурация Саллена-Ки лишена этого недостатка.
Выбор полосового фильтра зависит от возможного усиления и добротности вашего фильтра. Обычно полосовые фильтры предъявляют более высокие требования к добротности. Из-за чувствительности фактора Саллена-Ки к значению компонента в этом сценарии обычно предпочтительнее фильтр с множественной обратной связью.
Существует множество других активных конфигураций фильтров на выбор. Но эти два, вероятно, удовлетворят большинство, если не все, ваши требования.
Порядок стадий активного фильтра
Ранее мы говорили, что несколько активных фильтров можно каскадировать для увеличения порядка фильтрации и улучшения отклика. Имеет ли значение, в каком порядке мы организуем эти этапы? Теоретически вы должны получить один и тот же ответ независимо от того, как вы организуете этапы. Тем не менее, есть реальные практические причины, по которым вы должны упорядочивать этапы определенным образом. Почти все справочники по фильтрам, таблицы и программное обеспечение для фильтров будут предварительно закажите этапы на основе Q-фактора или коэффициента усиления: от самого низкого до самого высокого . Если бы у нас сначала были каскады с самой высокой добротностью, то этим операционным усилителям потребовался бы больший диапазон напряжения (помните, добротность определяет коэффициент усиления напряжения на частоте среза), чтобы следовать за входом. С другой стороны, если мы поставим на первое место фильтры с низким коэффициентом добротности и низким коэффициентом усиления, диапазон напряжений операционных усилителей не придется расширять. К тому времени, когда сигнал достигает каскадов с более высокой добротностью и более высоким усилением, он будет достаточно ослаблен предыдущими каскадами с более низкой добротностью, поэтому выходной сигнал не будет резко высоким, что потребует меньшего диапазона напряжения от операционного усилителя.
Однако есть причина, по которой вы хотели бы поставить сначала каскады с более высокой добротностью и более высоким усилением: то есть, если вы стремитесь к работе с низким уровнем шума . Достаточно большой коэффициент усиления для первого каскада сделает шумовое воздействие последующих каскадов незначительным. Подробная обработка шума находится в разработке и скоро будет опубликована.
Несколько слов об усилении
Мы увидели, что можно разработать активные фильтры с усилением. Хотя это кажется полезным, и это так, мы должны быть осторожны в отношении того, когда и как мы добавляем усиление. Самым большим ограничением активных фильтров является пропускная способность их активного устройства (чаще всего операционного усилителя). Полоса пропускания операционного усилителя, предназначенного для единичного усиления, относительно высока, в диапазоне МГц. Однако при добавлении усиления пропускная способность уменьшается (подробное объяснение того, почему это происходит, см. в этом посте об отрицательных отзывах и пропускной способности). Дайте слишком большое усиление, и ваш отклик резко упадет, так как ваш операционный усилитель не сможет за ним угнаться. Часто бывает лучше разработать схему с единичным усилением, а затем добавить усиление в качестве дополнительной ступени после фильтра, тем самым разделив ступени фильтрации и ступени усиления.
Практическое проектирование активных фильтров
Вы заметите, что я не дал вам пошагового объяснения того, как рассчитать значения компонентов каждого фильтра. В то время как для пассивных LC-лестничных фильтров имело смысл сделать это в образовательных целях, делать то же самое для активных фильтров было бы очень утомительно, учитывая повышенную сложность каждой конструкции. Вместо этого я хотел дать вам интуитивное представление о двух типах фильтров и показать вам их архитектуру. Конечно, я не оставлю вас без того, чтобы дать вам возможность создать свои активные фильтры.
Лучший инструмент для проектирования активных фильтров, с которым я когда-либо сталкивался, — это Filter Wizard Tool от Analog Devices. Это простой в использовании онлайн-инструмент для разработки фильтров Sallen-Key и множественных фильтров обратной связи. Там же я получил все кривые отклика для этого поста. Интерфейс приятный и интуитивно понятный. Если вам нужно руководство, у Analog Devices есть несколько видеороликов о том, как его использовать. Просто наблюдая за этим, вы должны быть готовы идти.
Когда использовать активные фильтры
Несколько простых вопросов — это все, что вам нужно, чтобы определить, следует ли использовать пассивный или активный фильтр для вашего проекта:
- Если вы разрабатываете высокочастотный фильтр выше нескольких МГц, используйте пассивный фильтр. Полоса пропускания операционного усилителя слишком мала для этих приложений.
- , если вы фильтруете большое количество энергии, выбирайте пассивные фильтры.
- , когда вам просто нужно что-то маленькое и простое: используйте пассивные фильтры.
- , когда вы хотите управлять чем-то (например, динамиками) или хотите получить низкое выходное сопротивление, попробуйте использовать активный фильтр. Пассивные фильтры обычно нуждаются в буферизации или согласовании импеданса.
- для аудиоприложений активные фильтры обычно превосходны.
Заключение
Это был длинный пост! Надеюсь, этот пост был полезен как хорошее введение в активные фильтры. Конечно, вам не нужно учить архитектуры наизусть. Однако полезно знать, когда работают активные фильтры и где их пределы. В радиолюбительских цепях активные фильтры чаще всего встречаются в звуковых каскадах приемника или передатчика, а фильтры ВЧ и ПЧ пассивны.
Здесь мы рассмотрели два самых популярных активных фильтра, но в Интернете и в хороших учебниках можно найти массу информации о множестве других типов активных фильтров. Если вам интересно узнать больше, но вы не знаете, с чего начать, ознакомьтесь с фильтрами с переменным состоянием и фильтрами с переключаемыми конденсаторами.
Проектирование, оптимизация и моделирование активного фильтра за считанные минуты — Аналоговые — Технические статьи
Другие части, обсуждаемые в сообщении: TINA-TI
Вы пытаетесь разработать активный фильтр. У вас есть характеристики частотной характеристики фильтра, но как создать схему, которая делает именно то, что вам нужно?
Если бы вы выбрали традиционный подход, вам пришлось бы манипулировать уравнениями системы управления второго порядка, сверяясь с несколькими таблицами коэффициентов отклика фильтра; построить и сравнить несколько ответов фильтра; выберите ответ фильтра, который лучше всего соответствует вашим требованиям; выбрать топологию цепи и рассчитать номиналы пассивных компонентов путем решения сложных квадратных уравнений; и выберите стандартные, градуированные пассивные компоненты и операционный усилитель (операционный усилитель), которые точно соответствуют расчетным значениям. Вам нужно будет повторять выбор компонентов и расчеты, пока не будет достигнута желаемая производительность — процесс, который легко может занять недели, если не месяцы.
Инструмент проектирования фильтров от TI упрощает проектирование системы, проектирование схем и процесс проверки схем и помогает выбрать схему фильтра, которая имеет высокие шансы на успех с первого раза.
Создание надежной схемы фильтра стало проще
Спроектируйте, оптимизируйте и смоделируйте комплексные многоступенчатые активные фильтры за считанные минуты. Запустите инструмент сейчас. |
На вкладке «Тип фильтра» инструмента (рис. 1) можно выбрать фильтры нижних частот, верхних частот, полосовые, режекторные или всепроходные фильтры.
Рис. 1: Экран выбора типа фильтра
Щелкните один из типов фильтра, чтобы перейти к экрану «Отклик фильтра» (рис. 2).
Рис. 2: Экран «Отклик фильтра»
По мере того, как вы вводите свои проектные характеристики слева, диаграмма справа обновляет форму волны, чтобы отразить характеристики выбранного отклика фильтра. Вы можете переключаться между величиной, фазой, групповой задержкой и переходной характеристикой, нажимая кнопку над диаграммой.
В таблице под осциллограммой представлены отклики фильтра, соответствующие спецификациям вашего проекта. Первый ответ фильтра отображается по умолчанию, но вы можете установить или снять отметку с нескольких других ответов фильтра, чтобы сравнить или скрыть их характеристики и производительность.
Чтобы перейти к экрану «Топология» (рис. 3), нажмите «Выбрать» справа от нужного ответа фильтра.
Рис. 3: Экран топологии
Инструмент проектирования фильтров в настоящее время поддерживает топологии Sallen-Key и множественную обратную связь для низкочастотных, высокочастотных и полосовых фильтров. Полосовые фильтры поддерживают только топологию Бейнтера из-за проблем с подавлением звона в области полосы задерживания для топологии Саллена-Ки, а также сложности с соблюдением коэффициента усиления и собственной частоты для топологии с множественной обратной связью.
Инструмент проектирования фильтров рекомендует наилучшую топологию на основе спецификации вашего фильтра и применяет эту схему ко всем каскадам. У вас есть возможность выбрать альтернативную топологию в соответствии с вашими приоритетами проектирования. Переключение переключателя «Использовать одну и ту же топологию для всех стадий» дает возможность смешивать и сопоставлять топологии, как показано на рис. 4.
на каждом этапе, щелкнув определенную строку в таблице, как показано на рис. 5. Опытные пользователи потенциально могут изменить последовательность схем в экспортированной схеме программного обеспечения TINA-TI™ в соответствии со своими приоритетами проектирования.
Рис. 5. Оценка характеристик каждого каскада
Вкладка «Проект» (рис. 6) позволяет быстро выполнить три важных этапа проектирования: создание схемы, выбор операционного усилителя и анализ допусков компонентов.
Рисунок 6: Экран проектирования
Полная схема с фактическим усилителем и пассивными компонентами отображается на экране проектирования. Инструмент использует стандартные значения резисторов и конденсаторов, которые точно соответствуют расчетным значениям. Всегда сложно найти баланс между производительностью и стоимостью компонентов.
Напряжение питания по умолчанию составляет ±5 В, и его можно легко обновить в верхнем левом окне экрана проектирования. Диапазон ползунка полосы пропускания усиления установлен в пределах от 10 до 200 раз больше расчетной полосы пропускания усиления. По умолчанию левый ползунок установлен на рекомендованное значение, в 100 раз превышающее расчетную полосу пропускания. Вы можете уменьшить запас полосы пропускания, сдвинув его влево, в желтую и красную область тепловой карты.
Если вы выберете усилитель с меньшей полосой пропускания, рекомендуется выполнить моделирование. Если у вас есть определенный приоритет проектирования, такой как низкое энергопотребление, высокая точность или количество дорожек, вы можете щелкнуть «Выбор альтернативного операционного усилителя» на экране проектирования. Это приведет вас к специальному экрану выбора операционного усилителя, как показано на рис. 7. На этом экране вы сможете указать свои приоритеты при проектировании и выбрать лучший операционный усилитель TI для своего проекта. Нажмите «Выбрать», чтобы выбрать операционный усилитель, или «Отмена», чтобы вернуться на экран «Дизайн». 9Рисунок 7: Выбор альтернативного усилителя компромисс производительности и точности, выбирая конденсатор и резистор более низкого класса для снижения затрат. Инструмент пересчитает фактическое усиление, собственную частоту и добротность с вашим новым выбором. Если какое-либо из значений отличается более чем на 5%, кружок последнего столбца в таблице изменит свой цвет с зеленого на желтый. Если отклонение превышает 10 %, схема становится красной на экране проектирования, как показано на рис. 8.
Эмпирическое правило для достижения высокой точности и низкой стоимости заключается в том, чтобы снизить класс пассивных компонентов и сохранить зеленый цвет кругов.