Aktívny dolnopriepustný filter

Predtým sme opísali pasívny dolnopriepustný filter, v tomto tutoriále preskúmame, čo je aktívny dolnopriepustný filter.

Čo je to, obvod, vzorce, krivka?

Ako je známe z predchádzajúceho tutoriálu, pasívny dolnopriepustný filter pracuje s pasívnymi komponentmi. Kľúčom alebo srdcom pasívneho nízkopriepustného filtračného obvodu sú iba dva pasívne komponenty rezistor a kondenzátor. V predchádzajúcich tutoriáloch sme sa naučili, že pasívny dolnopriepustný filter funguje bez vonkajšieho prerušenia alebo aktívnej odozvy. Má to však určité obmedzenia.

Obmedzenia pasívneho dolnopriepustného filtra sú nasledujúce: -

1. Impedancia obvodu vedie k strate amplitúdy. Takže Vout je vždy menší ako Vin.
2. Zosilnenie nie je možné vykonať iba s pasívnym dolnopriepustným filtrom.
3. Charakteristiky filtra sú veľmi závislé od impedancie záťaže.
4. Zisk je vždy rovnaký alebo menší ako zisk jednoty.
5. Čím viac stupňov filtrácie alebo poradia filtrov pridali, strata amplitúdy sa zmenšila.

Kvôli tomuto obmedzeniu je v prípade potreby zosilnenia najlepší spôsob pridania aktívnej zložky, ktorá zosilní filtrovaný výstup. Toto zosilnenie sa vykonáva pomocou operačného zosilňovača alebo operačného zosilňovača. Pretože to vyžaduje zdroj napätia, je to aktívna súčasť. Teda názov Aktívny dolnopriepustný filter.

Typický zosilňovač čerpá energiu z externého napájacieho zdroja a zosilňuje signál, je však vysoko flexibilný, pretože vieme pružnejšie meniť šírku frekvenčného pásma. Je tiež na používateľovi alebo na dizajnérovi, aby si vybrali, aký typ aktívnych komponentov si vyberie, v závislosti od požiadaviek. Môžu to byť Fet, Jfet, Transistor, Op-Amp, ktoré poskytujú veľkú flexibilitu. Výber komponentu závisí aj od nákladov a efektívnosti, ak je navrhnutý pre produkt hromadnej výroby.

Kvôli jednoduchosti, časovej efektívnosti a tiež rastúcim technológiám v dizajne operačného zosilňovača sa na návrh aktívneho filtra zvyčajne používa operačný zosilňovač.

Pozrime sa, prečo by sme si mali zvoliť a operačný zosilňovač navrhnúť aktívny dolnopriepustný filter: -

1. Vysoká vstupná impedancia.

   Kvôli vysokej vstupnej impedancii nemohol byť vstupný signál zničený alebo zmenený. Všeobecne alebo vo väčšine prípadov by sa vstupný signál s veľmi nízkou amplitúdou mohol zničiť, ak sa použije ako obvod s nízkou impedanciou. Op-Amp získal v takýchto prípadoch plusový bod.

2. Veľmi nízky počet komponentov. Je potrebných iba niekoľko rezistorov.
3. K dispozícii sú rôzne typy operačného zosilňovača v závislosti od zosilnenia a špecifikácie napätia.
4. Slabý hluk.
5. Ľahšie sa navrhujú a implementujú.

Ale ako vieme, že nič nie je úplne dokonalé, má tento dizajn aktívneho filtra aj určité obmedzenia.

Výstupný zisk a šírka pásma, ako aj frekvenčná odozva sú závislé od špecifikácie operačného zosilňovača.

Poďme to preskúmať ďalej a pochopme, čo je na ňom zvláštne.

Aktívny dolnopriepustný filter so zosilnením:

Pred pochopením návrhu aktívneho nízkopriepustného filtra s operačným zosilňovačom musíme vedieť niečo o zosilňovačoch. Amplify je zväčšovacie sklo, ktoré produkuje repliku toho, čo vidíme, ale vo väčšej podobe ju lepšie rozpozná.

V prvom návode pasívneho nízkopriepustného filtra sme sa naučili, čo je dolnopriepustný filter. Nízkofrekvenčný filter odfiltroval nízku frekvenciu a blokoval vyššiu frekvenciu sínusového signálu AC. Tento aktívny dolnopriepustný filter funguje rovnako ako pasívny dolnopriepustný filter, len je tu rozdiel, že je pridaná jedna ďalšia súčasť, je to zosilňovač ako operačný zosilňovač.

Tu je jednoduchý dizajn dolnopriepustného filtra: -

Toto je obrázok aktívneho nízkopriepustného filtra. Tu nám čiara porušenia ukazuje tradičný pasívny dolnopriepustný RC filter, ktorý sme videli v predchádzajúcom návode.

Medzná frekvencia a zvýšenie napätia:

Vzorec medznej frekvencie je rovnaký ako v pasívnom dolnopriepustnom filtri.

fc = 1 / 2πRC

Ako je opísané v predchádzajúcom návode, fc je medzná frekvencia a R je hodnota odporu a C je hodnota kondenzátora.

Dva rezistory zapojené v kladnom uzle operačného zosilňovača sú spätnoväzbové rezistory. Keď sú tieto odpory pripojené v kladnom uzle operačného zosilňovača, nazýva sa to neinvertujúca konfigurácia. Tieto odpory sú zodpovedné za zosilnenie alebo zosilnenie.

Zisk zosilňovača môžeme ľahko vypočítať pomocou nasledujúcich rovníc, kde môžeme zvoliť ekvivalentnú hodnotu rezistora podľa zosilnenia alebo to môže byť naopak: -

Zisk zosilňovača (DC amplitúda) (Af) = (1 + R2 / R3)

Krivka frekvenčnej odozvy:

Pozrime sa, aký bude výstup aktívneho dolnopriepustného filtra alebo krivky Bodeho grafu / frekvenčnej odozvy: -

Toto je konečný výstup aktívneho nízkopriepustného filtra v neinvertujúcej konfigurácii operačného zosilňovača. Detailné vysvetlenie uvidíme na nasledujúcom obrázku.

Ako vidíme, je to identické s pasívnym nízkopriepustným filtrom. Od začiatočnej frekvencie po Fc alebo hraničný bod frekvencie alebo rohová frekvencia bude začínať od bodu -3 dB. Zisk je na tomto obrázku 20 dB, takže medzná frekvencia je 20 dB - 3dB = 17 dB, kde je umiestnený fc bod. Sklon je -20 dB za dekádu.

Bez ohľadu na filter sa od počiatočného bodu do bodu medznej frekvencie nazýva Šírka pásma filtra a potom sa nazýva priepustné pásmo, z ktorého je povolená priepustná frekvencia.

Zisk veľkosti môžeme vypočítať prevedením zosilnenia napätia operačného zosilňovača.

Výpočet je nasledovný

db = 20log (Af)

Toto Af môže byť zisk Dc, ktorý sme opísali predtým, tým, že vypočítame hodnotu rezistora alebo vydelíme Vout Vin.

Obvod filtra neinvertujúceho a invertujúceho zosilňovača:

Tento aktívny obvod dolného priechodu filtra zobrazený na začiatku má tiež jedno obmedzenie. Jeho stabilita môže byť narušená, ak sa zmení impedancia zdroja signálu. Napr. Zníženie alebo zvýšenie.

Štandardná konštrukčná prax by mohla zlepšiť stabilitu odstránením kondenzátora zo vstupu a jeho paralelným pripojením s druhým spätnoväzbovým rezistorom op-amp.

Tu je obvod Neinvertujúci aktívny dolnopriepustný filter-

Na tomto obrázku, ak to porovnáme s obvodmi popísanými na začiatku, môžeme vidieť, že poloha kondenzátora je zmenená kvôli stabilite súvisiacej s impedanciou. V tejto konfigurácii nemá vonkajšia impedancia žiadny vplyv na reaktanciu kondenzátorov, čím sa zlepšila stabilita.

Pri rovnakej konfigurácii, ak chceme invertovať výstupný signál, môžeme zvoliť konfiguráciu invertujúceho signálu operačného zosilňovača a môžeme pripojiť filter k invertovanému operačnému zosilňovaču.

Tu je implementácia obvodov invertovaného aktívneho nízkopriepustného filtra: -

Je to aktívny dolnopriepustný filter v obrátenej konfigurácii. Operačný zosilňovač je pripojený inverzne. V predchádzajúcej časti bol vstup pripojený cez kladný vstupný pin operačného zosilňovača a záporný pin operačného zosilňovača sa používa na vytvorenie obvodov spätnej väzby. Tu sa obvody obrátili. Kladný vstup spojený s referenčnou zemou a kondenzátor a spätnoväzbový odpor pripojené cez záporný vstupný pin op-amp. Toto sa nazýva invertovaná konfigurácia operačného zosilňovača a výstupný signál bude invertovaný ako vstupný signál.

Aktívny nízkopriepustný filter Unity Gain alebo Voltage Follower:

Doteraz opísané obvody sa doteraz používajú na zisk napätia a na účely post-zosilnenia.

Môžeme to vyrobiť pomocou zosilňovača zosilnenia jednoty, čo znamená, že výstupná amplitúda alebo zosilnenie budú rovnaké ako vstup: 1x. Vin = Vout.

Nehovoriac o tom, je to tiež konfigurácia operačného zosilňovača, ktorá sa často označuje ako konfigurácia sledovača napätia, kde operačný zosilňovač vytvoril presnú repliku vstupného signálu.

Pozrime sa na návrh obvodu a na to, ako nakonfigurovať operačný zosilňovač ako sledovač napätia a ako vytvoriť aktívny dolnopriepustný filter jednotky: -

Na tomto obrázku sú odstránené spätnoväzbové odpory operačného zosilňovača. Namiesto odporu je záporný vstupný pin operačného zosilňovača pripojený priamo k výstupnému operačnému zosilňovaču. Táto konfigurácia operačného zosilňovača sa nazýva konfigurácia sledovača napätia. Zisk je 1x. Je to aktívny low pass filter so ziskom jednoty. Bude produkovať presnú repliku vstupného signálu.

Praktický príklad s výpočtom

Navrhneme obvod aktívneho dolnopriepustného filtra v neinvertujúcej konfigurácii operačného zosilňovača.

Technické údaje:-

1. Vstupná impedancia 10kohms
2. Zisk bude 10x
3. Medzná frekvencia bude 320 Hz

Pred vytvorením obvodov najskôr vypočítajme hodnotu: -

Zisk zosilňovača (amplitúda DC) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

R2 = 1k (Musíme zvoliť jednu hodnotu; pre zjednodušenie výpočtu sme vybrali R2 ako 1k).

Spojením hodnoty dostaneme

(10) = (1 + R3 / 1)

Vypočítali sme, že hodnota tretieho rezistora je 9k.

Teraz musíme vypočítať hodnotu rezistora podľa medznej frekvencie. Pretože aktívny dolnopriepustný filter a pasívny dolnopriepustný filter pracuje rovnakým spôsobom, vzorec na zníženie frekvencie je rovnaký ako predtým.

Poďme skontrolovať hodnotu kondenzátora, ak je medzná frekvencia 320Hz, vybrali sme hodnotu odporu 4,7k.

fc = 1 / 2πRC

Spojením celej hodnoty dostaneme: -

Vyriešením tejto rovnice dostaneme hodnotu kondenzátora približne 106nF.

Ďalším krokom je výpočet zisku. Vzorec zosilnenia je rovnaký ako pasívny dolnopriepustný filter. Vzorec prírastku alebo veľkosti v dB je nasledovný: -

20log (Af)

Pretože zisk operačného zosilňovača je 10-násobný, veľkosť v dB je 20log (10). To je 20 dB.

Teraz, keď sme už vypočítali hodnoty, je čas zostaviť obvod. Spojme všetky dohromady a zostavme obvod: -

Obvod sme zostrojili na základe predtým vypočítaných hodnôt. Na vstupe aktívneho dolnopriepustného filtra poskytneme frekvenciu 10 Hz až 1 500 Hz a 10 bodov za desaťročie a ďalej budeme skúmať, či je medzná frekvencia 320 Hz alebo nie na výstupe zosilňovača.

Toto je krivka frekvenčnej odozvy. Zelená linka sa začína od 10 Hz do 1 500 Hz, pretože vstupný signál sa dodáva iba pre tento rozsah frekvencií.

Ako vieme, rohová frekvencia bude vždy na -3 dB od veľkosti maximálneho zisku. Tu je zisk 20 dB. Ak teda zistíme, -3dB bod získa presnú frekvenciu, kde filter zastaví vyššie frekvencie.

Nastavíme kurzor na 17 db ako (20dB-3dB = 17dB) rohovú frekvenciu a dostaneme 317,950Hz alebo 318Hz, čo je blízko 320Hz.

Môžeme zmeniť hodnotu kondenzátora na generickú ako 100nF a nehovoriac o tom, že rohová frekvencia bude tiež ovplyvnená niekoľkými Hz.

Aktívny dolnopriepustný filter druhého rádu:

Je možné pridať viac filtrov do jedného operačného zosilňovača, ako je aktívny dolnopriepustný filter druhého rádu. V takom prípade je rovnako ako pasívny filter pridaný ďalší RC filter.

Pozrime sa, ako je zostavený filtračný obvod druhého rádu.

Toto je filter druhého rádu. Na vyššie uvedenom obrázku môžeme jasne vidieť dva filtre spojené. Toto je filter druhého rádu. Jedná sa o široko používaný filter a priemyselnou aplikáciou je zosilňovač, obvody hudobného systému pred zosilnením výkonu.

Ako vidíte, je tu jeden operačný zosilňovač. Zisk napätia je rovnaký ako predtým uvedené pri použití dvoch rezistorov.

(Af) = (1 + R3 / R2)

Medzná frekvencia je

Jedna zaujímavá vec na zapamätanie, ak chceme pridať viac operačných zosilňovačov, ktoré pozostávajú z filtrov prvého rádu, bude zisk vynásobený každým jednotlivcom. Zmätený? Môže byť schéma nám pomôže.

Čím viac operačný zosilňovač pridá, tým viac sa znásobí. Pozri vyššie uvedený obrázok, Na tomto obrázku sú dva operačné zosilňovače kaskádové s jednotlivými operačnými zosilňovačmi. V tomto obvode je kaskádový operačný zosilňovač. Ak prvý má 10-násobný zisk a druhý je pre 5-násobný zisk, celkový zisk bude 5 x 10 = 50-násobný zisk.

Takže veľkosť kaskádového nízkopriepustného filtračného obvodu operačného zosilňovača v prípade dvoch operačných zosilňovačov je: -

dB = 20 log (50)

Vyriešením tejto rovnice je to 34 dB. Takže zisk vzorca kaskádového zosilnenia nízkopriepustného filtra operačného zosilňovača je

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

Kde TdB = celková veľkosť

Takto je konštruovaný aktívny dolnopriepustný filter. V ďalšom návode uvidíme, ako sa dá zostrojiť aktívny vysokopriepustný filter. Pred ďalším tutoriálom sa však pozrime, aké sú aplikácie aktívneho nízkopriepustného filtra: -

Aplikácie

Aktívny dolnopriepustný filter je možné použiť na viacerých miestach, kde nie je možné použiť pasívny dolnopriepustný filter z dôvodu obmedzenia postupu zosilnenia alebo zosilnenia. Aktívny dolnopriepustný filter je možné okrem toho použiť na nasledujúcich miestach: -

Low pass filter je široko používaný obvod v elektronike.

Tu je niekoľko aplikácií aktívneho nízkopriepustného filtra: -

1. Basové ekvalizovanie pred zosilnením výkonu
2. Filtre týkajúce sa videa.
3. Osciloskop
4. Systém ovládania hudby a modulácia basových frekvencií, ako aj basový reproduktor a vysoké basové zvukové reproduktory pre hlboké tóny.
5. Funkčný generátor na zabezpečenie variabilnej nízkej frekvencie pri rôznych úrovniach napätia.
6. Zmena tvaru frekvencie pri inej vlne od.