Aktív aluláteresztő szűrő

Korábban passzív aluláteresztő szűrőt írtunk le, ebben az oktatóanyagban azt vizsgáljuk, mi az aktív aluláteresztő szűrő.

Mi ez, áramkör, képletek, görbe?

Mint az előző bemutatóból tudjuk, a passzív aluláteresztő szűrő passzív alkatrészekkel működik. Csak két passzív alkatrész, az ellenállás és a kondenzátor a passzív aluláteresztő szűrő áramkör kulcsa vagy szíve. Az előző oktatóanyagokból megtudtuk, hogy a passzív aluláteresztő szűrők külső megszakítás vagy aktív válasz nélkül működnek. De vannak bizonyos korlátai.

A passzív aluláteresztő szűrő korlátai a következők: -

1. Az áramkör impedanciája az amplitúdó elvesztését okozza. Tehát a Vout mindig kevesebb, mint a Vin.
2. Az erősítés nem végezhető csak passzív aluláteresztő szűrővel.
3. A szűrő jellemzői nagyban függnek a terhelés impedanciájától.
4. A nyereség mindig egyenlő vagy kisebb, mint az egység nyeresége.
5. A szűrő fokozatai vagy a szűrési sorrend hozzáadva az amplitúdóveszteség kisebb lesz.

E korlátozás miatt, ha erősítésre van szükség, akkor a legjobb mód egy aktív komponens hozzáadására, amely felerősíti a szűrt kimenetet. Ezt az erősítést műveleti erősítő vagy op-erősítő végzi. Mivel ehhez feszültségforrásra van szükség, aktív komponens. Így az Active low pass filter név.

Egy tipikus erősítő a külső tápegységről veszi le az energiát és erősíti a jelet, de nagyon rugalmas, mivel rugalmasabban tudjuk változtatni a frekvenciasávszélességet. Ezenkívül a felhasználó vagy a tervező választhatja meg, hogy a követelményektől függően milyen típusú aktív alkatrészeket válasszon. Ez lehet Fet, Jfet, Transistor, Op-Amp, amelyek nagy rugalmasságot tartalmaznak. Az alkatrész megválasztása a költségektől és az eredményességtől is függ, ha tömegtermelő termékre tervezték.

Az egyszerűség, az időhatékonyság és a növekvő technológiák kedvéért az op-amp tervezésben általában egy op-amp-ot használnak az aktív szűrő tervezéséhez.

Nézzük meg, miért kellene az aktív aluláteresztő szűrőt megterveznünk és op-amp-ot választanunk: -

1. Nagy bemeneti impedancia.

   A nagy bemeneti impedancia miatt a bemeneti jelet nem lehet megsemmisíteni vagy megváltoztatni. Általában vagy a legtöbb esetben a nagyon kis amplitúdójú bemeneti jel tönkremehet, ha alacsony impedanciájú áramkörként használják. Az Op-Amp plusz pontot kapott ilyen esetekben.

2. Nagyon alacsony az alkatrészszám. Csak kevés ellenállásra van szükség.
3. Különböző típusú op-amp áll rendelkezésre az erősítéstől, a feszültség specifikációjától függően.
4. Alacsony zaj.
5. Könnyebb a tervezés és a kivitelezés.

De mivel tudjuk, hogy semmi sem tökéletes, ennek az Active szűrőnek is vannak bizonyos korlátai.

A kimeneti erősítés és sávszélesség, valamint a frekvencia válasz függ az op-amp specifikációtól.

Fedezzük tovább és értsük meg, mi a különleges benne.

Aktív aluláteresztő szűrő erősítéssel:

Mielőtt megértenénk az aktív aluláteresztő szűrő kialakítását az op-amp-tal, tudnunk kell egy kicsit az erősítőkről. Az erősítés egy nagyító, amely másolatot készít a látottakról, de nagyobb formában, hogy jobban felismerje.

A passzív aluláteresztő szűrő első bemutatójában megtanultuk, mi az aluláteresztő szűrő. Aluláteresztő szűrő kiszűri az alacsony frekvenciát, és magasabbra blokkolja az AC szinuszos jel egyikét. Ez az aktív aluláteresztő szűrő ugyanúgy működik, mint a passzív aluláteresztő szűrő, csak annyi a különbség, hogy itt egy extra komponenst adunk hozzá, ez egy erősítő, mint op-amp.

Íme az egyszerű aluláteresztő szűrő:

Ez az Aktív aluláteresztő szűrő képe. Itt a szabálysértési vonal megmutatja a hagyományos passzív aluláteresztő RC szűrőt, amelyet az előző bemutatón láttunk.

Vágja le a frekvenciát és a feszültségerősítést:

A levágási frekvencia képlete megegyezik a passzív aluláteresztő szűrőnél használtakkal.

fc = 1 / 2πRC

Amint azt az előző bemutatóban leírtuk, az fc cut-off frekvencia, és R jelentése ellenállás értéke, C pedig kondenzátor értéke.

Az op-amp pozitív csomópontjában összekapcsolt két ellenállás visszacsatoló ellenállás. Ha ezek az ellenállások az op-amp pozitív csomópontjában vannak csatlakoztatva, akkor ezt nem invertáló konfigurációnak nevezzük. Ezek az ellenállások felelősek az erősítésért vagy az erősítésért.

Könnyen kiszámíthatjuk az erősítő erősítését a következő egyenletek használatával, ahol kiválaszthatjuk az egyenértékű ellenállás értékét az erősítés szerint, vagy ez fordítva is lehet: -

Erősítő erősítése (DC amplitúdó) (Af) = (1 + R2 / R3)

Frekvencia-válasz görbe:

Lássuk, mi lesz az aktív aluláteresztő szűrő o kimenete vagy a Bode-diagram / frekvencia válasz görbe: -

Ez az aktív aluláteresztő szűrő végső kimenete op-amp nem invertáló konfigurációban. A következő képen részletes magyarázatot fogunk látni.

Amint látjuk, ez megegyezik a passzív aluláteresztő szűrővel. A kezdő frekvenciától az Fc vagy a frekvencia levágási pontig, vagy a sarok frekvencia -3dB ponttól indul. Az erősítés 20dB ezen a képen, tehát a határérték 20dB - 3dB = 17dB, ahol az fc pont található. A meredekség évtizedenként -20dB.

A szűrőtől függetlenül a kiindulási ponttól a cut-off frekvenciapontig a szűrő sávszélességének, utána pedig átsávnak nevezzük, ahonnan az áthaladó frekvencia megengedett.

Kiszámíthatjuk a nagyságnövekedést az op-amp feszültségerősítés átalakításával.

A számítás a következő

db = 20log (Af)

Ez az Af lehet az a DC-nyereség, amelyet korábban leírtunk, az ellenállás értékének kiszámításával vagy a Vout elosztásával Vin-vel.

Nem invertáló és invertáló erősítő szűrő áramkör:

Ennek az elején bemutatott aktív aluláteresztő szűrő áramkörnek is van egy korlátozása. Stabilitása veszélybe kerülhet, ha a jelforrás impedanciája megváltozik. Pl. Csökken vagy növekszik.

A szokásos tervezési gyakorlat javíthatja a stabilitást, eltávolíthatja a kondenzátort a bemenetről, és párhuzamosan kapcsolhatja az op-amp második visszacsatolási ellenállással.

Itt van az áramkör nem invertáló aktív aluláteresztő szűrő-

Ezen az ábrán, ha összehasonlítjuk ezt az elején leírt áramkörökkel, láthatjuk, hogy a kondenzátor helyzete megváltozik az impedanciával kapcsolatos stabilitás érdekében. Ebben a konfigurációban a külső impedancia nem befolyásolja a kondenzátorok reaktanciáját, így javult a stabilitás.

Ugyanezen konfiguráció esetén, ha meg akarjuk fordítani a kimeneti jelet, akkor kiválaszthatjuk az op-amp inverter-jel konfigurációját, és összekapcsolhatjuk a szűrőt azzal az invertált op-amp-tal.

Itt van az invertált aktív aluláteresztő szűrő áramköri megvalósítása: -

Ez egy aktív aluláteresztő szűrő fordított konfigurációban. Az op-amp fordítva van csatlakoztatva. Az előző szakaszban a bemenet az op-amp pozitív bemeneti tűjére volt csatlakoztatva, és az op-amp negatív tűt használjuk a visszacsatolási áramkör elkészítésére. Itt az áramkör megfordult. Pozitív bemenet csatlakozik a föld referenciájához, valamint a kondenzátor és a visszacsatolási ellenállás az op-amp negatív bemeneti csaphoz csatlakozik. Ezt inverz op-amp konfigurációnak nevezzük, és a kimeneti jel megfordul, mint a bemeneti jel.

Unity Gain vagy feszültségkövető aktív aluláteresztő szűrő:

Eddig az itt leírt áramkört használják feszültségerősítésre és utólagos erősítésre.

Készíthetünk egységerősítő erősítővel, ami azt jelenti, hogy a kimeneti amplitúdó vagy az erősítés megegyezik a bemenettel: 1x. Vin = Vout.

Nem beszélve arról, hogy ez egy op-amp konfiguráció is, amelyet gyakran feszültségkövető konfigurációnak neveznek, ahol az op-amp létrehozta a bemeneti jel pontos másolatát.

Lássuk az áramkör kialakítását és az op-amp konfigurálását feszültségkövetőként, és az egységerősítés aktív aluláteresztő szűrővé tételét: -

Ezen a képen eltávolítják az op-amp visszacsatoló ellenállásait. Az ellenállás helyett az op-erősítő negatív bemeneti tűje közvetlenül a kimeneti op-erősítőhöz csatlakozik. Ezt az op-amp konfigurációt Feszültségkövető konfigurációnak hívják. A nyereség 1x. Ez egy egység erősítésű aktív aluláteresztő szűrő. Pontos másolatot készít a bemeneti jelről.

Gyakorlati példa a számítással

Megtervezzük az aktív aluláteresztő szűrő áramkörét nem invertáló op-amp konfigurációban.

Műszaki adatok: -

1. Bemeneti impedancia 10kohm
2. A nyereség 10x lesz
3. A cutoff frekvencia 320Hz lesz

Számítsuk ki először az értéket az áramkör elkészítése előtt: -

Erősítő erősítése (DC amplitúdó) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

R2 = 1k (Ki kell választanunk egy értéket; R2-t választottunk 1k- nak a számítás bonyolultságának csökkentése érdekében).

Az érték összerakásával megkapjuk

(10) = (1 + R3 / 1)

Kiszámoltuk, hogy a harmadik ellenállás értéke 9k.

Most ki kell számolnunk az ellenállás értékét a vágási frekvencia szerint. Mivel az aktív aluláteresztő szűrő és a passzív aluláteresztő szűrő ugyanúgy működik, a frekvencia-leválasztási képlet megegyezik az előzővel.

Ellenőrizzük a kondenzátor értékét, ha a cut-off frekvencia 320Hz, kiválasztottuk az ellenállás értékét 4,7k.

fc = 1 / 2πRC

Az összes érték összerakásával a következőket kapjuk: -

Ennek az egyenletnek a megoldásával megkapjuk a kondenzátor körülbelül 106nF értékét.

A következő lépés a nyereség kiszámítása. Az erősítés képlete megegyezik a passzív aluláteresztő szűrővel. Az erősítés vagy nagyság képlete dB-ben a következő:

20log (Af)

Mivel az op-amp erősítése 10x, a nagysága dB-ben 20log (10). Ez 20dB.

Mivel már kiszámoltuk az értékeket, itt az ideje az áramkör megépítésének. Összeadjuk az összeset és építsük fel az áramkört: -

Az áramkört a korábban kiszámított értékek alapján építettük fel. Mi lesz az 10Hz 1500Hz frekvencia és 10 pontot évtized bemenetén az aktív aluláteresztő szűrő és tovább vizsgálja, hogy vajon a határfrekvencia 320Hz-e vagy sem az erősítő kimenetén.

Ez a frekvencia-válasz görbe. A zöld vonal 10Hz-től 1500Hz-ig kezdődik, mivel a bemeneti jel csak erre a frekvenciatartományra érkezik.

Mint tudjuk, hogy a sarokfrekvencia mindig -3dB lesz a maximális erősítés nagyságától. Itt a nyereség 20dB. Tehát, ha megtudjuk, a -3dB pont megkapja a pontos frekvenciát, ahol a szűrő megállítja a magasabb frekvenciákat.

A kurzort a 17 db-ra állítjuk be (20dB-3dB = 17dB) a sarok frekvenciájára, és 317.950Hz vagy 318Hz-et kapunk, amely közel van a 320Hz-hez.

Megváltoztathatjuk a kondenzátor értékét általános értékűre, 100nF-re, és nem említhetjük a sarokfrekvenciát is, amelyet néhány Hz fog elérni.

Másodrendű aktív aluláteresztő szűrő:

Lehetőség van további szűrők hozzáadására egy op-amp-ra, mint a másodrendű aktív aluláteresztő szűrő. Ebben az esetben a passzív szűrőhöz hasonlóan extra RC szűrőt is hozzáadunk.

Lássuk, hogyan épül fel a másodrendű szűrőáramkör.

Ez a másodrendű szűrő. A fenti ábrán jól látható a két szűrő összeadása. Ez a másodrendű szűrő. Ez egy széles körben használt szűrő, és ipari alkalmazás az erősítő, a zenei rendszer áramköre a teljesítményerősítés előtt.

Amint láthatja, egy op-amp van. A feszültségerősítés megegyezik az előzőekben két ellenállás használatával megadottal.

(Af) = (1 + R3 / R2)

A levágási frekvencia

Egy érdekes dolog, amit érdemes megjegyezni, ha további op-amp-ot akarunk hozzáadni, amelyek első rendű szűrőkből állnak, az erősítést minden egyes ember megszorozza. Zavaros? Lehet, hogy egy sematikus segítségünkre lesz.

Minél többet ad hozzá az op-amp, annál nagyobb lesz a nyereség. Lásd a fenti ábrát: Ezen a képen két op-amp különálló op-amp-al lépcsőzött. Ebben az áramkörben a lépcsőzetes op erősítő. Ha az elsőnek 10-szeres erősítése van, a másodiknak pedig 5-szeres erősítése van, akkor a teljes erősítés 5 x 10 = 50-szeres lesz.

Tehát a lépcsőzetes op-amp aluláteresztő szűrő áramkör nagysága két op-amp esetén: -

dB = 20 log (50)

Ennek az egyenletnek a megoldásával 34dB. Tehát a lépcsőzetes op-amp aluláteresztő szűrő erősítési képlet erősítése

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

Ahol TdB = teljes nagyság

Így épül fel az aktív aluláteresztő szűrő. A következő oktatóanyagon meglátjuk, hogyan lehet az Active high pass szűrőt felépíteni. De a következő bemutató előtt nézzük meg, hogy melyek az Active aluláteresztő szűrő alkalmazásai: -

Alkalmazások

Az Aktív aluláteresztő szűrő több olyan helyen is használható, ahol a passzív aluláteresztő szűrő nem használható az erősítés vagy az erősítés korlátozása miatt. Ettől eltekintve az aktív aluláteresztő szűrő a következő helyeken használható: -

Az aluláteresztő szűrőt széles körben használják az elektronikában.

Az Active Low Pass Filter szűrő néhány alkalmazása:

1. Basszus kiegyenlítés a teljesítményerősítés előtt
2. Videóval kapcsolatos szűrők.
3. Oszcilloszkóp
4. Zene vezérlő rendszer és basszus frekvencia moduláció, valamint a mélysugárzó és a magas mély basszus hangszórók előtt a mélyhang kimenethez.
5. Funkciógenerátor változó alacsony frekvenciájú kimenet biztosítására különböző feszültségszinteken.
6. A frekvencia alakjának megváltoztatása a.