Aktyvus aukšto dažnio filtras

Anksčiau mes aprašėme apie pasyvų aukštų dažnių filtrą ir aktyvų žemų dažnių filtrą, dabar atėjo laikas aktyvių aukštų dažnių filtrui. Panagrinėkime, kas yra „Active High Pass“ filtras.

Kas tai yra, grandinė, formulės, kreivė?

Tas pats kaip pasyvus žemų dažnių filtras, pasyvus aukšto dažnio filtras veikia su pasyviais komponentais, rezistoriumi ir kondensatoriumi. Ankstesnėje pamokoje apie pasyvų aukšto dažnio filtrą sužinojome, kad jis veikia be jokio išorinio pertraukimo ar aktyvaus atsako.

Jei prie pasyvaus aukšto dažnio filtro pridėsime stiprintuvą, galime lengvai sukurti aktyvų aukšto dažnio filtrą. Keičiant stiprintuvo konfigūraciją, mes taip pat galime suformuoti įvairių tipų aukšto dažnio filtrus, apverstus ar ne apverstus arba vieningumo stiprinimo aktyvius aukšto dažnio filtrus.

Siekiant paprastumo, laiko efektyvumo ir augančių op-amp projektavimo technologijų, „Active Filter“ projektavimui paprastai naudojamas op-amp.

Pasyviame aukšto dažnio filtre dažnio atsakas yra begalinis. Tačiau praktiniame scenarijuje tai labai priklauso nuo komponentų ir kitų veiksnių, čia aktyvaus aukšto pralaidumo filtro atveju op-amp dažnių juostos plotis yra pagrindinis aktyvaus aukšto pralaidumo filtro apribojimas. Tai reiškia, kad maksimalus dažnis praeis priklausomai nuo stiprintuvo stiprinimo ir op-amp atvirosios kilpos charakteristikų.

Panagrinėkime keletą įprastų atvirkštinės nuolatinės srovės nuolatinės srovės įtampos padidėjimo.

Op-amp	Pralaidumas (dB)	Maksimalus dažnis
LM258	100	1MHz
uA741	100	1MHz
RC4558D	35	3MHz
TL082	110	3MHz
LM324N	100	1MHz

Tai yra nedidelis sąrašas apie bendrąjį op-amp ir įtampos padidėjimą. Be to, įtampos padidėjimas daugiausia priklauso nuo signalo dažnio ir op-amp įvesties įtampos ir nuo to, kiek padidėjimas naudojamas tame op-amp.

Panagrinėkime toliau ir supraskime, kas jame ypatinga: -

Čia yra paprastas aukšto dažnio filtro dizainas: -

Tai „Active High Pass“ filtro vaizdas. Čia pažeidimo linija rodo mums tradicinį pasyvų aukšto dažnio RC filtrą, kurį matėme ankstesnėje pamokoje.

Nutraukti dažnio ir įtampos padidėjimą:

Pjovimo dažnio formulė yra tokia pati kaip naudojama pasyviame aukšto dažnio filtre.

fc = 1 / 2πRC

Kaip aprašyta ankstesnėje instrukcijoje, fc yra ribinis dažnis ir R yra rezistoriaus vertė, o C yra kondensatoriaus vertė.

Du rezistoriai, prijungti prie teigiamo op-amp, yra grįžtamieji rezistoriai. Kai šie rezistoriai yra prijungti prie teigiamo op-amp mazgo, tai vadinama ne invertuojančia konfigūracija. Šie rezistoriai yra atsakingi už stiprinimą ar stiprinimą.

Mes taip pat galime lengvai apskaičiuoti stiprintuvo stiprinimą naudodami šias lygtis, kur galime pasirinkti lygiavertę rezistoriaus vertę pagal padidėjimą arba tai gali būti atvirkščiai: -

Stiprintuvo stiprinimas (nuolatinės srovės amplitudė) (Af) = (1 + R3 / R2)

Atsako dažnio kreivė:

Pažiūrėkime, kokia bus „Active High Pass“ filtro išvestis arba „Bode“ diagramos / dažnio atsako kreivė: -

Tai yra op-amp ir per stiprintuvą sujungto filtro stiprinimo kreivė.

Ši žalia kreivė rodo sustiprintą signalo išvestį, o raudona - be sustiprintos išvesties per pasyvų aukšto dažnio filtrą.

Jei kreivę matysime tiksliau, rasime žemiau esančius taškus šiame bode:

Raudona kreivė padidėja esant 20 dB / dešimtmečiui, o nukirptame regione dydis yra -3 dB, o tai yra 45 laipsnių fazės riba.

Kaip jau buvo aptarta anksčiau, maksimalus op-amp stiprintuvo dažnio atsakas yra labai susijęs su jo stiprinimu ar pralaidumu (vadinamas atviros kilpos stiprinimu Av).

Pateiktame sąraše, prieš matydami tipišką įprastą op-amp, pvz., UA741, LM324N turi 100dB maksimalų atviros kilpos padidėjimą, kuris sumažės esant -20dB per dešimtmetį, jei padidės įėjimo dažnis. Didžiausias įvesties dažnis, palaikomas LM324N, uA741, yra 1 Mhz, o tai yra vienybės padidėjimo pralaidumas arba dažnis. Šiuo dažniu atitinkamas op-amp sukurs 0dB padidėjimą arba vienybės padidėjimą, kuris sumažės 20dB / dešimtmetį.

Taigi jis nėra begalinis, po 1 MHz padidėjimas sumažės greičiu -20dB / dešimtmetį. Aktyvaus aukšto dažnio filtro pralaidumas labai priklauso nuo op-amp pralaidumo.

Galime apskaičiuoti dydžio padidėjimą konvertuodami op-amp įtampos padidėjimą.

Skaičiuojama taip: -

dB = 20 log (Af) Af = Vin / Vout

Šis Af gali būti Dc padidėjimas, kurį aprašėme anksčiau, apskaičiuodami rezistoriaus vertę arba padalydami Vout su Vin.

Taip pat įtampos padidėjimą galime gauti iš dažnio, taikomo filtrui (f) ir ribinio dažnio (fc). Išvesti įtampos padidėjimą iš šių dviejų yra labai paprasta naudojant šią formulę =

Jei įdėsime f ir fc vertes, gausime norimą įtampos padidėjimą per filtrą.

Keičiama stiprintuvo filtro grandinė:

Mes taip pat galime sukonstruoti filtrą atvirkštine forma.

Fazės paraštę galima gauti pagal šią lygtį.

Fazės poslinkis yra toks pat, kaip ir pasyviame aukšto dažnio filtre. Fc ribiniame dažnyje yra +45 laipsniai.

Čia yra apversto aktyvaus aukšto dažnio filtro schemos įgyvendinimas: -

Tai yra aktyvus aukšto dažnio filtras, turintis apverstą konfigūraciją. Op-amp yra prijungtas atvirkščiai. Ankstesniame skyriuje įvestis buvo prijungta prie op-amp teigiamo įvesties kaiščio, o op-amp neigiamas kaištis naudojamas grįžtamojo ryšio grandinėms kurti. Čia grandinė apsivertė. Teigiamas įėjimas, prijungtas prie įžeminimo atskaitos, ir kondensatorius bei grįžtamojo ryšio rezistorius, prijungtas prie neigiamo įėjimo įtampos. Tai vadinama apversta op-amp konfigūracija ir išvesties signalas bus apverstas nei įvesties signalas.

Rezistorius R1 veikia kaip pasyviojo filtro vaidmuo, taip pat kaip stiprinimo rezistorius vienu metu.

„Unity Gain“ arba „Voltage Follower“ aktyvus aukšto dažnio filtras:

Iki šiol čia aprašyta schema naudojama įtampos padidinimui ir po stiprinimo tikslams.

Mes galime tai padaryti naudodami vienybės stiprinimo stiprintuvą, tai reiškia, kad išėjimo amplitudė arba padidėjimas bus 1x. Vin = Vout.

Maža to, tai taip pat yra op-amp konfigūracija, kuri dažnai apibūdinama kaip įtampos sekėjo konfigūracija, kai op-amp sukuria tikslią įvesties signalo kopiją.

Pažiūrėkime į grandinės dizainą ir kaip sukonfigūruoti op-amp kaip įtampos sekėją ir padaryti aktyvumą vienybės padidėjimu Aukšto dažnio filtras: -

Šiame paveikslėlyje viskas identiška kaip stiprinimo stiprintuvas, naudojamas pirmame paveiksle. pašalinami op-amp grįžtamieji rezistoriai. Vietoj rezistoriaus neigiamas op-amp stiprintuvo įvesties kaištis, tiesiogiai sujungtas su išėjimo op-amp. Ši op-amp konfigūracija vadinama įtampos sekėjo konfigūracija. Pelnas yra 1x. Tai yra vienybės padidėjimo aktyvus aukštų dažnių filtras. Tai padarys tikslią įvesties signalo kopiją.

Praktinis pavyzdys su skaičiavimu

Mes suprojektuosime aktyvaus aukšto dažnio filtro schemą ne invertuojančioje op-amp konfigūracijoje.

Specifikacijos: -

1. Pelnas bus 2x
2. Ribinis dažnis bus 2KHz

Pirmiausia apskaičiuokime vertę prieš atlikdami grandinę: -

Stiprintuvo stiprinimas (nuolatinės srovės amplitudė) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 2

R2 = 1k (Turime pasirinkti vieną vertę; mes pasirinkome 1k, kad sumažintume skaičiavimo sudėtingumą).

Sudėję vertę mes gauname

(2) = (1 + R3 / 1)

Mes apskaičiavome, kad trečiojo rezistoriaus (R3) vertė yra 1k.

Dabar mes turime apskaičiuoti rezistoriaus vertę pagal ribinį dažnį. Kaip aktyvus aukšto dažnio filtras ir pasyvus aukšto dažnio filtras veikia taip pat, dažnio ribinės formulės yra tokios pačios kaip ir anksčiau.

Patikrinkime kondensatoriaus vertę, jei ribinis dažnis yra 2KHz, pasirinkome kondensatoriaus vertę 0,01uF arba 10nF.

fc = 1 / 2πRC

Sudėję visą vertę, gauname: -

2000 = 1 / 2π * 10 * 10 ^-9

Išsprendę šią lygtį, rezistoriaus vertė yra maždaug 7,96.

Artimiausia šio rezistoriaus vertė parenkama 8k omai.

Kitas žingsnis yra apskaičiuoti pelną. Pelno formulė yra tokia pati kaip pasyvaus aukšto dažnio filtro. Pajėgumo arba dydžio (dB) formulė yra tokia:

Kadangi op-amp stiprinimas yra 2x. Taigi Af yra 2.

fc yra nutrauktas dažnis, taigi fc vertė yra 2Khz arba 2000Hz.

Dabar keisdami dažnį (f), gauname padidėjimą.

Dažnis (f)	Įtampos padidėjimas (Af) („Vout“ / „Vin“)	Gain (dB) 20log („Vout“ / „Vin“)
100	.10	-20.01
250	.25	-12.11
500	.49	-6.28
750	.70	-3,07
1 000	.89	-0,97
2 000	1.41	3.01
5000	1.86	5.38
10 000	1.96	5.85
50 000	2	6.01
100 000	2	6.02

Šioje lentelėje nuo 100 Hz padidėjimas nuosekliai didinamas 20dB / dešimtmečiu, tačiau pasiekus ribinį dažnį, padidėjimas lėtai didinamas iki 6.02dB ir išlieka pastovus.

Vienas dalykas, primenantis, kad op-amp stiprinimas yra 2x. Dėl šios priežasties ribinis dažnis yra nuo -3dB iki 0dB (1x padidėjimas) iki + 3dB (2x padidėjimas)

Dabar, kai jau apskaičiavome vertes, atėjo laikas sukurti grandinę. Sudėkime visus kartu ir pastatykime grandinę:

Mes sukonstravome grandinę pagal anksčiau apskaičiuotas vertes. Mes suteiksime 10–100 kHz dažnį ir 10 taškų per dešimtmetį aktyvaus aukšto dažnio filtro įėjime ir toliau tirsime, ar stiprintuvo išėjime ribinis dažnis yra 2000 Hz, ar ne.

Tai yra dažnio atsako kreivė. Žalia linija žymi sustiprintą filtro išėjimą, kuris yra 2 kartus didesnis. Raudona linija, žyminti filtro atsaką per stiprintuvo įvestį.

Mes nustatome žymeklį 3dB kampo dažniu ir gauname 2,0106 KHz arba 2 KHz.

Kaip aprašyta prieš pasyviojo filtro prieaugį -3dB, bet 2x padidėjus op-amp grandinės grandinei, pridedant filtruotą išėjimą, ribinis taškas dabar yra 3dB, kai 3dB pridedamas du kartus.

Kaskadai ir daugiau filtrų pridėjimas prie vieno „Op-Amp“

Viename op ampe galima pridėti daugiau filtrų, pvz., Antros eilės aktyvus aukšto dažnio filtras. Tokiu atveju, kaip ir pasyvusis filtras, pridedamas papildomas RC filtras.

Pažiūrėkime, kaip sukonstruota antrosios eilės aktyvi aukštų dažnių filtro grandinė.

Tai yra antros eilės filtras. Paveiksle galime aiškiai matyti, kad du filtrai yra sujungti. Tai yra antros eilės aukšto dažnio filtras.

Kaip matote, yra vienas op-amp. Įtampos padidėjimas yra toks pat, kaip anksčiau nurodyta naudojant du rezistorius. Kadangi stiprinimo formulė yra tokia pati, įtampos padidėjimas yra

Af = (1 + R2 / R1)

Ribinis dažnis yra: -

Galime pridėti aukštesnio lygio aukšto dažnio aktyvųjį filtrą. Tačiau yra viena taisyklė.

Jei norime pagaminti trečios eilės filtrą, galime kaskadai atlikti pirmosios ir antrosios eilės filtrus.

Sukurkite ketvirtos eilės filtrą, kaip ir du „Second-order“ filtrai, ir šios sumos kaskart pridedamos.

Kaskadinį aktyvų aukštų dažnių filtrą galima atlikti taip: -

Kuo daugiau pridėta op-amp, tuo daugiau pridedama. Žr. Aukščiau pateiktą paveikslą. Skaičiai, užrašyti ant op-amp, atspindi užsakymo stadiją. Patinka 1 = 1 eilės etapas, 2 = 2 eilės etapas. Kiekvieną kartą pridedant etapą, pridedamas 20dB / dešimtmetis padidinimo dydis kiekvienam etapui. Kaip ir pirmajame etape jis yra 20 dB / dešimtmetis, antrasis etapas yra 20 dB + 20 dB = 40 dB per dešimtmetį ir kt. Kiekvieną lyginių skaičių filtrą sudaro antrosios eilės filtrai, kiekvieną nelyginį skaičių sudaro pirmosios ir antrosios eilės filtrai, pirmosios eilės filtrai pirmajame. poziciją. Nėra jokių apribojimų, kiek filtrų galima pridėti, tačiau vėliau pridedant papildomų filtrų, filtro tikslumas sumažėja. Jei RC filtro vertė, ty rezistorius ir kondensatoriai, yra vienodi kiekvienam filtrui, tada ribinis dažnis taip pat bus toks pats, bendras stiprinimas išlieka toks pats, nes naudojami dažnio komponentai yra vienodi.

Programos

Aktyvus aukšto dažnio filtras gali būti naudojamas keliose vietose, kur negalima naudoti pasyvaus aukšto dažnio filtro, nes yra ribojama stiprinimo ar stiprinimo procedūra. Be to, aktyvų aukštų dažnių filtrą galima naudoti šiose vietose:

Aukšto dažnio filtras yra plačiai naudojamas elektronikos grandinėse.

Čia yra keletas programų: -

1. Aukšto lygio išlyginimas prieš galios stiprinimą
2. Aukšto dažnio vaizdo įrašų filtrai.
3. Osciloskopas ir funkcijų generatorius.
4. Prieš „Garsiakalbis“, skirtas žemo dažnio triukšmui pašalinti ar sumažinti.
5. Dažnio formos keitimas skirtingomis bangomis nuo.
6. Treble boost filtrai.