Aktyvus žemų dažnių filtras

Anksčiau mes aprašėme pasyvų žemų dažnių filtrą, šioje pamokoje mes ištirsime, kas yra aktyvus žemų dažnių filtras.

Kas tai yra, grandinė, formulės, kreivė?

Kaip žinome iš ankstesnės pamokos, pasyvus žemų dažnių filtras veikia su pasyviais komponentais. Tik du pasyviųjų komponentų rezistorius ir kondensatorius yra pasyviosios žemo dažnio filtro grandinės raktas arba širdis. Ankstesnėse pamokose sužinojome, kad pasyvūs žemų dažnių filtrai veikia be jokių išorinių pertraukimų ar aktyvaus atsako. Bet jis turi tam tikrų apribojimų.

Pasyvaus žemų dažnių filtro apribojimai yra šie:

1. Grandinės varža sukuria amplitudės praradimą. Taigi „Vout“ visada yra mažesnis už „Vin“.
2. Sustiprinti negalima tik pasyviu žemų dažnių filtru.
3. Filtro charakteristikos labai priklauso nuo apkrovos varžos.
4. Pelnas visada yra lygus arba mažesnis už vienybės laimėjimą.
5. Filtro pakopos arba filtravimo tvarka padidino amplitudės praradimą.

Dėl šio apribojimo, jei reikia stiprinimo, geriausias būdas pridėti aktyvų komponentą, kuris sustiprins filtruotą išėjimą. Šis stiprinimas atliekamas operaciniu stiprintuvu arba op-amp. Kadangi tam reikalingas įtampos šaltinis, tai yra aktyvus komponentas. Taigi pavadinimas Aktyvus žemų dažnių filtras.

Tipiškas stiprintuvas ima maitinimą iš išorinio maitinimo šaltinio ir sustiprina signalą, tačiau jis yra labai lankstus, nes mes galime lanksčiau keisti dažnio pralaidumą. Be to, vartotojas ar dizaineris gali pasirinkti, kokį aktyvių komponentų tipą pasirinkti, atsižvelgiant į reikalavimus. Tai gali būti „Fet“, „Jfet“, „Transistor“, „Op-Amp“, kurie apima daug lankstumo. Komponento pasirinkimas taip pat priklauso nuo kainos ir efektyvumo, jei jis skirtas masinės gamybos produktui.

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

Pažiūrėkime, kodėl turėtume pasirinkti ir op-amp sukurti „Active low pass“ filtrą: -

1. Didelė įėjimo varža.

   Dėl didelės įėjimo varžos įvesties signalo nepavyko sunaikinti ar pakeisti. Apskritai arba daugeliu atvejų įvesties signalas, kurio amplitudė yra labai maža, galėtų būti sunaikintas, jei jis naudojamas kaip mažos impedansinės grandinės. Tokiais atvejais „Op-Amp“ gavo pliuso tašką.

2. Labai mažas komponentų skaičius. Reikalingi tik keli rezistoriai.
3. Galimas įvairių tipų op-amp, priklausomai nuo stiprinimo, įtampos specifikacijos.
4. Žemas garsas.
5. Lengviau kurti ir įgyvendinti.

Kadangi mes nežinome, kad viskas yra visiškai tobula, šis „Active“ filtro dizainas taip pat turi tam tikrų apribojimų.

Išvesties padidėjimas ir pralaidumas, taip pat dažnio atsakas priklauso nuo op-amp specifikacijos.

Panagrinėkime toliau ir supraskime, kas jame ypatinga.

Aktyvus žemų dažnių filtras su stiprintuvu:

Prieš suprasdami „Active low pass filter filter with op-amp“, turime šiek tiek žinoti apie stiprintuvus. „Amplify“ yra didinamasis stiklas, jis sukuria tai, ką matome, bet didesne forma, kad geriau jį atpažintume.

Pirmojoje „Passive low pass filter“ pamokoje mes sužinojome, kas yra „Low Pass“ filtras. Žemo dažnio filtras išfiltravo žemą dažnį ir blokuoja aukštesnį kintamosios srovės sinusinio signalo signalą. Šis aktyvus žemų dažnių filtras veikia taip pat, kaip ir pasyvus žemų dažnių filtras, tik skirtumas yra vienas papildomas komponentas, tai yra stiprintuvas kaip op-amp.

Štai paprastas žemų dažnių filtro dizainas: -

Tai yra „Active low pass filter“ vaizdas. Čia pažeidimo linija rodo mums tradicinį pasyvų žemo dažnio RC filtrą, kurį matėme ankstesnėje mokymo programoje.

Nutraukti dažnio ir įtampos padidėjimą:

Pjovimo dažnio formulė yra tokia pati kaip naudojama pasyviame žemų dažnių filtre.

fc = 1 / 2πRC

Kaip aprašyta ankstesnėje instrukcijoje, fc yra ribinis dažnis, o R yra rezistoriaus vertė, o C - 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 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 + R2 / R3)

Atsako dažnio kreivė:

Pažiūrėkime, kas bus „Active Low Pass Pass“ filtro arba „Bode“ diagramos / dažnio atsako kreivės išvestis: -

Tai galutinis aktyvaus žemo dažnio filtro išėjimas op-amp neinvertuojančioje konfigūracijoje. Išsamų paaiškinimą pamatysime kitame paveikslėlyje.

Kaip matome, tai sutampa su pasyviu žemų dažnių filtru. Nuo pradinio dažnio iki Fc arba dažnio ribos taško arba kampo dažnis prasidės nuo -3dB taško. Šiame paveikslėlyje padidėjimas yra 20 dB, taigi ribinis dažnis yra 20 dB - 3dB = 17 dB, kur yra fc taškas. Nuolydis yra -20dB per dešimtmetį.

Nepaisant filtro, nuo pradinio taško iki ribinio dažnio taško jis vadinamas filtro pralaidumu, o po to - pralaidumo juosta, iš kurios leidžiamas praeiti dažnis.

Galime apskaičiuoti dydžio padidėjimą konvertuodami op-amp įtampos padidėjimą.

Skaičiuojama taip

db = 20 log (Af)

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

Ne invertuojanti ir invertuojanti stiprintuvo filtro grandinė:

Ši aktyvi žemo dažnio filtro grandinė, parodyta pradžioje, taip pat turi vieną apribojimą. Jos signalo šaltinio varža gali pakenkti jos stabilumui. Pvz., Sumažėjimas arba padidėjimas.

Standartinė projektavimo praktika galėtų pagerinti stabilumą, pašalinti kondensatorių iš įėjimo ir prijungti jį lygiagrečiai su op-amp antruoju grįžtamuoju rezistoriumi.

Čia yra grandinės neinvertuojantis aktyvus žemų dažnių filtras-

Šiame paveiksle, jei palyginsime tai su pradžioje aprašyta schema, galime pamatyti, kad kondensatoriaus padėtis yra pakeista dėl impedanso stabilumo. Šioje konfigūracijoje išorinė varža neturi įtakos kondensatorių reaktyvumui, todėl stabilumas pagerėjo.

Toje pačioje konfigūracijoje, jei norime apversti išėjimo signalą, galime pasirinkti op-amp invertuojančio signalo konfigūraciją ir galime prijungti filtrą su tuo apverstu op-amp.

Čia yra apversto aktyvaus žemo dažnio filtro schemos įgyvendinimas: -

Tai aktyvus žemos 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.

„Unity Gain“ arba „Voltage Follower“ aktyvus žemų dažnių filtras

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

Mes galime tai padaryti naudodami vienybės stiprinimo stiprintuvą, o tai reiškia, kad išėjimo amplitudė arba padidėjimas bus toks pats kaip įvestis: 1x. Vin = Vout.

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

Pažiūrėkime į grandinės dizainą ir kaip sukonfigūruoti op-amp kaip įtampos sekėją ir padaryti vieningumo stiprinimo aktyvų žemų dažnių filtrą: -

Šiame paveikslėlyje 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 vienybės padidėjimo aktyvus žemų dažnių filtras. Tai padarys tikslią įvesties signalo kopiją.

Praktinis pavyzdys su skaičiavimu

Mes suprojektuosime aktyvaus žemo dažnio filtro schemą, kuri nėra invertuota op-amp konfigūracija.

Specifikacijos: -

1. Įvesties varža 10 kohm
2. Pelnas bus 10x
3. Ribinis dažnis bus 320 Hz

Pirmiausia apskaičiuokime vertę prieš atlikdami grandinę: -

Stiprintuvo stiprinimas (nuolatinės srovės amplitudė) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

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

Sudėję vertę mes gauname

(10) = (1 + R3 / 1)

Mes apskaičiavome, kad trečiojo rezistoriaus vertė yra 9k.

Dabar mes turime apskaičiuoti rezistoriaus vertę pagal ribinį dažnį. Kadangi aktyvus žemų dažnių filtras ir pasyvus žemų dažnių filtras veikia taip pat, dažnio ribos formulė yra tokia pati kaip ir anksčiau.

Patikrinkime kondensatoriaus vertę, jei ribinis dažnis yra 320Hz, mes pasirinkome rezistoriaus vertę 4,7k.

fc = 1 / 2πRC

Sudėję visą vertę, gauname: -

Išsprendę šią lygtį, kondensatoriaus vertė yra maždaug 106nF.

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

20log (Af)

Kadangi op-amp stiprinimas yra 10 kartų didesnis, dydis dB yra 20 log (10). Tai yra 20dB.

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

Mes sukonstravome grandinę pagal anksčiau apskaičiuotas vertes. Aktyvaus žemo dažnio filtro įvestyje pateiksime nuo 10Hz iki 1500Hz dažnį ir 10 taškų per dešimtmetį ir toliau tirsime, ar stiprintuvo išėjime ribinis dažnis yra 320Hz, ar ne.

Tai yra dažnio atsako kreivė. Žalia linija pradedama nuo 10Hz iki 1500Hz, nes įvesties signalas tiekiamas tik tam dažnių diapazonui.

Kaip žinome, kad kampo dažnis visada bus -3dB nuo maksimalaus stiprinimo dydžio. Čia padidėjimas yra 20dB. Taigi, jei sužinosime, taškas -3dB gaus tikslų dažnį ten, kur filtras sustabdo aukštesnius dažnius.

Mes nustatome 17 dB žymeklį kaip (20dB-3dB = 17dB) kampo dažnį ir gauname 317.950Hz arba 318Hz, kuris yra artimas 320Hz.

Mes galime pakeisti kondensatoriaus vertę į bendrą, kaip 100nF, ir neminėti kampinio dažnio, kurį taip pat veiks keli Hz.

Antros eilės aktyvus žemų dažnių filtras:

Viename opampe galima pridėti daugiau filtrų, pavyzdžiui, antros eilės aktyvus žemų dažnių filtras. Tokiu atveju, kaip ir pasyvusis filtras, pridedamas papildomas RC filtras.

Pažiūrėkime, kaip sukonstruota antrosios eilės filtro grandinė.

Tai yra antros eilės filtras. Aukščiau pateiktame paveiksle galime aiškiai matyti, kad du filtrai yra sujungti. Tai antros eilės filtras. Tai yra plačiai naudojamas filtras, o pramoninis pritaikymas yra stiprintuvas, muzikinės sistemos grandinės prieš galios stiprinimą.

Kaip matote, yra vienas op-amp. Įtampos padidėjimas yra toks pat, kaip anksčiau nurodyta naudojant du rezistorius.

(Af) = (1 + R3 / R2)

Ribinis dažnis yra

Vienas įdomus dalykas, kurį reikia prisiminti, jei norime pridėti daugiau op-amp, kurie susideda iš pirmos eilės filtrų, padidėjimas bus padaugintas iš kiekvieno. Sumišęs? Gali būti, kad schema mums padės.

Kuo daugiau pridėtas op-amp, tuo daugiau padidinamas padidėjimas. Žr. Pirmiau pateiktą paveikslėlį. Šiame paveikslėlyje du op-amp kaskados su atskiru op-amp. Šioje grandinėje kaskadinis op stiprintuvas, jei pirmasis turi 10 kartų padidėjimą, o antrasis - 5 kartus, tada bendras padidėjimas bus 5 x 10 = 50x padidėjimas.

Taigi, dviejų op-ampų atveju pakopinės op-amp žemo dažnio filtro grandinės dydis yra: -

dB = 20 log (50)

Išsprendus šią lygtį, ji yra 34dB. Taigi kaskadinio op-amp žemo dažnio filtro stiprinimo formulės padidėjimas yra

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

Kur TdB = bendras dydis

Taip sukonstruotas „Active low pass“ filtras. Kitoje pamokoje pamatysime, kaip galima sukurti aktyvų aukšto dažnio filtrą. Bet prieš kitą pamoką pažiūrėkime, kokios yra „Active low pass filter“ programos: -

Programos

Aktyvus žemo dažnio filtras gali būti naudojamas keliose vietose, kur negalima naudoti pasyviojo žemo dažnio filtro dėl stiprinimo ar stiprinimo procedūros apribojimų. Be to, aktyvų žemų dažnių filtrą galima naudoti šiose vietose:

Žemo dažnio filtras yra plačiai naudojamas elektronikos grandinėse.

Štai keletas „Active Low Pass Filter“ programų:

1. Boso išlyginimas prieš galios stiprinimą
2. Su vaizdo įrašu susiję filtrai.
3. Osciloskopas
4. Muzikos valdymo sistema ir boso dažnio moduliacija, taip pat prieš žemųjų dažnių garsiakalbius ir aukštųjų bosų garsiakalbius, kad būtų galima išgauti žemuosius dažnius.
5. Funkcijų generatorius, užtikrinantis kintamą žemo dažnio išėjimą esant skirtingam įtampos lygiui.
6. Dažnio formos keitimas skirtingomis bangomis nuo.