Filter low-pass aktif - bagus untuk frekuensi apa?


14

Apendiks E dari Seni Elektronik, Edisi ke-3 (filter LC Butterworth) dimulai dengan mengatakan bahwa " filter aktif nyaman di frekuensi rendah tetapi tidak praktis pada frekuensi lebih tinggi ". Mereka pergi dan mengatakan bahwa " pada frekuensi 100kHz ke atas, pendekatan terbaik adalah filter LC pasif " (diparafrasekan dalam kedua kasus).

Pertanyaan pertama saya: benarkah? 100kHz belaka sudah terlalu tinggi untuk filter aktif menjadi praktis?

Saya mengerti bahwa op-amp dengan bandwidth tinggi dan laju perubahan tegangan tinggi dapat mahal, membuatnya "tidak praktis" dalam kasus umum --- namun, filter LC low-pass dengan, katakanlah, cutoff 1MHz, topologi T dengan topologi 1kΩ beban akhirnya membutuhkan induktor dalam urutan ratusan μH --- jika saya perlu menghindari distorsi (saturasi inti magnetik dan histeresis), sebuah induktor inti udara dalam kisaran itu membuat semuanya agak tidak praktis.

Pertanyaan 2 adalah: apakah frekuensi cutoff, katakanlah, kurang dari 10MHz terlalu tinggi untuk filter low-pass Sallen-Key 2nd-order?

skema

mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab

Menganalisisnya dari perspektif kasus ideal (dengan asumsi op-amp selalu dalam operasi linier), ketiga pin op-amp akan tunduk pada sinyal keluaran rendah-lulus --- pada <10MHz frekuensi cutoff yang tentu bukan masalah (bukan bandwidth atau laju perubahan tegangan). Input kapasitansi seharusnya tidak menjadi masalah besar --- dengan R dalam urutan 1k, kapasitor berada dalam urutan beberapa puluh pF hingga beberapa ratus pF --- cukup tinggi untuk membuat input op-amp kapasitansi dapat diabaikan.

Apakah ada masalah praktis lain yang saya abaikan? Apakah saya bersikap realistis jika saya ingin filter aktif dengan cutoff dalam urutan beberapa MHz? (harga bukan masalah --- jika saya memerlukan op-amp di kisaran $ 10 atau $ 20, itu bagus)


1
Bisakah Anda menentukan sumber R dan memuat R dan kapasitansi kabel? dan jika mungkin pergeseran fasa pada 10MHz @ -3dB dan penolakan -dB @ 20MHz. Fase linier, rata rata atau? Biasanya GBW harus jauh lebih besar dari sinyal BW untuk mengurangi 200 Ohm atau lebih dengan penguatan. Ada alasan mengapa itu terbatas dan itu tergantung pada parameter ini. Apa tujuannya?
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

3
Alasan utamanya adalah ketidakstabilan gain kesatuan dengan> = 100GBW pada beban kabel kapasitif, impedansi output tinggi kecuali jika impedansi cocok dengan kapasitansi 1pF liar dapat menyebabkan memuncak.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

2
Walt Jung dari ADI memperingatkan kita "Untuk mencapai kinerja stopband -40dB dalam filter lowpass aktif, opamp perlu memiliki kelebihan gain 40dB di mana pun di stopband." Selain itu, opamps sering memiliki Zout induktif (resistensi yang meningkat dan perpindahan fasad 90 derajat yang disediakan oleh rolloff opamp), dan kapasitor dalam filter menyediakan jalur frekuensi tinggi DI SELURUH opamp; dengan naiknya Zout, opamp tidak dapat melemahkan energi frekuensi tinggi itu. Jadi jika Anda BENAR - BENAR membutuhkan kinerja stopband yang sangat baik, miliki RC LPF pasif sebagai kutub pertama, dan murah hati dengan spesifikasi opamp.
analogsystemsrf

5
Buku ini mungkin benar jika Anda menyamakan "op amp" dengan "741". Tetapi tidak jika Anda benar-benar menggunakan op amp :)
alephzero

1
@analogsystemsrf - poin bagus; Saya persis berpikir bahwa tidak ada salahnya melakukan Butterworth orde ketiga (1 / H (s) = (s + 1) (s² + s + 1) jika saya ingat dengan benar). Bagaimanapun, filter mendapatkan tahap input awal yang hanya RC.
Cal-linux

Jawaban:


31

Saya yakin analisis Anda bagus. Saya telah membuat filter urutan ke-4 sallen-key yang memotong sekitar 3 MHz dengan benar-benar tidak khawatir tentang kinerja. Saya tidak melihat bahwa 10 MHz tidak dapat diraih.

Ini semua tentang pilihan op-amp. Untuk tahap gain persatuan, mudah untuk memastikan di mana gain mulai turun di bawah ini (katakanlah) 0,99 dan menganggap itu sebagai frekuensi pembatas. Di sisi lain, impedansi keluaran op-amp biasanya menjadi lebih buruk ketika memasuki wilayah MHz sehingga Anda harus yakin itu dapat memberikan arus puncak tanpa kliping atau menjadi terlalu ceroboh.

Anda juga harus mempertimbangkan pembatasan laju perubahan tegangan tetapi, sejauh yang saya ketahui, itu saja.

Sangat mungkin bahwa The Art of Electronics, 3rd Editiontidak membuat pembaruan pada bagian itu sejak pertama kali keluar pada tahun 1980.


2
Itu suara ke-7 hari ini - ada ide?
Andy alias

3
Saya mendapatkan yang sama juga. Pasti pemula yang tidak menghargai keahlian gratis dan tidak tahu bagaimana menulis komentar
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

5
@Andyaka. Suara turun harus membuat frustrasi. Tetapi jawaban Anda selalu mendapatkan suara positif pada akhirnya.
Marla

3
memang 10MHz sangat mungkin. Baru-baru ini saya membuat low pass aktif untuk 10 MHz dan bahkan membiarkan OpAmp menggerakkan beban 50 Ohm. Ini berfungsi dengan baik, namun OpAmps ini mahal dan juga menghasilkan sedikit panas.
T. Pluess

4
Sering kali sangat frustasi untuk berurusan dengan posting yang menjadi panas di stackexchange. Semua jenis perilaku yang tidak diinginkan masuk. Saya berharap itu tidak terjadi.
joojaa

8

Pertanyaan pertama saya: benarkah? 100kHz belaka sudah terlalu tinggi untuk filter aktif menjadi praktis?

Tidak, 100kHz bukanlah apa-apa, tetapi semuanya tergantung pada opamp. Di beberapa titik, Produk Bandwidth Gain akan menyebabkan masalah. Jika Anda memiliki op amp dengan 1MHz atau 10MHz GBWP (yang mungkin khas pada saat edisi pertama AofE, mungkin mereka tidak memperbarui itu menurut saya jadi saya akan membandingkan edisi) maka 100kHz tidak terdengar terlalu tidak masuk akal, karena Anda hanya akan mendapatkan satu atau dua penyaringan dan kemudian bandwidth berada di bawah unity gain. Kemudian filter lowpass Anda lebih mirip bandpass.

Apakah ada masalah praktis lain yang saya abaikan? Apakah saya bersikap realistis jika saya ingin filter aktif dengan cutoff dalam urutan beberapa MHz? (harga bukan masalah --- jika saya memerlukan op-amp di kisaran $ 10 atau $ 20, itu bagus)

Jika Anda benar-benar perlu memfilter melewati 50MHz maka parasitics perlu dimodelkan sebagai ESR dan ESL dalam kapasitor akan mulai mempengaruhi kutub filter dan membuat kutub filter sendiri pada frekuensi tinggi. Gunakan paket rempah jika memungkinkan. Pastikan GBWP cukup tinggi, hari ini tidak sulit untuk mendapatkan op amp yang bekerja di kisaran + 100MHz.


1
Ini benar to the point. GBWP OP Amps tinggi tidak berkinerja, hemat biaya, atau bahkan tersedia pada 1980 ketika AoE pertama kali diterbitkan. Pada 1980, 8086 adalah yang terdepan dan 10MHz pada IC menyala sangat cepat. Sekarang kita dapat membeli LMH6881 seharga $ 3 dengan bandwidth 2,4GHz, atau LMH5401 seharga $ 7 dengan GBWP 8GHz - yang mungkin tidak terpikirkan pada tahun 1980. Buku itu belum diperbarui.
J ...

4

Masalah utama dengan topologi Sallen Key pada frekuensi tinggi adalah bahwa impedansi keluaran op-amp naik, sehingga gagal mengendalikan umpan maju sinyal input melalui kapasitor 2C, menghancurkan stopband.


2

TI memiliki 10MHz App Note. Ini didasarkan pada mereka THS4001 murah 270 MHz -3dB Op Amp.

Op Amps memiliki impedansi keluaran loop terbuka yang jauh lebih tinggi daripada generator sinyal 50 your Anda. Ini membuat mereka stabil dengan perlindungan hubung singkat mereka. GBW yang lebih tinggi digunakan untuk menurunkan Zout = Zoc / GBW. ESL papan tempat memotong roti (0,5nH / mm) dan kapasitansi liar perlu diminimalkan.

Dengan 150 MHz GBW Anda dapat menggunakan 1k R ​​dengan 5 pf, 10pF.

Saya tidak membaca desain mereka.

http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/sloa032/sloa032.pdf

Untuk merancang filter apa pun, Anda harus mempertimbangkan spesifikasi ini 1st;

Source impedance \$Z_S(f)\$   
Load Impedance \$Z_L(f)\$   
Gain   -3 dB passband \$f_p\$    
Loss   @ \$f_s\$stop band edge   e.g. \$  ~-dB~ @ ~2*f_p, 10*f_p\$    
 ..  or order of filter    
% load regulation error = % Output/Load impedance ratio ( for low % )    
Phase shift in passband, group delay  
Noise, supply power  
Output swing and slew rate limit  
Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.