Aktivt lavpassfilter

Tidligere beskrev vi passivt lavpassfilter, i denne opplæringen vil vi undersøke hva som er et aktivt lavpassfilter.

Hva er det, krets, formler, kurve?

Som vi vet fra forrige opplæring, fungerer passivt lavpassfilter med passive komponenter. Bare to passive komponenter motstand og kondensator er nøkkelen eller hjertet til en passiv lavpassfilterkrets. Vi lærte i de foregående opplæringene at passive lavpassfilter fungerer uten ytre avbrudd eller aktiv respons. Men det har visse begrensninger.

Begrensningene for passivt lavpassfilter er som følger: -

1. Impedansen til kretsen skaper tap av amplituden. Så Vout er alltid mindre enn Vin.
2. Forsterkning kan ikke gjøres med bare passivt lavpassfilter.
3. Filteregenskapene er sterkt pålitelige av lastimpedansen.
4. Gevinsten er alltid lik eller mindre enn enhetsgevinsten.
5. Flere filteretapper eller filterrekkefølgen la til at amplitude-tapet ble mindre.

På grunn av denne begrensningen, hvis det er behov for forsterkning, er den beste måten å legge til en aktiv komponent som vil forsterke den filtrerte utgangen. Denne forsterkningen utføres av operasjonsforsterker eller op-amp. Siden dette krever spenningskilde, er det en aktiv komponent. Dermed navnet Aktiv lavpassfilter.

En typisk forsterker trekker strømmen fra den eksterne strømforsyningen og forsterker signalet, men det er svært fleksibelt, ettersom vi kan endre frekvensbåndbredden mer fleksibelt. Dessuten er det brukerens eller designers valg å velge hvilken type aktive komponenter du vil velge, avhengig av kravene. Det kan være Fet, Jfet, Transistor, Op-Amp som inkluderer mye fleksibilitet. Valget av komponent er også avhengig av kostnadene og effektiviteten hvis den er designet for et masseproduksjonsprodukt.

For enkelhets skyld, tidseffektivitet og også de voksende teknologiene innen op-amp design, brukes vanligvis en op-amp for Active Filter design.

La oss se hvorfor vi skal velge og op-amp for å designe et aktivt lavpassfilter: -

1. Høy inngangsimpedans.

   På grunn av høy inngangsimpedans kunne inngangssignalet ikke ødelegges eller endres. Generelt eller i de fleste tilfeller kan inngangssignalet som har en meget lav amplitude ødelegges hvis det brukes som kretser med lav impedans. Op-Amp fikk et plusspoeng i slike tilfeller.

2. Svært lavt antall komponenter. Bare få motstander er nødvendig.
3. Ulike typer op-amp er tilgjengelig, avhengig av forsterkning, spenningsspesifikasjon.
4. Lav lyd.
5. Enklere å designe og implementere.

Men som vi vet at ingenting er helt perfekt, har dette aktive filterdesignet også visse begrensninger.

Utgangsforsterkningen og båndbredden samt frekvensresponsen er pålitelig av op-amp spesifikasjonen.

La oss utforske videre og forstå hva som er spesielt med det.

Aktivt lavpassfilter med forsterkning:

Før vi forstår Active low pass filter design med op-amp, må vi vite litt om forsterkere. Amplify er et forstørrelsesglass, det produserer en kopi av det vi ser, men i større form for å gjenkjenne det bedre.

I den første opplæringen av passivt lavpassfilter hadde vi lært hva som var lavpassfilter. Lavpassfilter filtrert ut lavfrekvens og blokkerer et høyere av et sinusformet AC-signal. Dette aktive lavpassfilteret fungerer på samme måte som passivt lavpassfilter, bare forskjellen er her en ekstra komponent er lagt til, det er en forsterker som op-amp.

Her er den enkle lavpasfilterdesignen: -

Dette er bildet av Aktiv lavpassfilter. Her viser bruddlinjen oss det tradisjonelle passive lavpass RC-filteret vi så i forrige opplæring.

Kutt av frekvens og spenningsforsterkning:

Formelen for avskjæringsfrekvens er den samme som brukt i passivt lavpassfilter.

fc = 1 / 2πRC

Som beskrevet i forrige opplæring er fc avskjæringsfrekvens og R er motstandsverdi og C er kondensatorverdi.

De to motstandene som er koblet i den positive noden til op-amp er tilbakemeldingsmotstander. Når disse motstandene er koblet til en positiv node på op-amp, kalles det ikke-inverterende konfigurasjon. Disse motstandene er ansvarlige for forsterkningen eller forsterkningen.

Vi kan enkelt beregne forsterkeren til forsterkeren ved hjelp av følgende ligninger der vi kan velge ekvivalent motstandsverdi i henhold til forsterkning, eller det kan være omvendt: -

Forsterkerforsterkning (DC amplitude) (Af) = (1 + R2 / R3)

Frekvensresponskurve:

La oss se hva som vil være utgangen til Active Low pass filter eller Bode plot / Frequency respons curve: -

Dette er den endelige utgangen av Active Low-pass filter i op-amp ikke-inverterende konfigurasjon. Vi vil se detaljert forklaring i neste bilde.

Som vi ser er dette identisk med passivt lavpassfilter. Fra startfrekvensen til Fc eller frekvensavskjæringspunktet eller hjørnefrekvensen starter fra -3dB punkt. Forsterkningen er 20 dB i dette bildet, så avskjæringsfrekvensen er 20 dB - 3dB = 17 dB der fc-punktet er plassert. Skråningen er -20 dB per tiår.

Uansett filter, fra startpunkt til avskjæringsfrekvenspunkt kalles det båndbredde på filteret, og etter det kalles det passbånd hvor passeringsfrekvensen er tillatt.

Vi kan beregne størrelsesforsterkningen ved å konvertere op-amp spenningsforsterkningen.

Beregningen er som følger

db = 20log (Af)

Denne Af kan være DC-forsterkningen vi beskrev før ved å beregne motstandsverdien eller dele Vout med Vin.

Ikke-inverterende og inverterende forsterkerfilterkrets:

Denne aktive lavpassfilterkretsen vist i begynnelsen har også en begrensning. Dens stabilitet kan kompromitteres hvis signalkildens impedans endres. F.eks. Redusere eller øke.

En standard designpraksis kan forbedre stabiliteten, fjerne kondensatoren fra inngangen og koble den parallelt med en tilbakemotstand mot andre ampere.

Her er kretsen Ikke-inverterende Aktiv lavpasfilter-

I denne figuren, hvis vi sammenligner dette med kretsene som ble beskrevet i begynnelsen, kan vi se at kondensatorposisjonen er endret for impedansrelatert stabilitet. I denne konfigurasjonen påvirker den ytre impedansen ikke kondensatorens reaktans, og dermed forbedres stabiliteten.

På samme konfigurasjon, hvis vi vil invertere utgangssignalet, kan vi velge inverteringssignalkonfigurasjonen til op-amp og kunne koble filteret med den inverterte op-amp.

Her er kretsimplementeringen av invertert aktiv lavpasfilter: -

Det er et aktivt lavpasfilter i omvendt konfigurasjon. Op-amp er koblet omvendt. I forrige avsnitt ble inngangen koblet over op-amps positive inngangspinne, og op-amp-negativpinnen brukes til å lage tilbakemeldingskretsene. Her er kretsene invertert. Positiv inngang koblet til jordreferanse og kondensatoren og tilbakemeldingsmotstanden koblet over op-amp negativ inngangspinne. Dette kalles invertert op-amp konfigurasjon og utgangssignalet vil bli invertert enn inngangssignalet.

Enhetsgevinst eller spenningsfølger aktivt lavpassfilter:

Inntil nå er kretsløpet beskrevet her brukt til spenningsforsterkning og etterforsterkning.

Vi kan lage det ved hjelp av en enhetsforsterker, det betyr at utgangsamplituden eller forsterkningen vil være den samme som inngangen: 1x. Vin = Vout.

For ikke å nevne, det er også en op-amp-konfigurasjon som ofte beskrives som spenningsfølger-konfigurasjon der op-amp opprettet den eksakte kopien av inngangssignalet.

La oss se kretsdesignet og hvordan du konfigurerer op-amp som spenningsfølger og gjør enhetsgevinsten aktivt lavpasfilter: -

I dette bildet fjernes tilbakemeldingsmotstandene til op-amp. I stedet for motstanden er den negative inngangspinnen til op-amp koblet direkte til output-amp. Denne op-amp-konfigurasjonen kalles som Voltage follower-konfigurasjon. Gevinsten er 1x. Det er et aktivt lavpasfilter for enhetsgevinst. Det vil produsere nøyaktig kopi av inngangssignalet.

Praktisk eksempel med beregning

Vi vil designe et kretsløp med aktivt lavpasfilter i ikke-inverterende op-amp-konfigurasjon.

Spesifikasjoner: -

1. Inngangsimpedans 10kohms
2. Gevinst vil være 10 ganger
3. Cutoff freq vil være 320Hz

La oss beregne verdien først før vi lager kretsene: -

Forsterkerforsterkning (DC amplitude) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

R2 = 1k (Vi må velge en verdi; vi valgte R2 som 1k for å redusere beregningens kompleksitet).

Ved å sette verdien sammen får vi

(10) = (1 + R3 / 1)

Vi beregnet at verdien av den tredje motstanden er 9k.

Nå må vi beregne motstandens verdi i henhold til kuttfrekvensen. Ettersom aktivt lavpassfilter og passivt lavpassfilter fungerer på samme måte, er frekvensavskjæringsformelen den samme som før.

La oss sjekke verdien på kondensatoren hvis kuttfrekvensen er 320Hz, vi valgte at verdien på motstanden er 4,7k.

fc = 1 / 2πRC

Ved å sette alle verdiene sammen får vi: -

Ved å løse denne likningen får vi verdien av kondensatoren er omtrent 106nF.

Neste trinn er å beregne gevinst. Formelen for forsterkningen er den samme som passivt lavpassfilter. Formelen for forsterkning eller størrelse i dB er som følger: -

20log (Af)

Da forsterkningen til op-amp er 10x er størrelsen i dB 20log (10). Dette er 20 dB.

Nå som vi allerede har beregnet verdiene, er det nå på tide å konstruere kretsen. La oss legge sammen og bygge kretsen: -

Vi konstruerte kretsen basert på verdiene som ble beregnet før. Vi vil gi 10Hz til 1500Hz frekvens og 10 poeng per tiår ved inngangen til det aktive lavpassfilteret og vil undersøke nærmere for å se om kuttfrekvensen er 320Hz eller ikke ved forsterkerens utgang.

Dette er frekvensresponskurven. Den grønne linjen startes fra 10Hz til 1500Hz da inngangssignalet leveres kun for det frekvensområdet.

Som vi vet at hjørnefrekvensen alltid vil være -3dB fra maksimal forsterkningsstørrelse. Her er gevinsten 20 dB. Så hvis vi finner ut vil -3dB-punktet få den nøyaktige frekvensen der filteret stopper de høyere frekvensene.

Vi setter markøren på 17 db som (20dB-3dB = 17dB) hjørnefrekvensen og får 317.950Hz eller 318Hz som er nær 320Hz.

Vi kan endre kondensatorverdien til den generiske som 100nF og ikke nevne hjørnefrekvensen vil også bli utført med få Hz.

Andre ordens aktivt lavpassfilter:

Det er mulig å legge til flere filtre over en op-amp som andre ordens aktive lavpassfilter. I slike tilfeller, akkurat som det passive filteret, blir ekstra RC-filter lagt til.

La oss se hvordan andreordens filterkrets er konstruert.

Dette er andre ordens filter. I figuren ovenfor kan vi tydelig se de to filtrene lagt sammen. Dette er andre ordens filter. Det er et mye brukt filter og industriell applikasjon er forsterker, musikalske systemkretser før kraftforsterkningen.

Som du ser er det en op-amp. Spenningsforsterkningen er den samme som tidligere oppgitt ved bruk av to motstander.

(Af) = (1 + R3 / R2)

Kuttfrekvensen er

En interessant ting å huske hvis vi vil legge til flere op-amp som består av første ordens filtre, vil gevinsten bli multiplisert med hver enkelt. Forvirret? Kan være et skjema som vil hjelpe oss.

Jo mer op-amp som legges til, desto mer gang forsterkes. Se figuren over, i dette bildet to op-amp kaskadert med individuell op-amp. I denne kretsen er Cascaded op amp, hvis den første har 10x forsterkning og den andre er for 5x forsterkning, vil den totale forsterkningen være 5 x 10 = 50x forsterkning.

Så størrelsen på den kaskade op-amp lavpassfilterkretsen i tilfelle to op-amp er: -

dB = 20log (50)

Ved å løse denne ligningen er den 34 dB. Så gevinsten med kaskadeformulering for lavpasfilterforsterkning er

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

Hvor TdB = total størrelse

Slik er Aktiv lavpasfilter konstruert. På neste opplæring vil vi se hvordan Active high pass filter kan konstrueres. Men før neste opplæring, la oss se hva applikasjonene til Active low pass filter er: -

applikasjoner

Aktivt lavpasfilter kan brukes flere steder der passivt lavpassfilter ikke kan brukes på grunn av begrensningen for forsterkning eller forsterkning. Bortsett fra at det aktive lavpasfilteret kan brukes på følgende steder: -

Lavpasfilter er mye brukt i elektronikk.

Her er få applikasjoner av Active Low Pass Filter: -

1. Bassutjevning før kraftforsterkning
2. Videorelaterte filtre.
3. Oscilloskop
4. Musikkontrollsystem og bassfrekvensmodulering, så vel som før bashøyttalere og høyttalere for høy bass for bassutgang.
5. Funksjonsgenerator for å gi variabel lavfrekvens ut på forskjellige spenningsnivåer.
6. Endring av frekvensform ved annen bølge fra.