Aktivni visokopropusni filtar

Prije smo opisali pasivni visokopropusni filtar i aktivni niskopropusni filtar, sada je vrijeme za aktivni visokopropusni filtar. Istražimo što je aktivni visokopropusni filtar.

Što je to, krug, formule, krivulja?

Jednako kao i pasivni niskopropusni filtar, pasivni visokopropusni filtar radi s pasivnim komponentama, otpornikom i kondenzatorom. U prethodnom uputstvu naučili smo o pasivnom visokopropusnom filtru koji radi bez vanjskih prekida ili aktivnog odgovora.

Ako dodamo pojačalo preko pasivnog visokopropusnog filtra, lako možemo stvoriti aktivni visokopropusni filtar. Promjenom konfiguracije pojačala također možemo oblikovati različite vrste visokopropusnih filtara, invertirani ili neinvertirani ili visokopropusni filtri s jedinstvenim pojačanjem.

Radi jednostavnosti, vremenske učinkovitosti, kao i rastućih tehnologija u dizajnu opcijskog pojačala, općenito se obično koristi za dizajn aktivnog filtra.

U pasivnom visokopropusnom filtru frekvencijski odziv je beskonačan. Ali u praktičnom scenariju to uvelike ovisi o komponentama i drugim čimbenicima, ovdje je u slučaju aktivnog visokopropusnog filtra propusnost optičkog pojačala glavno ograničenje aktivnog visokopropusnog filtra. To znači da će maksimalna frekvencija proći ovisno o pojačanju pojačala i karakteristikama otvorene petlje op-pojačala.

Istražimo nekoliko uobičajenih pojačala istosmjernog napona otvorene petlje op-pojačala.

Op-amp	Širina pojasa (dB)	Maksimalna frekvencija
LM258	100	1MHz
uA741	100	1MHz
RC4558D	35	3MHz
TL082	110	3MHz
LM324N	100	1MHz

Ovo je mali popis o generičkom op-pojačalu i pojačanju napona. Također, pojačanje napona u velikoj mjeri ovisi o frekvenciji signala i ulaznom naponu op-pojačala te o tome koliko se pojačanja primjenjuje u tom op-pojačalu.

Istražimo dalje i shvatimo što je posebno u tome: -

Evo jednostavnog dizajna visokopropusnih filtara: -

Ovo je slika aktivnog visokopropusnog filtra. Ovdje crta kršenja prikazuje tradicionalni pasivni visokopropusni RC filtar koji smo vidjeli u prethodnom vodiču.

Odrežite pojačanje frekvencije i napona:

Formula granične frekvencije jednaka je onoj koja se koristi u pasivnom visokopropusnom filtru.

fc = 1 / 2πRC

Kao što je opisano u prethodnom vodiču, fc je granična frekvencija, a R je vrijednost otpornika, a C vrijednost kondenzatora.

Dva otpora povezana u pozitivni čvor op-pojačala su povratni otpornici. Kad su ti otpornici povezani u pozitivni čvor op-pojačala, to se naziva neinvertirajuća konfiguracija. Ti su otpornici odgovorni za pojačanje ili pojačanje.

Također možemo lako izračunati pojačanje pojačala pomoću sljedećih jednadžbi gdje možemo odabrati ekvivalentnu vrijednost otpora prema pojačanju ili može biti obrnuto: -

Pojačanje pojačala (istosmjerna amplituda) (Af) = (1 + R3 / R2)

Krivulja frekvencijskog odziva:

Pogledajmo koliki će biti izlaz aktivnog visokopropusnog filtra ili Bode-ove krivulje / krivulje frekvencijskog odziva: -

Ovo je krivulja pojačanja op-pojačala i filtra spojenog preko pojačala.

Ova zelena krivulja prikazuje pojačani izlaz signala, a crvena prikazuje pojačani izlaz na pasivnom visokopropusnom filtru.

Ako preciznije vidimo krivulju, pronaći ćemo donje točke unutar ove bode parcele: -

Crvena krivulja povećava se na 20dB / desetljeće, a u graničnom području magnituda je -3dB što je margina faze od 45 stupnjeva.

Kao što je već spomenuto, maksimalni frekvencijski odziv op-pojačala je u velikoj mjeri povezan s njegovim pojačanjem ili širinom pojasa (kao što se naziva dobitak otvorene petlje Av).

Na popisu koji smo pružili prije nego što smo vidjeli tipična uobičajena pojačala poput uA741, LM324N imaju maksimalno pojačanje otvorene petlje od 100 dB, što će se smanjiti brzinom odmota od -20 dB po desetljeću ako se poveća ulazna frekvencija. Maksimalna ulazna frekvencija koju podržava LM324N, uA741 je 1 MHz, što je širina pojasa ili frekvencija pojačanja jedinice. Na ovoj će frekvenciji odgovarajuće opcijsko pojačalo proizvesti pojačanje od 0 dB ili pojačanje jedinice smanjujući se za 20 dB / desetljeće.

Dakle, nije beskonačno, nakon 1 MHz pojačanje će se smanjivati ​​brzinom od -20dB / desetljeće. Širina pojasa aktivnog visokopropusnog filtra uvelike ovisi o širini pojasa op-pojačala.

Pojačanje magnitude možemo izračunati pretvaranjem pojačanja napona op-pojačala.

Izračun je sljedeći:

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

Ovo Af može biti dobitak istosmjerne struje koji smo prije opisali izračunavanjem vrijednosti otpora ili dijeljenjem Vout-a s Vinom.

Mi također može nabaviti napon dobitak od frekvencije primjenjuje na filter (F) i cut-off frekvencija (fc). Izvoditi pojačanje napona iz ove dvije vrlo je jednostavno koristeći ovu formulu =

Ako stavimo vrijednost f i fc, dobit ćemo željeni napon na filtru.

Obrnuti krug filtra pojačala:

Također možemo konstruirati filtar u obrnutoj formaciji.

Granica faze može se dobiti slijedećom jednadžbom.

Fazni pomak je isti kao što se vidi kod pasivnog visokopropusnog filtra. Na graničnoj frekvenciji fc iznosi +45 stupnjeva.

Evo implementacije sklopa obrnutog aktivnog visokopropusnog filtra: -

To je aktivni visokopropusni filtar u obrnutoj konfiguraciji. Opcijsko pojačalo povezano je obrnuto. U prethodnom odjeljku ulaz je bio povezan preko pozitivnog ulaznog pina op-pojačala, a negativni pin op-pojačala koristi se za izradu povratnog kruga. Ovdje je sklop obrnut. Pozitivni ulaz povezan s referentnom masom i kondenzator i povratni otpor povezani preko negativnog ulaznog pina op-pojačala. To se naziva invertirana konfiguracija opcijskog pojačala i izlazni signal će biti invertiran od ulaznog signala.

Otpor R1 djeluje kao uloga pasivnog filtra, a također i kao pojačani otpornik istovremeno.

Aktivni visokopropusni filtar pojačanja ili sljedbenika napona:

Do sada se ovdje opisani sklop koristi za pojačanje napona i postpojačanje.

Možemo ga postići pomoću pojačala s jedinstvenim pojačanjem, što znači da će izlazna amplituda ili pojačanje biti 1x. Vin = Vout.

Da ne spominjem, to je također konfiguracija op-pojačala koja se često opisuje kao konfiguracija sljednika napona gdje op-pojačalo stvara točnu kopiju ulaznog signala.

Pogledajmo dizajn sklopa i kako konfigurirati op-pojačalo kao sljednik napona i učiniti aktivnim pojačanje jedinice filtrom visokih prolaza: -

Na ovoj je slici sve identično pojačalu pojačanja korištenom na prvoj slici. uklonjeni su povratni otpornici op-pojačala. Umjesto otpora negativni ulazni pin op-pojačala spojen je izravno s izlaznim op-pojačalom. Ova konfiguracija op-amp-a naziva se konfiguracija sljednika napona. Dobitak je 1x. To je aktivni visokopropusni filtar jedinstvenog dobitka. Stvorit će točnu kopiju ulaznog signala.

Praktični primjer s proračunom

Dizajnirat ćemo sklop aktivnog visokopropusnog filtra u neinvertiranoj op-amp konfiguraciji.

Tehnički podaci:-

1. Dobitak će biti 2x
2. Isječna frekvencija bit će 2KHz

Prvo izračunajmo vrijednost prije izrade sklopa: -

Pojačanje pojačala (DC amplituda) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 2

R2 = 1k (Moramo odabrati jednu vrijednost; odabrali smo 1k za smanjenje složenosti izračuna).

Sastavljanjem vrijednosti koju dobivamo

(2) = (1 + R3 / 1)

Izračunali smo da je vrijednost trećeg otpora (R3) 1k.

Sada moramo izračunati vrijednost otpora prema graničnoj frekvenciji. Kako aktivni visokopropusni filtar tako i pasivni visokopropusni filtar rade na isti način, formula za graničnu frekvenciju je ista kao i prije.

Provjerimo vrijednost kondenzatora ako je granična frekvencija 2KHz, odabrali smo vrijednost kondenzatora 0,01uF ili 10nF.

fc = 1 / 2πRC

Sastavljanjem svih vrijednosti dobivamo: -

2000 = 1 / 2π * 10 * 10 ^-9

Rješavanjem ove jednadžbe dobivamo vrijednost otpora približno 7,96.

Odabrana je najbliža vrijednost ovog otpornika 8k Ohma.

Sljedeći je korak izračunavanje dobitka. Formula pojačanja je ista kao i pasivni visokopropusni filtar. Formula pojačanja ili veličine u dB je kako slijedi: -

Kako je dobitak op-pojačala 2x. Dakle, Af je 2.

fc je odsječena frekvencija pa je vrijednost fc 2Khz ili 2000Hz.

Sada promjenom frekvencije (f) dobivamo dobitak.

Učestalost (f)	Pojačanje napona (Af) (Vout / Vin)	Dobitak (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
5.000	1,86	5.38
10.000	1.96	5.85
50.000	2	6.01
100.000	2	6.02

U ovoj tablici od 100 Hz pojačanje se postupno povećava brzinom od 20 dB / desetljeće, ali nakon postizanja granične frekvencije pojačanje se polako povećava na 6,02 dB i ostaje konstantno.

Jedna stvar koju treba podsjetiti da je dobitak opcijskog pojačala 2x. Iz tog je razloga granična frekvencija: -3dB do 0dB (1x pojačanje) do + 3dB (2x pojačanje)

Sada smo već izračunali vrijednosti, vrijeme je za konstrukciju sklopa. Zbrojimo sve i napravimo sklop: -

Strujni krug konstruirali smo na temelju prethodno izračunatih vrijednosti. Mi ćemo osigurati 10Hz do 100kHz frekvencije i 10 bodova po desetljeću na ulaz aktivnog high pass filter i provesti daljnju istragu kako bi vidjeli je li granična frekvencija je 2000Hz ili ne na izlazu pojačala

Ovo je krivulja frekvencijskog odziva. Zelena crta predstavlja pojačani izlaz filtra koji je 2 x dobitak. I crvena linija koja predstavlja odziv filtra na ulazu pojačala.

Postavljamo kursor na 3dB kutnu frekvenciju i dobivamo 2.0106 KHz ili 2 KHz.

Kao što je opisano prije pojačanja pasivnog filtra -3dB, ali kao 2x pojačanje sklopa op-pojačala dodano kroz filtrirani izlaz, granična točka je sada 3dB kao što je 3dB dodano dva puta.

Kaskadno i dodavanje više filtera u jedno Op-pojačalo

Moguće je dodati više filtara u jedno opcijsko pojačalo poput aktivnog visokopropusnog filtra drugog reda. U tom slučaju, baš kao i pasivni filtar, dodaje se dodatni RC filtar.

Pogledajmo kako je konstruiran krug aktivnog visokopropusnog filtra drugog reda.

Ovo je filtar drugog reda. Na slici jasno možemo vidjeti dva filtra zajedno. Ovo je visokopropusni filtar drugog reda.

Kao što vidite postoji jedan op-amp. Pojačanje napona je isto kao i prethodno navedeno pomoću dva otpornika. Kako je formula dobitka ista, pojačanje napona je

Af = (1 + R2 / R1)

Granična frekvencija je: -

Možemo dodati visokopropusni aktivni filtar višeg reda. Ali postoji jedno pravilo.

Ako želimo napraviti filtar trećeg reda, možemo kaskadno filtrirati prvi i drugi red.

Isto kao da dva filtra drugog reda stvaraju filtar četvrtog reda i taj se zbroj zbraja svaki put.

Kaskadni aktivni visokopropusni filtar može se izvesti na sljedeći način: -

Što se više dodaje pojačalo, dodaje se i više pojačanja. Pogledajte gornju sliku. Brojevi napisani na op-pojačalu predstavljaju stupanj narudžbe. Poput 1 = stupanj 1. reda, 2 = stupanj 2. reda. Svaki put kad se doda stupanj, dodaje se i dobitak magnitude od 20dB / desetljeće za svaki stupanj. Kao i za prvu fazu, to je 20dB / desetljeće, za drugu fazu to je 20dB + 20dB = 40dB po desetljeću itd. Svaki filtar parnih brojeva sastoji se od filtara drugog reda, svaki neparni broj sadrži filtar prvog reda i drugog reda, filtar prvog reda na prvom položaj. Nema ograničenja u tome koliko se filtara može dodati, ali točnost filtra se smanjuje kad se naknadno dodaju dodatni filtri. Ako su vrijednosti RC filtra, tj. Otpornik i kondenzatori jednaki za svaki filtar, tada će i granična frekvencija biti ista, ukupni dobitak ostaje jednak jer su korištene frekvencijske komponente iste.

Prijave

Aktivni visokopropusni filtar može se koristiti na više mjesta gdje se pasivni visokopropusni filtar ne može koristiti zbog ograničenja postupka pojačanja ili pojačanja. Osim toga, aktivni visokopropusni filtar može se koristiti na sljedećim mjestima: -

Visokopropusni filtar široko se koristi u elektronici.

Evo nekoliko aplikacija: -

1. Izjednačavanje visokih tonova prije pojačanja snage
2. Visokofrekventni filtri povezani s videozapisima.
3. Osciloskop i generator funkcija.
4. Prije zvučnika za uklanjanje ili smanjenje buke niske frekvencije.
5. Mijenjanje oblika frekvencije pri različitim valovima od.
6. Filteri za pojačavanje visokih tonova.