Aktivni niskopropusni filtar

Prije smo opisali pasivni niskopropusni filtar, u ovom uputstvu istražit ćemo što je aktivni niskopropusni filtar.

Što je to, krug, formule, krivulja?

Kao što znamo iz prethodnog vodiča, pasivni niskopropusni filtar radi s pasivnim komponentama. Samo su dvije pasivne komponente otpornik i kondenzator ključ ili srce pasivnog kruga niskopropusnog filtra. U prethodnim tutorijalima naučili smo da pasivni niskopropusni filtar radi bez ikakvog vanjskog prekida ili aktivnog odgovora. Ali to ima određena ograničenja.

Ograničenja pasivnog niskopropusnog filtra su kako slijedi: -

1. Impedancija kruga stvara gubitak amplitude. Dakle, Vout je uvijek manji od Vina.
2. Pojačanje se ne može izvesti samo s pasivnim niskopropusnim filtrom.
3. Karakteristike filtra uvelike ovise o impedanciji opterećenja.
4. Dobitak je uvijek jednak ili manji od dobitka jedinstva.
5. Što su stupnjevi filtra ili redoslijed filtra dodali, gubitak amplitude postaje manji.

Zbog ovog ograničenja, ako je potrebno pojačanje, najbolji način za dodavanje aktivne komponente koja će pojačati filtrirani izlaz. Ovo pojačanje vrši se pomoću operativnog pojačala ili op-pojačala. Kako je za to potreban izvor napona, to je aktivna komponenta. Stoga je naziv Aktivni niskopropusni filtar.

Tipično pojačalo crpi energiju iz vanjskog napajanja i pojačava signal, ali je vrlo fleksibilno jer fleksibilniju širinu frekvencijskog pojasa možemo mijenjati. Također, izbor je korisnika ili dizajnera da odabere koju će vrstu aktivnih komponenti odabrati ovisno o zahtjevima. To mogu biti Fet, Jfet, Transistor, Op-Amp koji uključuju veliku fleksibilnost. Izbor komponente ovisi i o cijeni i učinkovitosti ako je dizajnirana za proizvod masovne proizvodnje.

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

Pogledajmo zašto bismo trebali odabrati opcijsko pojačalo za dizajn aktivnog niskopropusnog filtra: -

1. Visoka ulazna impedancija.

   Zbog visoke ulazne impedancije ulazni signal nije mogao biti uništen ili izmijenjen. Općenito ili u većini slučajeva ulazni signal vrlo male amplitude mogao bi biti uništen ako se koristi kao krug male impedancije. Op-Amp je u takvim slučajevima dobio plus bod.

2. Vrlo nizak broj komponenata. Potrebno je samo nekoliko otpornika.
3. Dostupni su različiti tipovi op-pojačala ovisno o pojačanju, specifikaciji napona.
4. Niska razina buke.
5. Jednostavnije dizajniranje i implementacija.

No kako znamo da ništa nije u potpunosti savršeno, ovaj Active filter dizajn također ima određena ograničenja.

Izlazno pojačanje i širina pojasa, kao i frekvencijski odziv ovise o specifikaciji op-amp-a.

Istražimo dalje i shvatimo što je posebno u tome.

Aktivni niskopropusni filtar s pojačanjem:

Prije razumijevanja dizajna aktivnog niskopropusnog filtra s opcijskim pojačalom, moramo znati malo o pojačalima. Amplify je povećalo, stvara kopiju onoga što vidimo, ali u većem obliku kako bi ga bolje prepoznao.

U prvom uputstvu o pasivnom niskopropusnom filtru naučili smo što je to niskopropusni filtar. Niskopropusni filtar filtrirao je nisku frekvenciju i blokirao viši signal sinusoidnog signala izmjenične struje. Ovaj aktivni niskopropusni filtar radi na isti način kao i pasivni niskopropusni filtar, samo što je ovdje dodana jedna dodatna komponenta, to je pojačalo kao op-pojačalo.

Evo jednostavnog dizajna niskopropusnog filtra: -

Ovo je slika aktivnog niskopropusnog filtra. Ovdje linija kršenja pokazuje nam tradicionalni pasivni niskopropusni RC filtar koji smo vidjeli u prethodnom vodiču.

Odrežite pojačanje frekvencije i napona:

Formula granične frekvencije ista je kao i u pasivnom niskopropusnom 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.

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

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

Krivulja frekvencijskog odziva:

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

Ovo je konačni izlaz aktivnog niskopropusnog filtra u neinvertiranoj konfiguraciji op-pojačala. Detaljno objašnjenje vidjet ćemo na sljedećoj slici.

Kao što vidimo, ovo je identično s pasivnim niskopropusnim filtrom. Od početne frekvencije do Fc ili točke odsjeka frekvencije ili kutna frekvencija započet će od -3dB točke. Pojačanje je 20dB na ovoj slici, tako da je granična frekvencija 20dB - 3dB = 17dB gdje se nalazi fc točka. Nagib je -20dB po desetljeću.

Neovisno o filtru, od početne točke do granične točke frekvencije naziva se širina pojasa filtra, a nakon toga propusni opseg iz kojeg je dopuštena prolazna frekvencija.

Pojačanje magnitude možemo izračunati pretvaranjem pojačanja napona op-pojačala.

Izračun je sljedeći

db = 20log (Af)

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

Neinvertirajući i obrnuti krug filtra pojačala:

Ovaj aktivni krug niskopropusnog filtra prikazan na početku također ima jedno ograničenje. Njegova stabilnost može se ugroziti ako se promijeni impedancija izvora signala. Npr. Smanjenje ili povećanje.

Standardna dizajnerska praksa mogla bi poboljšati stabilnost, uklanjanjem kondenzatora s ulaza i paralelnim povezivanjem s drugim povratnim otporom op-amp-a.

Ovdje je krug Neinvertirajući aktivni niskopropusni filtar-

Na ovoj slici, ako ovo usporedimo s krugom opisanim na početku, možemo vidjeti da je položaj kondenzatora promijenjen radi stabilnosti povezane s impedancijom. U ovoj konfiguraciji vanjska impedancija ne utječe na reaktanciju kondenzatora, čime se poboljšala stabilnost.

Na istoj konfiguraciji ako želimo invertirati izlazni signal, tada možemo odabrati konfiguraciju invertirajućih signala op-pojačala i mogli bismo povezati filtar s tim invertiranim op-pojačalom.

Evo implementacije sklopa obrnutog aktivnog niskopropusnog filtra: -

To je aktivni niskopropusni filtar u obrnutoj konfiguraciji. Opcijsko pojačalo povezano je obrnuto. U prethodnom odjeljku ulaz je 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.

Aktivni niskopropusni filtar pojačanja ili sljedbenika napona:

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

Možemo ga napraviti pomoću pojačala s pojačanjem jedinice, što znači da će izlazna amplituda ili pojačanje biti jednaka ulaznom: 1x. Vin = Vout.

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

Pogledajmo dizajn sklopa i kako konfigurirati op-pojačalo kao sljednik napona i učiniti aktivnim niskopropusni filtar za pojačanje jedinice: -

Na ovoj su slici uklonjeni povratni otpori 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 niskopropusni filtar jedinstvenog dobitka. Stvorit će točnu kopiju ulaznog signala.

Praktični primjer s proračunom

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

Tehnički podaci:-

1. Ulazna impedancija 10kohms
2. Dobitak će biti 10x
3. Isječna frekvencija bit će 320Hz

Prvo izračunajmo vrijednost prije izrade sklopa: -

Pojačanje pojačala (DC amplituda) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

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

Sastavljanjem vrijednosti koju dobivamo

(10) = (1 + R3 / 1)

Izračunali smo da je vrijednost trećeg otpora 9k.

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

Provjerimo vrijednost kondenzatora ako je granična frekvencija 320Hz, odabrali smo vrijednost otpornika 4,7k.

fc = 1 / 2πRC

Sastavljanjem svih vrijednosti dobivamo: -

Rješavanjem ove jednadžbe dobivamo vrijednost kondenzatora približno 106 nF.

Sljedeći je korak izračunavanje dobitka. Formula pojačanja je ista kao i kod pasivnog niskopropusnog filtra. Formula pojačanja ili veličine u dB je kako slijedi: -

20log (Af)

Kako je pojačanje op-pojačala 10x, veličina u dB je 20log (10). Ovo je 20dB.

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 1500Hz frekvencije i 10 bodova po desetljeću na ulaz aktivnog niskopropusni filter i provesti daljnju istragu kako bi vidjeli je li granična frekvencija je 320Hz ili ne na izlazu pojačala.

Ovo je krivulja frekvencijskog odziva. Zelena linija pokreće se od 10Hz do 1500Hz jer se ulazni signal isporučuje samo za taj raspon frekvencije.

Kao što znamo da će kutna frekvencija uvijek biti na -3dB od maksimalne magnitude pojačanja. Ovdje je dobitak 20dB. Dakle, ako otkrijemo da je točka -3dB dobiti točnu frekvenciju na kojoj filter zaustavlja više frekvencije.

Postavljamo kursor na 17 db kao (20dB-3dB = 17dB) kutnu frekvenciju i dobivamo 317.950Hz ili 318Hz što je blizu 320Hz.

Vrijednost kondenzatora možemo promijeniti u generičku kao 100 nF, a da ne spominjemo da će kutna frekvencija djelovati i nekoliko Hz.

Aktivni niskopropusni filtar drugog reda:

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

Pogledajmo kako je konstruiran krug filtra drugog reda.

Ovo je filtar drugog reda. Na gornjoj slici možemo jasno vidjeti dva filtra zajedno. Ovo je filtar drugog reda. To je široko korišteni filtar, a industrijska je primjena pojačalo, sklop glazbenog sustava prije pojačanja snage.

Kao što vidite postoji jedan op-amp. Pojačanje napona je isto kao i prethodno navedeno pomoću dva otpornika.

(Af) = (1 + R3 / R2)

Granična frekvencija je

Jednu zanimljivu stvar koju treba zapamtiti ako želimo dodati još op-pojačala koja se sastoje od filtara prvog reda, dobitak će se pomnožiti sa svakim pojedincem. Zbunjen? Možda će nam shema pomoći.

Što se više doda operativno pojačalo, to se više dobitaka množi. Pogledajte gornju sliku, Na ovoj su slici dva opcijska pojačala kaskadirana s pojedinačnim opcijskim pojačalima. U ovom krugu kaskadno opcijsko pojačalo, ako prvo ima pojačanje od 10x, a drugo za pojačanje od 5x, tada će ukupni dobitak biti 5 x 10 = pojačanje od 50x.

Dakle, veličina kaskadnog kruga niskopropusnog filtra op-amp u slučaju dva op-amp je:

dB = 20log (50)

Rješavanjem ove jednadžbe iznosi 34dB. Dakle, dobitak kaskadne formule pojačanja optičkog pojačala niskopropusnog filtra je

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

Gdje je TdB = ukupna veličina

Tako je konstruiran aktivni niskopropusni filtar. Na sljedećem uputstvu vidjet ćemo kako se može izraditi aktivni visokopropusni filtar. No, prije sljedećeg vodiča, pogledajmo koje su aplikacije aktivnog niskopropusnog filtra: -

Prijave

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

Niskopropusni filtar široko se koristi u elektronici.

Evo nekoliko aplikacija aktivnog niskopropusnog filtra: -

1. Izjednačavanje basova prije pojačanja snage
2. Filteri povezani s videozapisima.
3. Osciloskop
4. Sustav za kontrolu glazbe i modulaciju bas frekvencija kao i niskotonac i zvučnike visokog basa za uklanjanje basova.
5. Generator funkcija za pružanje varijabilnih niskofrekventnih izlaza na različitoj razini napona.
6. Mijenjanje oblika frekvencije pri različitim valovima od.