Aktīvs augstfrekvences filtrs

Iepriekš mēs aprakstījām par pasīvo augstfrekvences filtru un aktīvo zemfrekvences filtru, tagad ir pienācis laiks aktīvo augstfrekvences filtru. Izpētīsim, kas ir aktīvs augstfrekvences filtrs.

Kas tas ir, ķēde, formulas, līkne?

Tāpat kā pasīvais zemfrekvences filtrs, pasīvais augstfrekvences filtrs darbojas ar pasīvajiem komponentiem, rezistoru un kondensatoru. Iepriekšējā apmācībā par pasīvo augstfrekvences filtru mēs uzzinājām, ka tas darbojas bez jebkādiem ārējiem pārtraukumiem vai aktīvas atbildes.

Ja pasīvā augstfrekvences filtrā pievienosim pastiprinātāju, mēs varam viegli izveidot aktīvo augstfrekvences filtru. Mainot pastiprinātāja konfigurāciju, mēs varam veidot arī dažāda veida augstfrekvences filtrus, apgrieztus vai neapgrieztus vai vienotības pastiprināšanas aktīvus augstfrekvences filtrus.

Vienkāršības, laika efektivitātes un pieaugošo tehnoloģiju dēļ op-amp projektēšanā aktīvā filtra projektēšanai parasti tiek izmantots op-amp.

Pasīvā augstfrekvences filtrā frekvences atbilde ir bezgalīga. Bet praktiskajā scenārijā tas ir ļoti atkarīgs no komponentiem un citiem faktoriem, šeit aktīvā augstfrekvences filtra gadījumā op-amp joslas platums ir galvenais aktīvās augstfrekvences filtra ierobežojums. Tas nozīmē, ka maksimālā frekvence pāries atkarībā no pastiprinātāja pastiprinājuma un op-amp atvērtās cilpas raksturlieluma.

Izpētīsim dažus izplatītākos op-ampēriem atvērtās cilpas līdzstrāvas sprieguma pieaugumu.

Op-amp	Joslas platums (dB)	Maksimālais biežums
LM258	100	1MHz
uA741	100	1MHz
RC4558D	35	3MHz
TL082	110	3MHz
LM324N	100	1MHz

Šis ir neliels saraksts par vispārējo op-amp un sprieguma pieaugumu. Arī sprieguma pieaugums lielā mērā ir atkarīgs no signāla frekvences un op-amp ieejas sprieguma un no tā, cik liels pieaugums tiek izmantots šajā op-amp.

Iepazīsimies tālāk un sapratīsim, kas tajā ir īpašs: -

Šeit ir vienkāršs augstfrekvences filtru dizains: -

Šis ir Active High Pass filtra attēls. Šeit pārkāpuma līnija parāda mums tradicionālo pasīvo augstfrekvences RC filtru, ko redzējām iepriekšējā apmācībā.

Frekvences un sprieguma pieauguma pārtraukšana:

Griezuma frekvences formula ir tāda pati kā izmantota pasīvā augstfrekvences filtrā.

fc = 1 / 2πRC

Kā aprakstīts iepriekšējā apmācībā, fc ir robežfrekvence un R ir rezistora vērtība, un C ir kondensatora vērtība.

Abi rezistori, kas savienoti op-amp pozitīvajā mezglā, ir atgriezeniskās saites rezistori. Kad šie rezistori ir savienoti op-amp pozitīvajā mezglā, to sauc par neinvertējošu konfigurāciju. Šie rezistori ir atbildīgi par pastiprinājumu vai pastiprinājumu.

Mēs varam arī viegli aprēķināt pastiprinātāja pastiprinājumu, izmantojot šādus vienādojumus, kur mēs varam izvēlēties līdzvērtīgu rezistora vērtību atbilstoši pastiprinājumam vai arī tas var būt otrādi:

Pastiprinātāja pastiprinājums (līdzstrāvas amplitūda) (Af) = (1 + R3 / R2)

Frekvences reakcijas līkne:

Apskatīsim, kāda būs aktīvā augstfrekvences filtra vai Bode diagrammas / frekvences reakcijas līknes izeja: -

Šī ir pastiprinātāja op-amp un filtra pastiprinājuma līkne.

Šī zaļā līkne parāda pastiprinātu signāla izvadi, bet sarkanā - bez pastiprinātas izejas pāri pasīvajam augstfrekvences filtram.

Ja mēs līkni redzam precīzāk, tad mēs atradīsim šādus punktus šajā Bode zemes gabalā:

Sarkanā līkne palielinās pie 20dB / dekādē, un nogriešanas apgabalā lielums ir -3dB, kas ir 45 grādu fāzes rezerve.

Kā jau iepriekš tika apspriests, op-amp maksimālā frekvences atbilde ir cieši saistīta ar tā pastiprinājumu vai joslas platumu (ko sauc par atvērtās cilpas pastiprinājumu Av).

Sarakstā, kas sniegts pirms tam, kad mēs esam redzējuši tipisku kopēju op-amp, piemēram, uA741, LM324N ir 100dB maksimālais atvērtās cilpas pieaugums, kas samazināsies, ja ieejas frekvence palielināsies -20dB vienā desmitgadē. Maksimālā ieejas frekvence, ko atbalsta LM324N, uA741, ir 1 Mhz, kas ir vienības pieauguma joslas platums vai frekvence. Šajā frekvencē attiecīgais op-amp radīs 0dB pieaugumu vai vienotības pieaugumu, samazinoties 20dB / desmitgadē.

Tātad tas nav bezgalīgs, pēc 1 MHz pieaugums samazināsies ar ātrumu -20dB / dekādē. Aktīvā augstfrekvences filtra joslas platums ir ļoti atkarīgs no op-amp joslas platuma.

Mēs varam aprēķināt lieluma pieaugumu, pārveidojot op-amp Sprieguma pieaugumu.

Aprēķins ir šāds:

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

Šis Af var būt līdzstrāvas pieaugums, ko mēs aprakstījām iepriekš, aprēķinot rezistora vērtību vai dalot Vout ar Vin.

Sprieguma pieaugumu mēs varam iegūt arī no frekvences, kas tiek lietota filtram (f), un robežfrekvences (fc). Izmantojot šo formulu =, atvasināt sprieguma pieaugumu no šiem diviem ir ļoti vienkārši

Ja mēs ievietosim f un fc vērtību, mēs iegūsim vēlamo sprieguma pieaugumu filtrā.

Pastiprinātāja filtra ķēdes apgriešana:

Mēs varam konstruēt filtru arī apgrieztā formā.

Fāzes rezervi var iegūt, izmantojot šādu vienādojumu.

Fāzes nobīde ir tāda pati kā redzama Passive high pass filtrā. Fc sliekšņa frekvencē ir +45 grādi.

Šeit ir apgrieztā aktīvā augstfrekvences filtra shēmas ieviešana: -

Tas ir aktīvs augstfrekvences filtrs apgrieztā konfigurācijā. Op-amp ir savienots apgriezti. Iepriekšējā sadaļā ieeja tika savienota ar op-amp pozitīvās ieejas tapu, un op-amp negatīvā tapa tiek izmantota atgriezeniskās saites shēmas veidošanai. Šeit shēma apgriezās. Pozitīva ieeja, kas savienota ar zemes atskaiti, un kondensators un atgriezeniskais rezistors, kas savienots ar op-amp negatīvās ievades tapu. To sauc par apgrieztu op-amp konfigurāciju, un izejas signāls tiks apgriezts par ieejas signālu.

Rezistors R1 vienlaikus darbojas kā pasīvā filtra loma, bet arī kā pastiprināšanas rezistors.

Vienotības pieauguma vai sprieguma sekotāja aktīvais augstfrekvences filtrs:

Līdz šim šeit aprakstītā shēma tiek izmantota sprieguma palielināšanai un pēc pastiprināšanas.

Mēs to varam izgatavot, izmantojot vienības pastiprināšanas pastiprinātāju, tas nozīmē, ka izejas amplitūda vai pieaugums būs 1x. Vin = Vout.

Nemaz nerunājot, tā ir arī op-amp konfigurācija, ko bieži raksturo kā sprieguma sekotāja konfigurāciju, kur op-amp izveido precīzu ieejas signāla kopiju.

Apskatīsim ķēdes dizainu un to, kā konfigurēt op-amp kā sprieguma sekotāju un padarīt vienotības pieaugumu aktīvu augstfrekvences filtru: -

Šajā attēlā viss ir identisks kā pastiprināšanas pastiprinātājs, kas izmantots pirmajā attēlā. tiek noņemti op-amp atgriezeniskās saites rezistori. Rezistora vietā op-amp negatīvā ievades tapa ir tieši savienota ar izejas op-amp. Šo op-amp konfigurāciju sauc par Sprieguma sekotāja konfigurāciju. Ieguvums ir 1x. Tas ir vienotības pieauguma aktīvs augstfrekvences filtrs. Tas radīs precīzu ieejas signāla kopiju.

Praktisks piemērs ar aprēķinu

Mēs izstrādāsim aktīvā augstfrekvences filtra shēmu neinvertējošā op-amp konfigurācijā.

Specifikācijas: -

1. Gain būs 2x
2. Griešanas frekvence būs 2KHz

Pirms ķēdes izveidošanas vispirms aprēķināsim vērtību: -

Pastiprinātāja pastiprinājums (līdzstrāvas amplitūda) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 2

R2 = 1k (mums jāizvēlas viena vērtība; mēs izvēlējāmies 1k, lai samazinātu aprēķina sarežģītību).

Saliekot vērtību kopā, mēs iegūstam

(2) = (1 + R3 / 1)

Mēs aprēķinājām trešā rezistora (R3) vērtību 1k.

Tagad mums jāaprēķina rezistora vērtība saskaņā ar sliekšņa biežumu. Tā kā aktīvais augstfrekvences filtrs un pasīvais augstfrekvences filtrs darbojas tāpat, frekvences atslēgšanas formula ir tāda pati kā iepriekš.

Pārbaudīsim kondensatora vērtību, ja atslēgšanas frekvence ir 2KHz, mēs izvēlējāmies kondensatora vērtību 0,01uF vai 10nF.

fc = 1 / 2πRC

Saliekot visu vērtību kopā, mēs iegūstam: -

2000 = 1 / 2π * 10 * 10 ^-9

Atrisinot šo vienādojumu, rezistora vērtība ir aptuveni 7,96.

Šim rezistoram ir izvēlēta tuvākā vērtība 8k omi.

Nākamais solis ir aprēķināt pieaugumu. Guvuma formula ir tāda pati kā pasīvajam augstfrekvences filtram. Pieauguma vai lieluma formula dB ir šāda:

Tā kā op-amp pieaugums ir 2x. Tātad Af ir 2.

fc ir izslēgta frekvence, tāpēc fc vērtība ir 2Khz vai 2000Hz.

Tagad mainot frekvenci (f), mēs iegūstam pieaugumu.

Biežums (f)	Sprieguma pieaugums (Af) (Vout / Vin)	Gain (dB) 20log (Vout / Vin)
100	.10	-20.01
250	.25	-12.11
500	.49	-6.28
750	.70	-3.07
1000	.89	-0,97
2000	1.41	3.01
5000	1.86	5.38
10 000	1.96	5.85
50 000	2	6.01
100 000	2	6.02

Šajā tabulā no 100 Hz pieaugums tiek secīgi palielināts ar ātrumu 20 dB / desmitgade, bet pēc sliekšņa frekvences sasniegšanas pieaugums tiek lēnām palielināts līdz 6,02 dB un paliek nemainīgs.

Viena lieta, kas atgādina, ka op-amp pieaugums ir 2x. Šī iemesla dēļ izslēgtā frekvence ir: -3dB līdz 0dB (1x pieaugums) līdz + 3dB (2x pieaugums)

Tā kā mēs jau esam aprēķinājuši vērtības, tagad ir laiks izveidot ķēdi. Pievienosim visus kopā un izveidosim ķēdi: -

Mēs izveidojām ķēdi, pamatojoties uz iepriekš aprēķinātajām vērtībām. Mēs nodrošināsim 10Hz līdz 100KHz frekvenci un 10 punktus desmitgadē pie aktīvā augstfrekvences filtra ieejas un turpināsim izpētīt, vai pastiprinātāja izejā robežlīmeņa frekvence ir 2000Hz.

Šī ir frekvences reakcijas līkne. Zaļā līnija attēlo filtra pastiprināto izvadi, kas ir 2 x ieguvumi. Un sarkanā līnija, kas apzīmē filtra reakciju pastiprinātāja ieejā.

Mēs iestatām kursoru pie 3dB stūra frekvences un iegūstam 2,0106 KHz vai 2 KHz.

Kā aprakstīts pirms pasīvā filtra pieauguma -3dB, bet, palielinoties op-amp shēmu 2x pieaugumam filtrētajā izvadā, nogriešanas punkts tagad ir 3dB, jo 3dB tiek pievienots divas reizes.

Cascading un vairāk opciju pievienošana vienam Op-Amp

Vienam op-amp ir iespējams pievienot vairāk filtru, piemēram, otrās kārtas aktīvajam augstfrekvences filtram. Šādā gadījumā tāpat kā pasīvais filtrs tiek pievienots papildu RC filtrs.

Apskatīsim, kā tiek konstruēta otrās kārtas aktīvās augstfrekvences filtru shēma.

Šis ir otrās kārtas filtrs. Attēlā mēs skaidri redzam abus filtrus, kas pievienoti kopā. Šis ir otrās kārtas augstfrekvences filtrs.

Kā redzat, ir viens op-amp. Sprieguma pieaugums ir tāds pats kā iepriekš norādīts, izmantojot divus rezistorus. Tā kā pieauguma formula ir vienāda, ir arī sprieguma pieaugums

Af = (1 + R2 / R1)

Atslēgšanās frekvence ir: -

Mēs varam pievienot augstākas pakāpes aktīvo filtru. Bet ir viens noteikums.

Ja mēs vēlamies izveidot trešās kārtas filtru, mēs varam veikt kaskādes pirmās un otrās kārtas filtru.

Tas pats, kas divos Otrās kārtas filtros, izveido ceturtās kārtas filtru, un šīs summas katru reizi tiek summētas.

Aktīvās augstfrekvences filtru kaskādē var izdarīt šādi: -

Jo vairāk op-amp pievienots, jo lielāks pieaugums. Skatīt iepriekšējo attēlu. Skaitļi, kas ierakstīti op-amp, atspoguļo pasūtījuma pakāpi. Patīk 1 = 1. kārtas posms, 2 = 2. kārtas posms. Katru reizi, kad tiek pievienots posms, tiek pievienots arī pieauguma lielums, ko katram posmam pievieno 20dB / desmitgade. Tāpat kā pirmajā posmā tas ir 20 dB / desmitgade, 2. posmā tas ir 20 dB + 20 dB = 40 dB desmitgadē utt. Katrs pāra skaitļu filtrs sastāv no otrās kārtas filtriem, katrs nepāra skaitlis sastāv no pirmās kārtas un otrās kārtas filtra, pirmās kārtas filtrs pirmajā pozīciju. Nav ierobežojumu, cik filtru var pievienot, bet pēc tam, kad tiek pievienoti papildu filtri, samazinās filtra precizitāte. Ja RC filtra vērtība, ti, rezistors un kondensatori, ir vienādi katram filtram, tad arī izslēgšanas frekvence būs vienāda, kopējais pieaugums paliek vienāds, jo izmantotie frekvences komponenti ir vienādi.

Pieteikumi

Aktīvo augstfrekvences filtru var izmantot vairākās vietās, kur pasīvo augstfrekvences filtru nevar izmantot pastiprināšanas vai pastiprināšanas procedūras ierobežojumu dēļ. Bez tam aktīvo augstfrekvences filtru var izmantot šādās vietās:

Augstas caurlaidības filtrs tiek plaši izmantots elektronikā.

Šeit ir daži pieteikumi: -

1. Treble izlīdzināšana pirms jaudas pastiprināšanas
2. Augstas frekvences video saistīti filtri.
3. Osciloskops un funkciju ģenerators.
4. Pirms Skaļrunis zemfrekvences trokšņu noņemšanai vai samazināšanai.
5. Frekvences formas maiņa pie cita viļņa no.
6. Treble boost filtri.