Aktīvs zemfrekvences filtrs

Iepriekš mēs aprakstījām pasīvo zemas caurlaidības filtru, šajā apmācībā mēs izpētīsim, kas ir aktīvais zemas caurlaidības filtrs.

Kas tas ir, ķēde, formulas, līkne?

Kā mēs zinām no iepriekšējās apmācības, pasīvais zemfrekvences filtrs darbojas ar pasīvajiem komponentiem. Tikai divi pasīvie komponenti - rezistors un kondensators ir pasīvās zemfrekvences filtru ķēdes atslēga vai sirds. Iepriekšējās apmācībās mēs uzzinājām, ka pasīvie zemas caurlaides filtru darbi notiek bez jebkādiem ārējiem traucējumiem un aktīvas atbildes. Bet tam ir noteikti ierobežojumi.

Pasīvā zemfrekvences filtra ierobežojumi ir šādi: -

1. Ķēdes pretestība rada amplitūdas zudumu. Tātad Vout vienmēr ir mazāks par Vin.
2. Pastiprināšanu nevar veikt tikai ar pasīvu zemfrekvences filtru.
3. Filtra parametri ir ļoti atkarīgi no slodzes pretestības.
4. Ieguvums vienmēr ir vienāds vai mazāks par vienotības pieaugumu.
5. Vairāk filtru pakāpes vai filtru secība palielina amplitūdas zudumu.

Šī ierobežojuma dēļ, ja nepieciešama pastiprināšana, labākais veids, kā pievienot aktīvo komponentu, kas pastiprinās filtrēto izvadi. Šo pastiprinājumu veic operatīvais pastiprinātājs vai op-amp. Tā kā tam nepieciešams sprieguma avots, tas ir aktīvs komponents. Tādējādi nosaukums Active low pass filter.

Tipisks pastiprinātājs piesaista jaudu no ārējā barošanas avota un pastiprina signālu, taču tas ir ļoti elastīgs, jo mēs varam elastīgāk mainīt frekvences joslas platumu. Arī lietotāja vai dizainera izvēle ir izvēlēties aktīvo komponentu tipu atkarībā no prasībām. Tas var būt Fet, Jfet, tranzistors, Op-Amp, kas ietver daudz elastības. Komponenta izvēle ir atkarīga arī no izmaksām un efektivitātes, ja tā paredzēta masveida produkcijas ražošanai.

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

Apskatīsim, kāpēc mums vajadzētu izvēlēties un op-amp, lai izstrādātu aktīvo zemfrekvences filtru: -

1. Augsta ieejas pretestība.

   Augstas ieejas pretestības dēļ ieejas signālu nevarēja iznīcināt vai mainīt. Parasti vai vairumā gadījumu ievades signāls, kas ir ļoti mazs amplitūdā, var tikt iznīcināts, ja to izmanto kā zemas pretestības shēmu. Op-Amp šādos gadījumos ieguva plus punktu.

2. Ļoti zems komponentu skaits. Nepieciešami tikai daži rezistori.
3. Ir pieejams dažāda veida op-amp, atkarībā no pastiprinājuma, sprieguma specifikācijas.
4. Zems trokšņa līmenis.
5. Vieglāk izstrādāt un ieviest.

Bet, tā kā mēs zinām, ka nekas nav pilnīgi ideāls, šim Active filtru dizainam ir arī noteikti ierobežojumi.

Izejas pieaugums un joslas platums, kā arī frekvences reakcija ir atkarīga no op-amp specifikācijas.

Izpētīsim tālāk un sapratīsim, kas tajā ir īpašs.

Aktīvs zemfrekvences filtrs ar pastiprinājumu:

Pirms izprast aktīvo zemfrekvences filtru dizainu ar op-amp, mums mazliet jāzina par pastiprinātājiem. Pastiprinātājs ir palielināmais stikls, tas ražo redzētā kopiju, bet lielākā formā, lai to labāk atpazītu.

Pirmajā pasīvā zemas caurlaidības filtra apmācībā mēs bijām iemācījušies zemās caurlaidības filtru. Zemfrekvences filtrs filtrēja zemu frekvenci un bloķē augstāku maiņstrāvas sinusoidālo signālu. Šis aktīvais zemfrekvences filtrs darbojas tāpat kā pasīvais zemfrekvences filtrs, atšķirība ir tikai tajā, ka tiek pievienots viens papildu komponents, tas ir pastiprinātājs kā op-amp.

Šeit ir vienkāršs zemfrekvences filtru dizains: -

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

Frekvences un sprieguma pieauguma pārtraukšana:

Griezuma frekvences formula ir tāda pati kā izmantota pasīvā zemfrekvences 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 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 + R2 / R3)

Frekvences reakcijas līkne:

Apskatīsim, kāda būs aktīvās zemas caurlaidības filtra vai Bode diagrammas / frekvences reakcijas līknes izeja: -

Šī ir aktīvā zemfrekvences filtra galīgā izeja op-amp neinvertējošajā konfigurācijā. Mēs redzēsim detalizētu paskaidrojumu nākamajā attēlā.

Kā redzam, tas ir identisks pasīvajam zemfrekvences filtram. No sākuma frekvences līdz Fc vai frekvences robežpunktam vai stūra frekvence sāksies no -3dB punkta. Šajā attēlā pieaugums ir 20dB, tātad gaismas frekvence ir 20dB - 3dB = 17dB, kur atrodas fc punkts. Slīpums ir -20dB desmitgadē.

Neatkarīgi no filtra, no sākuma punkta līdz robežfrekvences punktam to sauc par filtra joslas platumu un pēc tam to sauc par caurlaides joslu, no kuras ir atļauta garām ejošā frekvence.

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

Aprēķins ir šāds

db = 20log (Af)

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

Neinvertējoša un apgriezta pastiprinātāja filtra shēma:

Šai sākumā parādītajai aktīvajai zemfrekvences filtru ķēdei ir arī viens ierobežojums. Tās signāla stabilitāti var apdraudēt, ja mainās signāla avota pretestība. Piemēram, samazināt vai palielināt.

Standarta projektēšanas prakse varētu uzlabot stabilitāti, noņemot kondensatoru no ieejas un savienojot to paralēli ar op-amp otro atgriezenisko rezistoru.

Šeit ir ķēde, kas nav invertējoša aktīvā zemas caurlaidības filtrs-

Šajā attēlā, ja mēs to salīdzinām ar sākumā aprakstīto shēmu, mēs varam redzēt, ka kondensatora stāvoklis tiek mainīts ar pretestību saistītai stabilitātei. Šajā konfigurācijā ārējā pretestība neietekmē kondensatoru reaktivitāti, tādējādi uzlabojās stabilitāte.

Tajā pašā konfigurācijā, ja mēs vēlamies apgriezt izejas signālu, mēs varam izvēlēties op-amp apgrieztā signāla konfigurāciju un varētu savienot filtru ar šo apgriezto op-amp.

Šeit ir apgrieztā aktīvā zemfrekvences filtra shēmas ieviešana: -

Tas ir aktīvs zemfrekvences 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.

Aktivitātes zemās caurlaidības filtrs ar vienības pieauguma vai sprieguma sekotāju:

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 tāds pats kā ieeja: 1x. Vin = Vout.

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

Apskatīsim ķēdes dizainu un to, kā konfigurēt op-amp kā sprieguma sekotāju un padarīt vienības pieauguma aktīvo zemas caurlaidības filtru: -

Šajā 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 aktīvais zemfrekvences filtrs. Tas radīs precīzu ieejas signāla kopiju.

Praktisks piemērs ar aprēķinu

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

Specifikācijas: -

1. Ieejas pretestība 10kohms
2. Gain būs 10x
3. Griezes frekvence būs 320Hz

Pirms ķēdes izveidošanas vispirms aprēķināsim vērtību: -

Pastiprinātāja pastiprinājums (līdzstrāvas amplitūda) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

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

Saliekot vērtību kopā, mēs iegūstam

(10) = (1 + R3 / 1)

Mēs aprēķinājām trešā rezistora vērtību 9k.

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

Let 's pārbaudīt vērtību kondensators ja atslēgšanās frekvence ir 320Hz, mēs izvēlējāmies vērtība rezistors ir 4.7K.

fc = 1 / 2πRC

Saliekot visu vērtību kopā, mēs iegūstam: -

Atrisinot šo vienādojumu, kondensatora vērtība ir aptuveni 106nF.

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

20log (Af)

Tā kā op-amp pieaugums ir 10x, lielums dB ir 20log (10). Tas ir 20dB.

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 no 10Hz līdz 1500Hz frekvenci un 10 punktus desmitgadē pie aktīvā zemfrekvences filtra ieejas un turpināsim izpētīt, vai pastiprinātāja izejā robežvērtība ir 320Hz.

Šī ir frekvences reakcijas līkne. Zaļā līnija tiek sākta no 10Hz līdz 1500Hz, jo ieejas signāls tiek piegādāts tikai šim frekvenču diapazonam.

Tā kā mēs zinām, ka stūra frekvence vienmēr būs -3dB no maksimālā pieauguma lieluma. Šeit pieaugums ir 20dB. Tātad, ja mēs uzzināsim, punkts -3dB iegūs precīzu frekvenci, kur filtrs aptur augstākās frekvences.

Mēs iestatām kursoru pie 17 db kā (20dB-3dB = 17dB) stūra frekvences un iegūstam 317.950Hz vai 318Hz, kas ir tuvu 320Hz.

Mēs varam mainīt kondensatora vērtību uz vispārējo kā 100nF, nemaz nerunājot par stūra frekvenci, ko veiks arī daži Hz.

Otrās kārtas aktīvās zemas caurlaides filtrs:

Vienam opampam ir iespējams pievienot vairāk filtru, piemēram, otrās kārtas aktīvo zemfrekvences filtru. Šādā gadījumā tāpat kā pasīvais filtrs tiek pievienots papildu RC filtrs.

Apskatīsim, kā tiek konstruēta otrās kārtas filtru shēma.

Šis ir otrās kārtas filtrs. Iepriekš redzamajā attēlā mēs skaidri redzam abus filtrus, kas pievienoti kopā. Šis ir otrās kārtas filtrs. Tas ir plaši izmantots filtrs, un rūpnieciskais pielietojums ir pastiprinātājs, mūzikas sistēmas shēmas pirms jaudas pastiprināšanas.

Kā redzat, ir viens op-amp. Sprieguma pieaugums ir tāds pats kā iepriekš norādīts, izmantojot divus rezistorus.

(Af) = (1 + R3 / R2)

Griešanas biežums ir

Viena interesanta lieta, kas jāatceras, ja mēs vēlamies pievienot vairāk op-amp, kas sastāv no pirmās kārtas filtriem, pieaugums tiks reizināts ar katru indivīdu. Apjucis? Iespējams, ka shēma mums palīdzēs.

Jo vairāk op-amp pievienots, jo vairāk pieaugums tiek reizināts. Skatīt iepriekšējo attēlu. Šajā attēlā divi op-amp kaskādē ar atsevišķu op-amp. Šajā ķēdē kaskādes op amp, ja pirmajam ir 10x pieaugums, bet otrajam - 5x pieaugums, tad kopējais pieaugums būs 5 x 10 = 50x pieaugums.

Tātad divu op-amp gadījumā kaskādētās op-amp zemfrekvences filtru ķēdes lielums ir: -

dB = 20 log (50)

Atrisinot šo vienādojumu, tas ir 34 dB. Tātad kaskādes op-amp zemfrekvences filtru pastiprināšanas formulas ieguvums ir

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

Kur TdB = kopējais lielums

Šādi tiek uzbūvēts aktīvais zemfrekvences filtrs. Nākamajā apmācībā mēs redzēsim, kā var izveidot aktīvo augstfrekvences filtru. Bet pirms nākamās apmācības apskatīsim, kādas ir aktīvās zemas caurlaides filtra lietojumprogrammas:

Pieteikumi

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

Zemfrekvences filtrs tiek plaši izmantots elektronikā.

Šeit ir daži Active Low Pass Filter filtru pielietojumi: -

1. Basu izlīdzināšana pirms jaudas pastiprināšanas
2. Ar videoklipiem saistīti filtri.
3. Osciloskops
4. Mūzikas vadības sistēma un basu frekvences modulācija, kā arī pirms zemfrekvences un augsto basu audio skaļruņiem basu izejai.
5. Funkciju ģenerators, lai nodrošinātu mainīgu zemas frekvences izeju dažādos sprieguma līmeņos.
6. Frekvences formas maiņa pie cita viļņa no.