Aktiivinen ylipäästösuodatin

Aikaisemmin kuvattiin passiivisesta ylipäästösuodattimesta ja aktiivisesta alipäästösuodattimesta, nyt on aika aktiiviselle ylipäästösuodattimelle. Tutkitaan, mikä on aktiivinen ylipäästösuodatin.

Mikä se on, piiri, kaavat, käyrä?

Sama kuin passiivinen alipäästösuodatin, passiivinen ylipäästösuodatin toimii passiivisten komponenttien, vastuksen ja kondensaattorin kanssa. Opimme edellisestä passiivisesta ylipäästösuodattimesta, että se toimii ilman ulkoista keskeytystä tai aktiivista vastetta.

Jos lisäämme vahvistimen passiivisen ylipäästösuodattimen yli, voimme helposti luoda aktiivisen ylipäästösuodattimen. Vahvistinkokoonpanoa muuttamalla voimme muodostaa myös erityyppisiä ylipäästösuodattimia, käänteisiä tai käänteisiä tai yhtenäisyysvahvistuksen aktiivisia ylipäästösuodattimia.

Yksinkertaisuuden, aikatehokkuuden ja myös kasvavien tekniikoiden vuoksi op-amp-suunnittelussa käytetään yleensä op-vahvistinta aktiivisen suodattimen suunnittelussa.

Passiivisessa ylipäästösuodattimessa taajuusvaste on ääretön. Mutta käytännön skenaariossa se riippuu suuresti komponenteista ja muista tekijöistä, tässä aktiivisen ylipäästösuodattimen tapauksessa op-amp-kaistanleveys on aktiivisen ylipäästösuodattimen tärkein rajoitus. Tämä tarkoittaa, että suurin taajuus kulkee vahvistimen vahvistuksen ja op-amp: n avoimen silmukan ominaisuuden mukaan.

Tutkitaan muutamia yleisiä avoimen silmukan DC-jännitteen vahvistuksia.

Op-amp	Kaistanleveys (dB)	Suurin taajuus
LM258	100	1MHz
uA741	100	1MHz
RC4558D	35	3MHz
TL082	110	3MHz
LM324N	100	1MHz

Tämä on pieni luettelo yleisestä op-vahvistimesta ja jännitteen vahvistuksesta. Jännitevahvistus on myös suurelta osin riippuvainen signaalin taajuudesta ja op-amp: n tulojännitteestä ja siitä, kuinka paljon vahvistusta siihen op-ampiin käytetään.

Tutkitaan edelleen ja ymmärretään, mikä siinä on erityistä: -

Tässä on yksinkertainen ylipäästösuodatinrakenne: -

Tämä on kuva aktiivisesta ylipäästösuodattimesta. Tässä rikkomusviiva näyttää meille perinteisen passiivisen ylipäästö-RC-suodattimen, jonka näimme edellisessä opetusohjelmassa.

Katkaise taajuus ja jännitteen vahvistus:

Katkaisutaajuuskaava on sama kuin passiivisessa ylipäästösuodattimessa.

fc = 1 / 2πRC

Kuten edellisessä opetusohjelmassa on kuvattu, fc on rajataajuus ja R on vastuksen arvo ja C on kondensaattorin arvo.

Kaksi op-vahvistimen positiiviseen solmuun kytkettyä vastusta ovat takaisinkytkentävastuksia. Kun nämä vastukset on kytketty op-vahvistimen positiiviseen solmuun, sitä kutsutaan ei-käänteiseksi kokoonpanoksi. Nämä vastukset ovat vastuussa vahvistuksesta tai vahvistuksesta.

Voimme myös helposti laskea vahvistimen vahvistuksen seuraavilla yhtälöillä, joissa voimme valita vastaavan vastuksen arvon vahvistuksen mukaan tai se voi olla päinvastoin: -

Vahvistimen vahvistus (DC-amplitudi) (Af) = (1 + R3 / R2)

Taajuusvastekäyrä:

Katsotaanpa, mikä on aktiivisen ylipäästösuodattimen tai Bode-käyrän / taajuuden vastekäyrän lähtö: -

Tämä on op-amp: n ja vahvistimen poikki kytketyn suodattimen vahvistuskäyrä.

Tämä vihreä käyrä näyttää signaalin vahvistetun lähdön ja punainen näyttää ilman vahvistettua lähtöä passiivisen ylipäästösuodattimen yli.

Jos näemme käyrän tarkemmin, löydämme alla olevat pisteet tämän bode-juonen sisällä: -

Punainen käyrä kasvaa nopeudella 20 dB / vuosikymmen ja raja-alueella suuruus on -3 dB, joka on 45 asteen vaihemarginaali.

Kuten aiemmin keskusteltiin, op-vahvistimen suurin taajuusvaste on hyvin yhteydessä sen vahvistukseen tai kaistanleveyteen (kuten kutsutaan avoimen silmukan vahvistukseksi Av).

Ennen kuin olemme nähneet tyypillisen yleisen op-amp: n, kuten uA741, LM324N: llä on 100 dB: n suurin avoimen silmukan vahvistus, joka pienenee -20 dB: n roll-off-nopeudella vuosikymmenen aikana, jos tulotaajuus kasvaa. Suurin tulotaajuus, jota LM324N, uA741 tukee, on 1 Mhz, mikä on yksikönvahvistuksen kaistanleveys tai taajuus. Tällä taajuudella vastaava op-amp tuottaa 0dB: n vahvistuksen tai ykseysvahvistuksen, joka pienenee 20dB / vuosikymmen.

Joten se ei ole loputon, 1 MHz: n jälkeen vahvistus pienenee -20dB / vuosikymmenellä. Aktiivisen ylipäästösuodattimen kaistanleveys riippuu suuresti op-vahvistimen kaistanleveydestä.

Voimme laskea suuruusvahvistuksen muuntamalla op-amp-jännitteen vahvistus.

Laskelma on seuraava: -

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

Tämä Af voi olla Dc-vahvistus, jonka kuvasimme aiemmin laskemalla vastuksen arvo tai jakamalla Vout Vin: llä.

Voimme myös saada jännitevahvistuksen suodattimelle (f) ja katkaisutaajuudelle (fc) syötetystä taajuudesta. Jännitevahvistuksen johtaminen näistä kahdesta on hyvin yksinkertaista käyttämällä tätä kaavaa =

Jos asetamme f: n ja fc: n arvon, saamme halutun jännitevahvistuksen suodattimen yli.

Käänteinen vahvistimen suodatinpiiri:

Voimme myös rakentaa suodattimen käänteisessä muodossa.

Vaihemarginaali voidaan saada seuraavalla yhtälöllä.

Vaihesiirtymä on sama kuin passiivisessa ylipäästösuodattimessa. Se on +45 astetta fc: n rajataajuudella.

Tässä on käännetyn aktiivisen ylipäästösuodattimen piiritoteutus: -

Se on aktiivinen ylipäästösuodatin käänteisessä kokoonpanossa. Op-amp on kytketty käänteisesti. Edellisessä osassa tulo kytkettiin op-amp: n positiivisen tulotapin yli ja op-amp: n negatiivista nastaa käytetään palautepiirien tekemiseen. Täällä piiri kääntyi. Positiivinen tulo kytketty maadoitusviitteeseen ja kondensaattori ja takaisinkytkentävastus on kytketty op-amp-negatiivisen tulotapin yli. Tätä kutsutaan käänteiseksi op-amp-konfiguraatioksi ja lähtösignaali käännetään päinvastoin kuin tulosignaali.

Vastus R1 toimii passiivisen suodattimen roolina ja myös vahvistusvastuksena molemmat kerralla.

Unity Gain- tai Voltage-seuraajan aktiivinen ylipäästösuodatin:

Tähän asti tässä kuvattua piiriä käytetään jännitteen vahvistamiseen ja jälkivahvistukseen.

Voimme tehdä sen käyttämällä yhtenäisyysvahvistinta, mikä tarkoittaa, että lähdön amplitudi tai vahvistus on 1x. Vin = Vout.

Puhumattakaan, se on myös op-amp-konfiguraatio, jota usein kuvataan jännitteen seuraajakonfiguraatioksi, jossa op-amp luo tarkan kopion tulosignaalista.

Katsotaanpa piirin suunnittelu ja kuinka määrittää op-vahvistin jännitteen seuraajaksi ja tehdä yhtenäisyysvahvistus aktiiviseksi ylipäästösuodattimelle: -

Tässä kuvassa kaikki on identtistä ensimmäisessä kuvassa käytetyn vahvistusvahvistimen kanssa. op-vahvistimen takaisinkytkentävastukset poistetaan. Vastuksen sijasta op-vahvistimen negatiivinen tulotappi on kytketty suoraan lähtö-op-vahvistimeen. Tätä op-amp-kokoonpanoa kutsutaan jännitteen seuraajakokoonpanoksi. Vahvistus on 1x. Se on yhtenäisyyden vahvistuksen aktiivinen ylipäästösuodatin. Se tuottaa tarkan kopion tulosignaalista.

Käytännön esimerkki laskennalla

Suunnittelemme aktiivisen ylipäästösuodattimen piirin ei-invertoivassa op-amp-kokoonpanossa.

Tekniset tiedot: -

1. Vahvistus on 2x
2. Katkaisutaajuus on 2KHz

Lasketaan arvo ensin ennen piirien tekemistä: -

Vahvistimen vahvistus (DC-amplitudi) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 2

R2 = 1k (Meidän on valittava yksi arvo; valitsimme 1k laskennan monimutkaisuuden vähentämiseksi).

Laittamalla arvo yhteen saamme

(2) = (1 + R3 / 1)

Laskimme kolmannen vastuksen (R3) arvon 1k.

Nyt meidän on laskettava vastuksen arvo rajataajuuden mukaan. Koska aktiivinen ylipäästösuodatin ja passiivinen ylipäästösuodatin toimivat samalla tavalla, taajuuden raja-kaava on sama kuin aiemmin.

Tarkistetaan kondensaattorin arvo, jos rajataajuus on 2KHz, valitsimme kondensaattorin arvon 0,01uF tai 10nF.

fc = 1 / 2πRC

Laittamalla kaikki arvot yhteen saamme: -

2000 = 1 / 2π * 10 * 10 ^-9

Ratkaisemalla tämä yhtälö saadaan vastuksen arvo noin 7,96.

Lähin arvo valitaan tästä vastuksesta 8 k ohmia.

Seuraava vaihe on laskea voitto. Vahvistuksen kaava on sama kuin passiivinen ylipäästösuodatin. Vahvistuksen tai suuruuden kaava desibeleinä on seuraava: -

Koska op-amp: n vahvistus on 2x. Joten Af on 2.

fc on katkaistu taajuus, joten fc: n arvo on 2Khz tai 2000Hz.

Nyt muuttamalla taajuutta (f) saamme vahvistuksen.

Taajuus (f)	Jännitteen vahvistus (Af) (Vout / Vin)	Vahvistus (dB) 20 log (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
10000	1.96	5.85
50000	2	6.01
100 000	2	6.02

Tässä taulukossa 100 Hz: n tahdista vahvistusta lisätään peräkkäin 20 dB / vuosikymmenellä, mutta kun rajataajuus on saavutettu, vahvistus kasvaa hitaasti 6,02 dB: iin ja pysyy vakiona.

Yksi asia muistuttaa, että op-vahvistimen voitto on 2x. Tästä syystä katkaisutaajuus on: -3dB - 0dB (1x voitto) - + 3dB (2x vahvistus)

Nyt kun olemme jo laskeneet arvot, on aika rakentaa piiri. Lisätään kaikki yhteen ja rakennetaan piiri: -

Rakensimme piirin aiemmin laskettujen arvojen perusteella. Tarjoamme 10 Hz - 100 kHz taajuuden ja 10 pistettä vuosikymmenessä aktiivisen ylipäästösuodattimen tulossa ja tutkimme tarkemmin, onko rajataajuus 2000 Hz vai ei vahvistimen ulostulossa.

Tämä on taajuusvastekäyrä. Vihreä viiva edustaa suodattimen vahvistettua ulostuloa, joka on 2 x vahvistus. Ja punainen viiva, joka edustaa suodattimen vastetta vahvistimen tulossa.

Asetamme kohdistin 3dB nurkassa taajuus ja saada 2,0106 kHz tai 2 kHz.

Kuten on kuvattu ennen passiivisen suodattimen vahvistusta -3dB, mutta kun op-amp-piirien kaksinkertainen vahvistus lisätään suodatetun ulostulon yli, raja-arvo on nyt 3dB, kun 3dB lisätään kaksi kertaa.

Lasketaan ja lisätään lisää suodattimia yhteen Op-vahvistimeen

On mahdollista lisätä lisää suodattimia yhteen op-amp: iin, kuten toisen asteen aktiivinen ylipäästösuodatin. Tällöin, kuten passiivinen suodatin, lisätään ylimääräinen RC-suodatin.

Katsotaanpa, kuinka toisen asteen aktiivinen ylipäästösuodatinpiiri rakennetaan.

Tämä on toisen asteen suodatin. Kuvassa näemme selvästi kaksi suodatinta yhdistettynä. Tämä on toisen kertaluvun ylipäästösuodatin.

Kuten näette, on yksi op-amp. Jännitevahvistus on sama kuin aiemmin ilmoitettiin käyttämällä kahta vastusta. Koska vahvistuskaava on sama, jännitteen vahvistus on

Af = (1 + R2 / R1)

Katkaisutaajuus on: -

Voimme lisätä korkeamman asteen ylipäästöaktiivisen suodattimen. Mutta on yksi sääntö.

Jos haluamme tehdä kolmannen asteen suodattimen, voimme kaskada ensimmäisen ja toisen asteen suodattimen.

Sama kuin kaksi Second-order-suodatinta, luo neljännen asteen suodatin ja nämä summat lisätään joka kerta.

Porrastettu aktiivinen ylipäästösuodatin voidaan tehdä seuraavasti: -

Mitä enemmän op-amp lisätään, sitä enemmän vahvistusta lisätään. Katso yllä oleva kuva. Op-amp: iin kirjoitetut numerot edustavat tilausvaihetta. Kuten 1 = 1. asteen vaihe, 2 = 2. asteen vaihe. Joka kerta, kun vaihe lisätään, vahvistuksen suuruus lisätään myös 20dB / vuosikymmenellä kullekin vaiheelle. Kuten ensimmäisessä vaiheessa se on 20dB / vuosikymmen, 2. vaiheessa on 20dB + 20dB = 40dB vuosikymmenessä jne. Jokainen parillinen luku suodatin koostuu toisen kertaluvun suodattimista, jokainen pariton luku koostuu ensimmäisen ja toisen kertaluvun suodattimesta, ensimmäisen asteen suodatin asentoon. Siihen, kuinka monta suodatinta voidaan lisätä, ei ole rajoituksia, mutta suodattimen tarkkuus heikkenee, kun ylimääräisiä suodattimia lisätään myöhemmin. Jos RC-suodattimen arvo eli vastus ja kondensaattorit ovat samat kullekin suodattimelle, myös rajataajuus on sama, kokonaisvahvistus pysyy samana, koska käytetyt taajuuskomponentit ovat samat.

Sovellukset

Aktiivista ylipäästösuodatinta voidaan käyttää useissa paikoissa, joissa passiivista ylipäästösuodatinta ei voida käyttää vahvistuksen tai vahvistuksen rajoittamisen vuoksi. Sen lisäksi aktiivista ylipäästösuodatinta voidaan käyttää seuraavissa paikoissa: -

Ylipäästösuodatinta käytetään laajalti elektroniikassa.

Tässä on muutama sovellus: -

1. Diskanttitasaus ennen tehovahvistusta
2. Suurtaajuiset videoihin liittyvät suodattimet.
3. Oskilloskooppi ja toimintageneraattori.
4. Ennen Kaiutin matalataajuisen melun poistamiseksi tai vähentämiseksi.
5. Taajuuden muodon muuttaminen eri aallolla kuin.
6. Diskantin tehosuodattimet.