Aktiivinen alipäästösuodatin

Aikaisemmin kuvasimme passiivista alipäästösuodatinta, tässä opetusohjelmassa tutkitaan, mikä on aktiivinen alipäästösuodatin.

Mikä se on, piiri, kaavat, käyrä?

Kuten edellisestä opetusohjelmasta tiedämme, passiivinen alipäästösuodatin toimii passiivisten komponenttien kanssa. Vain kaksi passiivikomponenttia, vastus ja kondensaattori, ovat passiivisen alipäästösuodatinpiirin avain tai sydän. Opimme edellisistä oppaista, että passiiviset alipäästösuodattimet toimivat ilman ulkoista keskeytystä tai aktiivista vastausta. Mutta sillä on tiettyjä rajoituksia.

Passiivisen alipäästösuodattimen rajoitukset ovat seuraavat: -

1. Piirin impedanssi aiheuttaa amplitudihäviön. Joten Vout on aina pienempi kuin Vin.
2. Vahvistusta ei voida tehdä vain passiivisella alipäästösuodattimella.
3. Suodattimen ominaisuudet ovat suuresti luotettavia kuorman impedanssilla.
4. Voitto on aina yhtä suuri tai pienempi kuin ykseysvoitto.
5. Lisää suodatinvaiheet tai suodatusjärjestys lisäsivät amplitudihäviön pienemmäksi.

Tämän rajoituksen vuoksi, jos vahvistusta tarvitaan, paras tapa lisätä aktiivinen komponentti, joka vahvistaa suodatettua lähtöä. Tämä vahvistus tehdään operatiivisella vahvistimella tai op-vahvistimella. Koska tämä edellyttää jännitelähdettä, se on aktiivinen komponentti. Siten nimi Aktiivinen alipäästösuodatin.

Tyypillinen vahvistin käyttää virtaa ulkoisesta virtalähteestä ja vahvistaa signaalia, mutta se on erittäin joustava, koska voimme muuttaa taajuuskaistanleveyttä joustavammin. Lisäksi käyttäjän tai suunnittelijan on valittava minkä tyyppinen aktiivinen komponentti valitaan vaatimusten mukaan. Se voi olla Fet, Jfet, Transistor, Op-Amp, jotka sisältävät paljon joustavuutta. Komponentin valinta riippuu myös kustannuksista ja tehokkuudesta, jos se on suunniteltu massatuotetuotteelle.

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

Katsotaanpa, miksi meidän pitäisi valita ja op-amp suunnitella aktiivinen alipäästösuodatin: -

1. Suuri tuloimpedanssi.

   Suuren tuloimpedanssin takia tulosignaalia ei voitu tuhota tai muuttaa. Yleensä tai useimmissa tapauksissa hyvin pienen amplitudin tulosignaali voidaan tuhota, jos sitä käytetään matalan impedanssin piirinä. Op-Amp sai plus-pisteen tällaisissa tapauksissa.

2. Erittäin pieni komponenttien määrä. Vain muutamia vastuksia tarvitaan.
3. Erilaisia ​​op-vahvistimia on saatavana riippuen vahvistuksesta, jännitespesifikaatiosta.
4. Matala ääni.
5. Helpompi suunnitella ja toteuttaa.

Mutta koska tiedämme, että mikään ei ole täysin täydellistä, tällä Active-suodatinmallilla on myös tiettyjä rajoituksia.

Lähtövahvistus ja kaistanleveys sekä taajuusvaste ovat luotettavia op-amp-määrityksestä.

Tutkitaan edelleen ja ymmärretään, mikä siinä on erityistä.

Aktiivinen alipäästösuodatin vahvistuksella:

Ennen kuin ymmärrämme aktiivisen alipäästösuodattimen suunnittelun op-amp: lla, meidän on tiedettävä vähän vahvistimista. Vahvistus on suurennuslasi, se tuottaa kopion näkemistämme, mutta isommassa muodossa tunnistamaan sen paremmin.

Ensimmäisessä passiivisen alipäästösuodattimen opetusohjelmassa olimme oppineet alipäästösuodattimen. Alipäästösuodatin suodattaa matalan taajuuden ja estää korkeamman AC-sinimuotoisen signaalin. Tämä aktiivinen alipäästösuodatin toimii samalla tavalla kuin passiivinen alipäästösuodatin, ainoa ero on, että tähän lisätään yksi ylimääräinen komponentti, se on vahvistin op-vahvistimena.

Tässä on yksinkertainen alipäästösuodatinrakenne: -

Tämä on aktiivisen alipäästösuodattimen kuva. Tässä rikkomusviiva näyttää meille perinteisen passiivisen alipäästöisen RC-suodattimen, jonka näimme edellisessä opetusohjelmassa.

Katkaise taajuus ja jännitteen vahvistus:

Katkaisutaajuuskaava on sama kuin passiivisessa alipäästösuodattimessa.

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 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 + R2 / R3)

Taajuusvastekäyrä:

Katsotaanpa, mikä on aktiivisen alipäästösuodattimen o- ulostulo tai Bode-käyrän / taajuuden vastekäyrä: -

Tämä on aktiivisen alipäästösuodattimen viimeinen lähtö op-amp: n ei-käänteisessä kokoonpanossa. Näemme yksityiskohtaisen selityksen seuraavassa kuvassa.

Kuten näemme, tämä on identtinen passiivisen alipäästösuodattimen kanssa. Alkutaajuudesta Fc: hen tai taajuuden katkaisupisteeseen tai kulmataajuus alkaa -3dB- pisteestä. Vahvistus on 20dB tässä kuvassa, joten rajataajuus on 20dB - 3dB = 17dB missä fc-piste sijaitsee. Kaltevuus on -20dB vuosikymmenessä.

Suodattimesta riippumatta sitä kutsutaan aloituspisteestä raja-taajuuspisteeseen suodattimen kaistanleveydeksi ja sen jälkeen sitä kutsutaan päästökaistaksi, josta ohitustaajuus on sallittu.

Voimme laskea suuruusvahvistuksen muuntamalla op-amp-jännitteen vahvistus.

Laskelma on seuraava

db = 20log (Af)

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

Ei-invertoiva ja käänteinen vahvistimen suodatinpiiri:

Tällä aktiivisella alipäästösuodatinpiirillä, joka on esitetty alussa, on myös yksi rajoitus. Sen vakaus voi vaarantua, jos signaalilähteen impedanssi muuttuu. Esim. Lasku tai kasvu.

Tavallinen suunnittelukäytäntö voisi parantaa vakautta poistamalla kondensaattorin tulosta ja kytkemällä sen rinnakkain op-amp-toisen takaisinkytkentävastuksen kanssa.

Tässä on piiri, joka ei ole invertoiva aktiivinen alipäästösuodatin-

Tässä kuvassa, jos verrataan tätä alussa kuvattuun piiriin, voimme nähdä, että kondensaattorin asemaa muutetaan impedanssiin liittyvän vakauden vuoksi. Tässä kokoonpanossa ulkoinen impedanssi ei vaikuta kondensaattoreiden reaktanssiin, joten vakaus parani.

Samalla kokoonpanolla, jos haluamme kääntää lähtösignaalin, voimme valita op-vahvistimen käänteissignaalikonfiguraation ja voimme liittää suodattimen siihen käänteiseen op-vahvistimeen.

Tässä on käännetyn aktiivisen alipäästösuodattimen piiritoteutus: -

Se on aktiivinen alipäästösuodatin 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.

Unity Gain- tai Voltage-seuraajan aktiivinen alipäästösuodatin:

Tähän asti tässä kuvattua piiriä käytetään jännitteen vahvistamiseen ja vahvistuksen jälkeiseen tarkoitukseen.

Voimme tehdä sen käyttämällä yhtenäisyysvahvistinta, mikä tarkoittaa, että lähtö amplitudi tai vahvistus on sama kuin tulo: 1x. Vin = Vout.

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

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

Tässä kuvassa 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 alipäästösuodatin. Se tuottaa tarkan kopion tulosignaalista.

Käytännön esimerkki laskennalla

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

Tekniset tiedot: -

1. Tulon impedanssi 10kohm
2. Vahvistus on 10x
3. Katkaisutaajuus on 320 Hz

Lasketaan arvo ensin ennen piirien tekemistä: -

Vahvistimen vahvistus (DC-amplitudi) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

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

Laittamalla arvo yhteen saamme

(10) = (1 + R3 / 1)

Laskimme kolmannen vastuksen arvon 9k.

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

Katsotaan tarkistaa arvoa kondensaattorin jos rajataajuus on 320Hz, me valittu arvo vastus on 4.7k.

fc = 1 / 2πRC

Laittamalla kaikki arvot yhteen saamme: -

Ratkaisemalla tämä yhtälö saadaan kondensaattorin arvo noin 106nF.

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

20log (Af)

Koska op-amp: n vahvistus on 10x, suuruus dB: ssä on 20log (10). Tämä on 20dB.

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 - 1 500 Hz taajuuden ja 10 pistettä vuosikymmenessä aktiivisen alipäästösuodattimen tulossa ja tutkimme tarkemmin, onko rajataajuus 320 Hz vai ei vahvistimen ulostulossa.

Tämä on taajuusvastekäyrä. Vihreä viiva aloitetaan välillä 10Hz - 1500Hz, koska tulosignaali syötetään vain tälle taajuusalueelle.

Koska tiedämme, että kulmataajuus on aina -3dB Suurimman vahvistuksen suuruudesta. Tässä vahvistus on 20dB. Joten, jos saamme selville, -3dB piste saa tarkan taajuuden, jossa suodatin pysäyttää korkeammat taajuudet.

Asetamme kohdistimen 17 db: ksi (20dB-3dB = 17dB) kulmataajuudeksi ja saamme 317.950Hz tai 318Hz, joka on lähellä 320Hz.

Voimme muuttaa kondensaattorin arvon yleiseksi arvoksi 100nF emmekä mainitse, että kulmataajuus myös muutamalla Hz: llä.

Toisen asteen aktiivinen alipäästösuodatin:

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

Katsotaanpa, kuinka toisen kertaluvun suodatinpiiri rakennetaan.

Tämä on toisen asteen suodatin. Yllä olevassa kuvassa näemme selvästi kaksi suodatinta yhdistettynä. Tämä on toisen kertaluvun suodatin. Se on laajalti käytetty suodatin ja teollinen sovellus on vahvistin, musiikkijärjestelmäpiiri ennen tehovahvistusta.

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

(Af) = (1 + R3 / R2)

Katkaisutaajuus on

Yksi mielenkiintoinen asia muistaa, jos haluamme lisätä lisää op-ampia, joka koostuu ensimmäisen asteen suodattimista, voitto kerrotaan jokaisella yksilöllä. Hämmentynyt? Voi olla kaavio auttaa meitä.

Mitä enemmän op-amp lisätään, sitä enemmän voitto kerrotaan. Katso yllä oleva kuva. Tässä kuvassa kaksi op-vahvistinta kaskadoituna yksittäisen op-vahvistimen kanssa. Tässä piirissä kaskadoitu op-vahvistin, jos ensimmäisellä on 10-kertainen vahvistus ja toisella 5-kertainen vahvistus, kokonaisvahvistus on 5 x 10 = 50-kertainen vahvistus.

Joten, kaskadoidun op-amp-alipäästösuodatinpiirin suuruus kahden op-vahvistimen tapauksessa on: -

dB = 20 log (50)

Ratkaisemalla tämä yhtälö se on 34dB. Joten kaskadisen op-amp-alipäästösuodattimen vahvistuskaavan vahvistus on

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

Missä TdB = kokonaismäärä

Näin rakennetaan aktiivinen alipäästösuodatin. Seuraavassa opetusohjelmassa näemme, kuinka aktiivinen ylipäästösuodatin voidaan rakentaa. Mutta ennen seuraavaa opetusohjelmaa katsotaan, mitkä ovat aktiivisen alipäästösuodattimen sovellukset: -

Sovellukset

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

Alipäästösuodatin on laajalti käytetty piiri elektroniikassa.

Tässä on muutama aktiivisen alipäästösuodattimen sovellus: -

1. Basson tasaus ennen tehovahvistusta
2. Videoihin liittyvät suodattimet.
3. Oskilloskooppi
4. Musiikin ohjausjärjestelmä ja bassotaajuusmodulaatio sekä ennen bassokaiutinta ja korkean basson audiokaiuttimia basson ulostuloon.
5. Toimintogeneraattori tarjoaa vaihtelevan matalataajuisen ulostulon eri jännitetasolla.
6. Taajuuden muodon muuttaminen eri aallolla kuin.