ข้อดีของตัวกรอง Sallen-Key เหนือตัวกรองลำดับที่สองปกติคืออะไร


11

Wikipedia ลิงก์ไปที่ตัวกรอง Sallen-Key เป็น low pass ที่แอ็คทีฟดังนั้นฉันจึงลองใช้กับ LTSpice

การตอบสนองความถี่และการตอบสนองเฟสไม่เชิงเส้น แต่การตอบสนองความถี่จะเพิ่มสูงขึ้นหลังจาก 10kHz ทำไมเป็นเช่นนั้นและทำไมฉันถึงต้องใช้ตัวกรอง Sallen-Key แทนที่จะเป็นตัวกรองสัญญาณความถี่ต่ำ "ปกติ"

Sallen-Key อยู่บนเส้นสีน้ำเงิน

วงจรไฟฟ้า

การตอบสนองความถี่


4
คำสั่งที่สอง "ปกติ" ของคุณดูเหมือนจะเป็นคู่ของตัวกรองคำสั่งซื้อที่เรียงซ้อน มันจะถูก overamped เสมอ Sallen & Key ช่วยควบคุมปัจจัยการทำให้หมาด ๆ ได้อย่างเต็มที่ และสูงกว่า 10kHz คุณหมดแบนด์วิธที่เพิ่มขึ้นจาก LM324 โบราณ
Brian Drummond

คำตอบ:


27

สิ่งที่คุณเรียกว่า "ปกติ" เป็นตัวกรอง RC สองขั้นตอนที่มีการเลือกไม่ดีมาก (สองขั้วจริงเท่านั้น) ในทางตรงกันข้าม. Sallen-Key topology มีความสามารถในการสร้างการตอบสนอง lowpass ลำดับที่สองที่มีการเลือกที่ดีกว่ามาก (ขั้วที่สูงขึ้น Qp) และการประมาณค่าต่าง ๆ ที่เป็นไปได้ (Butterworth, Chebyshev, Thomson-Bessel, ... )

อย่างไรก็ตามมีข้อเสียอย่างใหญ่หลวงของโครงสร้าง Sallen-Key - หากเปรียบเทียบกับโครงสร้างตัวกรองที่ใช้งานอื่น ๆ (ข้อเสนอแนะแบบหลายตัวกรอง GIC สถานะตัวแปร ... ): มีเส้นทางตรง (ในตัวอย่างของคุณ: C4 ) จากเครือข่ายอินพุตไปยังเอาต์พุต opamp

นั่นหมายความว่า: สำหรับความถี่ที่มีขนาดใหญ่กว่าความถี่ที่ตัดออกแรงดันเอาต์พุตจาก opamp นั้น - ตามที่ต้องการ - ต่ำมาก อย่างไรก็ตามมีสัญญาณเข้ามาโดยตรงผ่านทาง C4 ซึ่งสร้างสัญญาณเอาต์พุตที่ความต้านทานเอาต์พุต จำกัด ของ opamp และความต้านทานนี้เพิ่มขึ้นตามความถี่!

ดังนั้นตัวละครที่ทำให้หมาด ๆ ของตัวกรองนี้จึงไม่ดีเท่าที่ควร และนั่นคือสิ่งที่คุณสังเกตเห็น: ขนาดจะแสดงลักษณะที่เพิ่มขึ้นสำหรับความถี่ที่มากขึ้น (การทำให้หมาด ๆ ที่ไม่พึงประสงค์นี้ไม่ได้เกิดจากข้อ จำกัด ของผลิตภัณฑ์ที่ได้รับแบนด์วิดท์)

การปรับปรุง: สถานการณ์สามารถปรับปรุงได้โดยการปรับค่าชิ้นส่วน: ตัวเก็บประจุที่เล็กกว่าและค่าตัวต้านทานที่ใหญ่ขึ้น

ความคิดเห็นที่ 1 : คุณสมบัติที่ไม่พึงประสงค์ของวงจร opamp ใด ๆ ที่มีตัวเก็บประจุแบบป้อนกลับ (ระหว่างเอาท์พุทและวงจรอินพุต) สามารถสังเกตได้เช่นกันสำหรับผู้รวบรวม MILLER คลาสสิก

ความคิดเห็นที่ 2:ดังนั้น - มีข้อดีใด ๆ ที่ตัวกรอง Sallen-Key มีเมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้างตัวกรองที่ใช้งานอยู่หรือไม่ ใช่แล้วล่ะ. ลองเปรียบเทียบโทโพโลยีที่ใช้บ่อยสองรายการ:

(1) Sallen-Key มีตัวเลข "ความไวต่อการเคลื่อนไหว" ที่ต่ำมาก (ความไวต่อ opamp ที่ไม่ใช่อุดมคติ) และตัวเลข "ความไวที่แฝงตัว" ค่อนข้างสูง (ความไวต่อความอดทนต่อการแฝง)

(2) ตัวกรองหลายข้อเสนอแนะ (MF): ตัวเลข "ความไวที่ใช้งาน" สูงและตัวเลข "ความไวที่แฝง" ต่ำ

ความไวทั้งสองเป็นคุณสมบัติที่สำคัญของตัวกรองทั้งหมดเพราะจะพิจารณาความเบี่ยงเบนระหว่างการตอบสนองของตัวกรองที่ต้องการและที่แท้จริง (ภายใต้เงื่อนไข IDEAL ทุกประเภทตัวกรองจะมีคุณสมบัติประสิทธิภาพที่เหมือนกัน)


ตอนนี้คุณได้เพิ่ม "สถานการณ์สามารถปรับปรุงได้โดยการปรับค่าชิ้นส่วน: ตัวเก็บประจุขนาดเล็กและค่าตัวต้านทานที่ใหญ่ขึ้น" ฉันสามารถโหวตคำตอบของคุณได้อย่างสบายใจ :)
Enric Blanco

'สิ่งนี้ไม่ได้เกิดจากข้อ จำกัด ของผลิตภัณฑ์ที่ได้รับแบนด์วิดท์' - ความต้านทานเอาต์พุตของระบบวงปิดนั้นถูกกำหนดโดยตรงจากอัตราขยายดังนั้นฉันคิดว่าการเชื่อมต่อนั้นแรงกว่าที่คุณแนะนำ หาก GBW สูงกว่าจุดผันในการตอบสนองก็จะสูงขึ้นเช่นกัน
user3125280

ฉันไม่ได้พูดถึงผลิตภัณฑ์ GBW เลย เอฟเฟกต์ที่ฉันได้กล่าวมานั้นมีสาเหตุมาจากคุณสมบัติ lowpass (ต้องการ) (ลดสัญญาณ opamp output) และ - ในเวลาเดียวกัน - การมีส่วนร่วมที่เพิ่มขึ้นของเส้นทางตรงระหว่างอินพุตและเอาต์พุต (ผ่านตัวเก็บประจุป้อนกลับ)
LvW

มีหนึ่งประโยคในคำตอบซึ่งแสดงว่าเอาต์พุต opamp ที่ลดลงนั้นไม่ได้เกิดจากผลิตภัณฑ์ GBW ที่ จำกัด นั่นเป็นเพียงส่วนเดียวที่ไม่ทำให้ฉัน
เชื่อใจใน

เอาท์พุท opamp ที่ลดลงเป็นผลมาจากฟังก์ชั่น lowpass ที่ต้องการ
LvW

3

ที่ความถี่สูงมากเช่นสูงกว่า UnityGainBandWidth opamp สูญเสียการควบคุม Vout ขอให้สังเกตว่าการย้อนกลับของ lowpass ขั้วเดี่ยวนี้มีการตอบสนองแบบ Non-INVERTING กับพัลส์อินพุตอย่างรวดเร็ว Cfeedback อนุญาตให้อินพุตอินพุตปรากฏโดยตรงบนเอาต์พุต

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

นี่คือวงจรและ OpAmp params: ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

เหตุผลเดียวที่ BODE (ภาพหน้าจอที่สอง) มีการลดทอนที่ความถี่สูงกว่าคือ 'CL' 15pF สร้าง LowPass ที่มีตัวต้านทาน 2 ตัวใน VirtualGround [ถ้าคุณต้องการการลดทอนความถี่สูงที่ดีกว่าให้ติดตั้งฝา 470pF ลงกราวด์ตรงกลางของตัวต้านทานอินพุต 2 ตัว]

คุณจะสนุกโดยการแก้ไข Amplifiers ROUT และด้วยการเปิดใช้งานตัวเก็บประจุตัวกรองอินพุต และทำการแก้ไข 15pF Cload

ตัวอย่างนี้เป็นหนึ่งใน BUILTIN (ไม่จำเป็นต้องมีความรู้เกี่ยวกับเครื่องเทศ) ไปที่ Wave Wave Explorer ฟรีดาวน์โหลดจาก robustcircuitdesign.com เป็นเวลา 19 วันในการใช้งานที่ไม่ซ้ำกัน

และ Walt Jung ของ Analog Devices ได้พูดถึงความอ่อนแอของ LPF เมื่อหลายสิบปีก่อน

นี่คือตัวอย่างของ MEASURED Zout ของ opamp (ใกล้ 500MHz ดูเหมือนว่า 10pF. 31 Ohms) สำหรับ Active และสำหรับโหมด ShutDown: ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่


โปรดทราบว่าการเปิดเผยนี้จะไม่สนใจการออกแบบที่ชาญฉลาดที่ทำให้อิมพิแดนซ์อินพุตมากกว่าความต้านทานเอาต์พุตลูปเปิดอย่างมาก ในกรณีนี้ Rout คือ 1k และ Rin (dc) = 1.5k ซึ่งทดสอบรูปคลื่น> 1Mhz ดังที่แสดงไว้ด้านบนทำให้วงจรเป็นวงจรกรองความถี่สูงซึ่งเป็นตัวเลือกที่ไม่ดี การปรับสเกลสำหรับรินที่สูงกว่า 10x ต้องจำไว้เพื่อลดทอนจุดอ่อนนี้ในข้อ จำกัด ของ GBW อย่างไรก็ตามหากคาดว่าจะมีสัญญาณขนาดใหญ่เหนือ BW ของ OA การกรองล่วงหน้าเป็นสิ่งจำเป็น
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

feedthru ที่มีค่า f เพิ่มขึ้นนั้นทำให้ฟีดแบ็กหลายตัวเลือกที่ดีกว่าตัวกรอง Sallen-keys ซึ่งมี feed-forward pass-thru บนฝาข้อเสนอแนะที่ Zout เพิ่มขึ้นจากการขาด BW
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

1

คุณอาจเลือกจากการกำหนดค่าหลายอย่างขึ้นอยู่กับรายละเอียดของคุณสำหรับความล่าช้ากลุ่ม Q, bandpass ระลอก, การลดทอน bandstop, ความชันกระโปรง

ทั้ง Sallen-Key และ Feedback มากมายสามารถบรรลุผลลัพธ์เดียวกัน

ดูด้านล่าง

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

ทั้งสองสามารถบรรลุผลกำไรสูงถูก จำกัด โดย GBW ของ OP ที่คุณเลือก

ซอฟต์แวร์ TI นี้สามารถออกแบบตัวกรองที่ใช้งานอยู่และอนุญาตให้คุณเลือกจากการกำหนดค่าและเลือกความคลาดเคลื่อนของตัวต้านทานที่เลือกค่าที่เหมาะสม ไม่อนุญาตให้คุณระบุความต้านทานอินพุตเพื่อให้คุณสามารถปรับขนาดค่า RC ทั้งหมดให้เหมาะกับสิ่งนี้

ฉันเลือกการตอบสนองของ Bessel ดังนั้นความล่าช้าของกลุ่มจึงค่อนข้างแบน

ที่เพิ่ม

จากคำตอบอื่นซึ่งทำให้เกิดข้อ จำกัด ของ Op Amp BW ที่ความต้านทานเอาต์พุตลูปเปิดหรือขีด จำกัด ปัจจุบันของ Op Amp (Rail-to Rail ประเภทใดที่แย่กว่านี้มาก) ฉันเสนอว่าตัวกรอง Sallen-Keys แย่กว่าสำหรับการลดทอนเหนือ BW ของแอมป์สหกรณ์และการลดทอนความถี่สูงแบบลูปเปิด (> GBW) ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนอิมพีแดนซ์อินพุต / เอาท์พุตสูงกว่าเกณฑ์ GBW ที่การลดข้อเสนอแนะเชิงลบใน Zout ไม่มีผลกระทบเนื่องจากการขาดกำไร

แผนผัง

จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab


ลิงค์ที่มีประโยชน์ .. analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-222.pdf
partykid

@ LvW.. คุณยินดีรับมากที่สุดในหัวข้อelectronics.stackexchange.com/questions/289527/…
ปาร์ตี้
โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.