Активные фильтры нижних частот - хорошо для каких частот?

14

Приложение E «Искусство электроники», 3-е издание (фильтры LC Butterworth) начинается с того, что « активные фильтры удобны на низких частотах, но нецелесообразны на высоких частотах ». Они говорят и говорят, что « на частотах 100 кГц и выше лучший подход - это пассивные LC-фильтры » (перефразированный в обоих случаях).

Мой первый вопрос: правда? Просто 100 кГц уже слишком высоко для активных фильтров, чтобы быть практичными?

Я понимаю, что операционные усилители с высокой пропускной способностью и высокой скоростью нарастания могут быть дорогостоящими, что делает их «непрактичными» в общем случае - однако, низкочастотный LC-фильтр с, скажем, частотой среза 1 МГц, топологией T с 1 кОм нагрузка в конечном итоге требует индукторов порядка сотен мкГн - если мне нужно избежать искажений (насыщения магнитного сердечника и гистерезиса), индуктор с воздушным сердечником в этом диапазоне делает все это довольно непрактичным.

Вопрос 2: будет ли частота отсечки, скажем, менее 10 МГц слишком высокой для фильтра низких частот второго порядка Sallen-Key?

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

Анализируя его с точки зрения идеального случая (при условии, что операционный усилитель всегда находится в линейном режиме), на все три вывода операционного усилителя будет распространяться выходной сигнал нижних частот - с частотой среза <10 МГц, которая, безусловно, не является проблема (ни пропускная способность, ни скорость нарастания). Входная емкость не должна быть большой проблемой - с R порядка 1 кОм, конденсаторы имеют порядок от нескольких десятков пФ до нескольких сотен пф - достаточно высоко, чтобы сделать вход операционного усилителя емкость пренебрежимо мала.

Есть ли другие практические вопросы, которые я пропускаю? Реалистичен ли я, если мне нужен такой активный фильтр с частотой среза порядка нескольких МГц? (цены не проблема - если мне нужен операционный усилитель в диапазоне 10 или 20 долларов, это нормально)

Cal-линукс
источник
1
Можете ли вы определить источник R и нагрузку R и емкость кабеля? и, если возможно, сдвиг фазы при 10 МГц при -3 дБ и отклонение при дБ при 20 МГц. Линейная фаза, максимально плоская или Обычно значение GBW должно быть намного больше, чем значение BW сигнала, чтобы уменьшить коэффициент усиления Ro на 200 Ом или около того. Есть причина, по которой он ограничен и зависит от этих параметров. Какова цель?
Тони Стюарт Sunnyskyguy EE75
3
Основная причина - нестабильность единичного усиления при> = 100 ГБВт на емкостных кабельных нагрузках, высокое выходное сопротивление, если только сопротивление не согласовано, поскольку паразитная емкость 1 пФ может вызвать пиковое значение.
Тони Стюарт Sunnyskyguy EE75
2
Уолт Юнг из ADI предупреждает нас: «Для достижения эффективности полосы -40 дБ в активном фильтре нижних частот операционному усилителю необходимо иметь избыток усиления 40 дБ везде в полосе задержания». Кроме того, операционные усилители часто имеют индуктивный Zout (сопротивление нарастания и сдвиг фаз на 90 градусов, обеспечиваемый спадом операционного усилителя), а конденсаторы в фильтре обеспечивают высокочастотный путь вокруг операционного усилителя; с ростом Zout операционный усилитель не может ослабить эту высокочастотную энергию. Таким образом, если вам ДЕЙСТВИТЕЛЬНО нужны отличные характеристики в полосе задержания, выберите в качестве первого полюса пассивный RC LPF и будьте щедры со спецификациями операционного усилителя.
analogsystemsrf
5
Книга, вероятно, верна, если вы отождествляете «операционный усилитель» с «741». Но нет, если вы на самом деле используете вместо этого операционный усилитель :)
alephzero
1
@analogsystemsrf - хорошая точка зрения; Я точно думал, что это не помешает сделать Баттерворта 3-го порядка (1 / H (s) = (s + 1) (s² + s + 1), если я правильно помню). В любом случае, фильтр получает начальный входной каскад, который является просто RC.
Cal-linux

Ответы:

31

Я считаю, что ваш анализ будет хорошим. Я сделал фильтры 4-го порядка с ключом Sallen Key, которые срезают около 3 МГц, абсолютно не беспокоясь о производительности. Я не вижу, что 10 МГц недостижимо.

Все дело в выборе операционного усилителя. Для ступени с единичным усилением легко определить, где усиление начинает падать ниже (скажем) 0,99, и считать это предельной частотой. С другой стороны, выходной импеданс операционного усилителя обычно ухудшается по мере того, как он входит в области МГц, поэтому вы должны быть уверены, что он может выдавать пиковый ток без ограничения или слишком слабого тока.

Вы также должны учитывать ограничения скорости нарастания, но, насколько я знаю, это все.

Вполне возможно, что The Art of Electronics, 3rd Editionне делали никаких обновлений в этом разделе, так как он впервые появился в 1980 году.

Энди ака
источник
2
Это седьмое голосование сегодня - есть идеи?
Энди ака
3
Я тоже получаю. Должно быть, новички, которые не ценят бесплатную экспертизу и не знают, как написать комментарий
Тони Стюарт Sunnyskyguy EE75
5
@Andyaka. Плохие голоса должны быть разочаровывающими. Но ваши ответы всегда получают положительные голоса в конце.
Марла
3
действительно, 10 МГц вполне возможно. Недавно я сделал активную передачу низких частот на 10 МГц и даже позволил OpAmp управлять нагрузкой 50 Ом. Он работает нормально, однако эти операционные усилители являются дорогостоящими и также выделяют немного тепла.
Т. Плюс
4
Часто бывает очень неприятно иметь дело с сообщениями, которые активно обсуждаются в стеке. Все виды нежелательного поведения закрадываются. Я хотел бы, чтобы это не так.
joojaa
8

Мой первый вопрос: правда? Просто 100 кГц уже слишком высоко для активных фильтров, чтобы быть практичными?

Нет, 100 кГц это ничего, но все зависит от операционного усилителя. В какой-то момент продукт Gain Bandwidth Product может вызвать проблемы. Если у вас был операционный усилитель с полосой пропускания 1 МГц или 10 МГц (что могло быть типичным во время первого выпуска AofE, возможно, они не обновляли это, я думаю, поэтому я бы сравнил редакции), тогда 100 кГц не звучит слишком неразумно, потому что вы получите только одну или две величины фильтрации, и тогда полоса пропускания упадет ниже единичного усиления. Тогда ваш фильтр нижних частот больше похож на полосовой.

Есть ли другие практические вопросы, которые я пропускаю? Реалистичен ли я, если мне нужен такой активный фильтр с частотой среза порядка нескольких МГц? (цены не проблема - если мне нужен операционный усилитель в диапазоне 10 или 20 долларов, это нормально)

Если вам действительно нужна фильтрация за 50 МГц, тогда необходимо смоделировать паразитные параметры, поскольку ESR и ESL в конденсаторах начнут влиять на полюса фильтра и создавать свои собственные полюса фильтра на высоких частотах. Используйте пакет специй, если это возможно. Убедитесь, что GBWP достаточно высок, в наши дни несложно приобрести операционные усилители, работающие в диапазоне + 100 МГц.

Скачок напряжения
источник
1
Это прямо к делу. OP-усилители с высоким GBWP не были такими эффективными, экономичными или даже доступными в 1980 году, когда впервые была опубликована AoE. В 1980 году 8086 был на переднем крае, и 10 МГц на микросхеме быстро светились. Теперь мы можем купить LMH6881 за 3 доллара США с полосой пропускания 2,4 ГГц или LMH5401 за 7 долларов США с полосой пропускания 8 ГГц - это было бы немыслимо в 1980 году. Книга просто не обновлялась.
J ...
4

Основная проблема с топологией Sallen Key на высокой частоте заключается в том, что выходной импеданс операционных усилителей возрастает, поэтому он не может управлять прямой связью входного сигнала через конденсатор 2C, разрушая полосу пропускания.

Neil_UK
источник
2

TI имеет дизайн приложения с тактовой частотой 10 МГц. Он основан на недорогом операционном усилителе THS4001 270 МГц -3 дБ.

Операционные усилители имеют выходной импеданс разомкнутого контура намного выше, чем ваш генератор сигналов 50 Ом. Это делает их устойчивыми с их защитой от короткого замыкания. Чем выше значение GBW, тем ниже значение Zout = Zoc / GBW. ESL макета (0,5 нГн / мм) и паразитная емкость должны быть минимизированы.

С 150 МГц GBW вы можете использовать 1K R с 5 пф, 10 пФ.

Я не читал их дизайн.

http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/sloa032/sloa032.pdf

Чтобы спроектировать любой фильтр, вы должны рассмотреть эти спецификации в первую очередь;

Source impedance \$Z_S(f)\$   
Load Impedance \$Z_L(f)\$   
Gain   -3 dB passband \$f_p\$    
Loss   @ \$f_s\$stop band edge   e.g. \$  ~-dB~ @ ~2*f_p, 10*f_p\$    
 ..  or order of filter    
% load regulation error = % Output/Load impedance ratio ( for low % )    
Phase shift in passband, group delay  
Noise, supply power  
Output swing and slew rate limit  
Тони Стюарт Sunnyskyguy EE75
источник