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?
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)
Ответы:
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 Edition
не делали никаких обновлений в этом разделе, так как он впервые появился в 1980 году.источник
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.
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.
источник
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.
источник
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;
источник