Aktivt lavpasfilter

Tidligere har vi beskrevet passivt lavpasfilter, i denne vejledning vil vi undersøge, hvad der er et aktivt lavpasfilter.

Hvad er det, kredsløb, formler, kurve?

Som vi kender fra forrige tutorial, fungerer passivt lavpasfilter med passive komponenter. Kun to passive komponenter modstand og kondensator er nøglen eller hjertet i et passivt lavpasfilterkredsløb. Vi lærte i de foregående vejledninger, at passivt lavpasfilter fungerer uden nogen ydre afbrydelse eller aktivt svar. Men det har visse begrænsninger.

Begrænsningerne for passivt lavpasfilter er som følger: -

1. Kredsløbets impedans skaber tab af amplituden. Så Vout er altid mindre end Vin.
2. Forstærkning kan ikke udføres med kun passivt lavpasfilter.
3. Filteregenskaber er meget afhængige af belastningsimpedansen.
4. Gevinsten er altid lig med eller mindre end enhedsgevinsten.
5. Mere filteret eller filterrækkefølgen tilføjede, at tabet af amplitude bliver mindre.

På grund af denne begrænsning, hvis Amplification er nødvendig, den bedste måde at tilføje en aktiv komponent, der forstærker det filtrerede output. Denne forstærkning udføres af operationel forstærker eller op-amp. Da dette kræver spændingskilde, er det en aktiv komponent. Således navnet Aktivt lavpasfilter.

En typisk forstærker trækker strømmen fra den eksterne strømforsyning og forstærker signalet, men det er meget fleksibelt, da vi kan ændre frekvensbåndbredden mere fleksibelt. Det er også brugerens eller designers valg at vælge hvilken type aktive komponenter, der skal vælges afhængigt af kravene. Det kan være Fet, Jfet, Transistor, Op-Amp, som inkluderer en masse fleksibilitet. Valget af komponent er også afhængig af omkostningerne og effektiviteten, hvis den er designet til et masseproduktionsprodukt.

Af hensyn til enkelhed, tidseffektivitet og også de voksende teknologier inden for op-amp design bruges generelt en op-amp til Active Filter design.

Lad os se, hvorfor vi skal vælge og op-amp til at designe et aktivt lavpasfilter: -

1. Høj indgangsimpedans.

   På grund af høj indgangsimpedans kunne indgangssignalet ikke ødelægges eller ændres. Generelt eller i de fleste tilfælde kan indgangssignalet, som har en meget lav amplitude, ødelægges, hvis det bruges som kredsløb med lav impedans. Op-Amp fik et pluspoint i sådanne tilfælde.

2. Meget lavt antal komponenter. Kun få modstande er nødvendige.
3. Forskellige typer op-amp er tilgængelige afhængigt af forstærkning, spændingsspecifikation.
4. Lav støj.
5. Lettere at designe og implementere.

Men som vi ved, er intet helt perfekt, dette aktive filterdesign har også visse begrænsninger.

Outputforstærkning og båndbredde samt frekvensrespons er afhængige af op-amp-specifikationen.

Lad os udforske videre og forstå, hvad der er specielt ved det.

Aktivt lavpasfilter med forstærkning:

Før vi forstår aktivt lavpasfilterdesign med op-amp, skal vi vide lidt om forstærkere. Amplify er et forstørrelsesglas, det producerer en replika af det, vi ser, men i større form for at genkende det bedre.

I den første tutorial af passivt lavpasfilter havde vi lært, hvad der var lavpasfilter. Lavpasfilter filtreret lavfrekvens ud og blokerer højere for et sinusformet AC-signal. Dette aktive lavpasfilter fungerer på samme måde som passivt lavpasfilter, kun forskellen er her en ekstra komponent tilføjes, det er en forstærker som op-amp.

Her er det enkle lavpasfilterdesign: -

Dette er billedet af aktivt lavpasfilter. Her viser overtrædelseslinjen os det traditionelle passive RCF-filter med lavpas, som vi har set i den foregående vejledning.

Afbryd frekvens og spændingsforstærkning:

Formlen for afskæringsfrekvens er den samme som i passivt lavpasfilter.

fc = 1 / 2πRC

Som beskrevet i tidligere tutorial fc er afskæringsfrekvens, og R er modstandsværdi, og C er kondensatorværdi.

De to modstande, der er forbundet i op-forstærkerens positive knudepunkt, er feedbackmodstande. Når disse modstande er forbundet i positiv node på op-amp'en, kaldes det ikke-inverterende konfiguration. Disse modstande er ansvarlige for forstærkning eller forstærkning.

Vi kan nemt beregne forstærkerens forstærkning ved hjælp af følgende ligninger, hvor vi kan vælge den ækvivalente modstandsværdi i henhold til forstærkning, eller det kan være omvendt: -

Forstærkerforstærkning (DC amplitude) (Af) = (1 + R2 / R3)

Frekvensresponskurve:

Lad os se, hvad der vil være output af Active Low-pass filter eller Bode plot / Frequency respons curve: -

Dette er den endelige output af Active Low-pass filter i op-amp ikke-inverterende konfiguration. Vi vil se en detaljeret forklaring på næste billede.

Som vi ser er dette identisk med passivt lavpasfilter. Fra startfrekvensen til Fc eller frekvensafskæringspunktet eller hjørnefrekvensen starter fra -3dB punkt. Forstærkningen er 20 dB i dette billede, så afskæringsfrekvensen er 20 dB - 3dB = 17 dB, hvor fc-punktet er placeret. Hældningen er -20 dB pr. Årti.

Uanset filteret kaldes det fra startpunktet til afskæringsfrekvenspunktet Filterets båndbredde, og derefter kaldes det passbånd, hvorfra passeringsfrekvensen er tilladt.

Vi kan beregne størrelsesforøgelsen ved at konvertere op-amp spændingsforstærkning.

Beregningen er som følger

db = 20log (Af)

Denne Af kan være den DC-forstærkning, vi beskrev før ved at beregne modstandsværdien eller dividere Vout med Vin.

Ikke-inverterende og inverterende forstærkerfilterkredsløb:

Dette aktive lavpasfilterkredsløb vist i begyndelsen har også en begrænsning. Dens stabilitet kan blive kompromitteret, hvis signalkildens impedans ændres. F.eks. Formindsk eller øg.

En standard designpraksis kunne forbedre stabiliteten ved at fjerne kondensatoren fra input og forbinde den parallelt med op-amp sekundær feedbackmodstand.

Her er kredsløbet Ikke-inverterende aktivt lavpasfilter-

I denne figur, hvis vi sammenligner dette med det kredsløb, der blev beskrevet i starten, kan vi se, at kondensatorpositionen er ændret for impedansrelateret stabilitet. I denne konfiguration har den eksterne impedans ingen indflydelse på kondensatorens reaktans, hvilket forbedrer stabiliteten.

På den samme konfiguration, hvis vi vil invertere udgangssignalet, kan vi vælge inverteringssignalkonfigurationen af ​​op-amp og kunne forbinde filteret med den inverterede op-amp.

Her er implementeringen af ​​kredsløb af inverteret aktivt lavpasfilter: -

Det er et aktivt lavpasfilter i omvendt konfiguration. Op-amp er forbundet omvendt. I det foregående afsnit blev indgangen tilsluttet på tværs af op-amp's positive input-pin, og den negative op-amp-pin bruges til at lave feedback-kredsløbet. Her er kredsløbet inverteret. Positiv indgang forbundet med jordreference og kondensatoren og feedbackmodstanden forbundet over op-amp negativ indgangsstift. Dette kaldes inverteret op-amp-konfiguration, og udgangssignalet bliver inverteret end indgangssignalet.

Enhedsgevinst eller spændingsfølger Aktivt lavpasfilter:

Indtil nu er det her beskrevne kredsløb brugt til spændingsforstærkning og efterforstærkning.

Vi kan gøre det ved hjælp af en enhedsforstærker, det betyder, at outputamplitude eller forstærkning vil være den samme som input: 1x. Vin = Vout.

For ikke at nævne, det er også en op-amp-konfiguration, der ofte beskrives som spændingsfølger-konfiguration, hvor op-amp oprettede den nøjagtige replika af indgangssignalet.

Lad os se kredsløbsdesignet og hvordan man konfigurerer op-amp som spændingsfølger og får enhed til at få aktivt lavpasfilter: -

I dette billede fjernes op-forstærkerens feedbackmodstande. I stedet for modstanden er den negative indgangsstift på op-forstærkeren forbundet direkte med output-op-forstærkeren. Denne op-amp-konfiguration kaldes som Voltage follower-konfiguration. Gevinsten er 1x. Det er et aktivt lavpasfilter for enhedsgevinst. Det producerer nøjagtig replika af indgangssignalet.

Praktisk eksempel med beregning

Vi designer et kredsløb med aktivt lavpasfilter i ikke-inverterende op-amp-konfiguration.

Specifikationer:-

1. Indgangsimpedans 10kohms
2. Gain vil være 10x
3. Cutoff freq vil være 320Hz

Lad os beregne værdien først, før vi laver kredsløbet: -

Forstærkerforstærkning (DC amplitude) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

R2 = 1k (Vi skal vælge en værdi; vi har valgt R2 som 1k for at reducere beregningens kompleksitet).

Ved at sætte værdien sammen får vi

(10) = (1 + R3 / 1)

Vi beregnede værdien af ​​den tredje modstand er 9k.

Nu skal vi beregne modstandens værdi i henhold til afskæringsfrekvensen. Da aktivt lavpasfilter og det passive lavpasfilter fungerer på samme måde, er frekvensafskæringsformlen den samme som før.

Lad os kontrollere kondensatorens værdi, hvis afskæringsfrekvensen er 320Hz, vi valgte, at modstandens værdi er 4,7k.

fc = 1 / 2πRC

Ved at samle al værdi får vi: -

Ved at løse denne ligning får vi, at kondensatorens værdi er ca. 106nF.

Næste trin er at beregne gevinst. Formlen for forstærkning er den samme som passivt lavpasfilter. Formlen for forstærkning eller størrelse i dB er som følger: -

20log (Af)

Da forstærkningen af ​​op-amp er 10x, er størrelsen i dB 20log (10). Dette er 20 dB.

Nu da vi allerede har beregnet værdierne, er det tid til at konstruere kredsløbet. Lad os tilføje alt sammen og bygge kredsløbet: -

Vi konstruerede kredsløbet baseret på de værdier, der blev beregnet før. Vi vil give 10Hz til 1500Hz frekvens og 10 point pr. Årti ved indgangen til det aktive lavpasfilter og vil undersøge nærmere for at se, om afskæringsfrekvensen er 320Hz eller ikke ved forstærkerens output.

Dette er frekvensresponskurven. Den grønne linje startes fra 10Hz til 1500Hz, da indgangssignalet kun leveres til dette frekvensområde.

Som vi ved, at hjørnefrekvensen altid vil være -3dB fra den maksimale forstærkningsstørrelse. Her er gevinsten 20 dB. Så hvis vi finder ud af, får -3dB-punktet den nøjagtige frekvens, hvor filteret stopper de højere frekvenser.

Vi indstiller markøren ved 17 db som (20dB-3dB = 17dB) hjørnefrekvensen og får 317.950Hz eller 318Hz, hvilket er tæt på 320Hz.

Vi kan ændre kondensatorværdien til den generiske som 100nF og ikke nævne hjørnefrekvensen vil også blive udført med få Hz.

Anden ordens aktivt lavpasfilter:

Det er muligt at tilføje flere filtre på tværs af en op-amp som andet ordens aktive lavpasfilter. I et sådant tilfælde, ligesom det passive filter, tilføjes ekstra RC-filter.

Lad os se, hvordan andenordens filterkredsløb er konstrueret.

Dette er andet ordens filter. I ovenstående figur kan vi tydeligt se de to filtre tilføjet sammen. Dette er andet ordens filter. Det er et meget brugt filter, og industriel anvendelse er forstærker, musikalske system kredsløb før effektforstærkning.

Som du kan se, er der en op-amp. Spændingsforstærkningen er den samme som tidligere angivet ved hjælp af to modstande.

(Af) = (1 + R3 / R2)

Afskæringsfrekvensen er

En interessant ting at huske, hvis vi vil tilføje flere op-amp, der består af første ordens filtre, forstærkes gangen med hver enkelt. Forvirret? Kan være et skema, der hjælper os.

Jo mere op-forstærkeren er tilføjet, desto større gevinst multipliceres. Se ovenstående figur, i dette billede er to op-amp kaskaderet med individuel op-amp. I dette kredsløb er Cascaded op amp, hvis den første har 10x forstærkning, og den anden er for 5x forstærkning, vil den samlede forstærkning være 5 x 10 = 50x forstærkning.

Så størrelsen af ​​det kaskadede op-amp lavpasfilterkredsløb i tilfælde af to op-amp er: -

dB = 20log (50)

Ved at løse denne ligning er den 34 dB. Så gevinsten ved cascading op-amp low pass filter gain formel er

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

Hvor TdB = total størrelse

Sådan konstrueres aktivt lavpasfilter. På den næste vejledning vil vi se, hvordan Aktiv højpasfilter kan konstrueres. Men før den næste tutorial, lad os se, hvad applikationerne i Active low pass filter er: -

Ansøgninger

Aktivt lavpasfilter kan bruges flere steder, hvor passivt lavpasfilter ikke kan bruges på grund af begrænsningen omkring forstærkning eller forstærkningsprocedure. Derudover kan det aktive lavpasfilter bruges følgende steder: -

Lavpasfilter er meget brugt kredsløb i elektronik.

Her er få anvendelser af Active Low Pass Filter: -

1. Basudligning før effektforstærkning
2. Video relaterede filtre.
3. Oscilloskop
4. Musikstyringssystem og basfrekvensmodulation såvel som før bashøjttaler og højhøjttalere til bas ud.
5. Funktionsgenerator til at levere variabel lavfrekvens ud på forskellige spændingsniveauer.
6. Ændring af frekvensformen ved en anden bølge end.