Активни нископропусни филтер

Раније смо описали пасивни нископропусни филтер, у овом упутству ћемо истражити шта је активни нископропусни филтер.

Шта је то, круг, формуле, крива?

Као што знамо из претходног водича, пасивни нископропусни филтер ради са пасивним компонентама. Само две пасивне компоненте отпорника и кондензатора су кључ или срце пасивног круга нископропусног филтера. У претходним туторијалима научили смо да пасивни нископропусни филтер ради без спољних прекида или активног одговора. Али то има одређена ограничења.

Ограничења пасивног нископропусног филтера су следећа: -

1. Импеданса кола ствара губитак амплитуде. Дакле, Воут је увек мањи од Вина.
2. Појачање се не може извршити само са пасивним нископропусним филтером.
3. Карактеристике филтера у великој мери зависе од импедансе оптерећења.
4. Добитак је увек једнак или мањи од добитка јединства.
5. Што су фазе филтра или редослед филтера додали, губитак амплитуде постаје мањи.

Због овог ограничења, ако је потребно појачање, најбољи начин за додавање активне компоненте која ће појачати филтрирани излаз. Ово појачање се врши помоћу оперативног појачала или оп-појачала. Како је за ово потребан извор напона, то је активна компонента. Стога је назив активни нископропусни филтер.

Типично појачало црпи енергију из спољног извора напајања и појачава сигнал, али је врло флексибилно јер флексибилније можемо променити фреквенцијски опсег. Такође, избор корисника или дизајнера је да одабере коју ће врсту активних компоненти одабрати у зависности од захтева. То могу бити Фет, Јфет, Трансистор, Оп-Амп који укључују велику флексибилност. Избор компоненте такође зависи од трошкова и ефикасности ако је дизајниран за производ масовне производње.

Ради једноставности, временске ефикасности и такође растућих технологија у дизајну оп-амп-а, обично се оп-амп користи за дизајн активних филтера.

Погледајмо зашто би требало да одаберемо оптичко појачало за дизајн активног нископропусног филтера: -

1. Висока улазна импеданса.

   Због високе улазне импедансе улазни сигнал није могао бити уништен или измењен. Генерално или у већини случајева улазни сигнал врло мале амплитуде може бити уништен ако се користи као склоп са ниском импедансом. Оп-Амп је у таквим случајевима добио плус.

2. Веома низак број компонената. Потребно је само неколико отпорника.
3. Доступни су различити типови оп-појачала у зависности од појачања, спецификације напона.
4. Низак ниво буке.
5. Једноставније дизајнирање и имплементација.

Али како знамо да ништа није у потпуности савршено, овај дизајн активног филтера такође има одређена ограничења.

Излазни добитак и ширина појаса, као и фреквенцијски одзив зависе од спецификације оп-амп-а.

Истражимо даље и схватимо шта је посебно у томе.

Активни нископропусни филтер са појачавањем:

Пре него што разумемо дизајн активних нископропусних филтера са оптичким појачалом, морамо знати мало о појачалима. Амплифи је повећало, ствара копију онога што видимо, али у већем облику да би га боље препознао.

У првом упутству о пасивном нископропусном филтру сазнали смо шта је нископропусни филтер. Нископропусни филтер филтрира ниску фреквенцију и блокира виши ниво синусоидног сигнала наизменичне струје. Овај активни нископропусни филтер ради на исти начин као и пасивни нископропусни филтер, само што је овде додата једна додатна компонента, то је појачало као оп-појачало.

Ево једноставног дизајна нископропусних филтера: -

Ово је слика активног нископропусног филтера. Овде линија кршења показује нам традиционални пасивни нископропусни РЦ филтер који смо видели у претходном водичу.

Прекините појачање фреквенције и напона:

Формула граничне фреквенције је иста као и у пасивном нископропусном филтру.

фц = 1 / 2πРЦ

Као што је описано у претходном упутству, фц је гранична фреквенција, а Р је вредност отпорника, а Ц је вредност кондензатора.

Два отпорника повезана у позитивни чвор оп-појачала су повратни отпорници. Када су ови отпорници повезани у позитивни чвор оп-појачала, то се назива неинвертујућа конфигурација. Ови отпорници су одговорни за појачање или појачање.

Појачање појачала можемо лако израчунати користећи следеће једначине где можемо одабрати еквивалентну вредност отпорника према појачању или може бити обрнуто: -

Појачање појачала (ДЦ амплитуда) (Аф) = (1 + Р2 / Р3)

Крива фреквенцијског одзива:

Да видимо какав ће бити излаз активног нископропусног филтера или Боде- ове црте / криве фреквенцијског одзива: -

Ово је коначни излаз активног нископропусног филтера у неинвертујућој конфигурацији оп-појачала. Детаљно објашњење видећемо на следећој слици.

Као што видимо, ово је идентично са пасивним нископропусним филтером. Од почетне фреквенције до Фц или тачке пресека фреквенције или угаона фреквенција започиње од -3дБ тачке. Појачање је 20дБ на овој слици, тако да је гранична фреквенција 20дБ - 3дБ = 17дБ где се налази фц тачка. Нагиб је -20дБ по деценији.

Без обзира на филтер, од почетне тачке до граничне тачке фреквенције назива се ширина опсега филтра, а након тога пропусни опсег одакле је дозвољена пролазна фреквенција.

Добитак магнитуде можемо израчунати претварањем појачања напона оп-појачала.

Прорачун је следећи

дб = 20лог (Аф)

Ово Аф може бити добитак једносмерне струје који смо претходно описали израчунавањем вредности отпорника или дељењем Воут-а са Вин-ом.

Неинвертујући и инвертујући круг филтера појачала:

Овај активни круг нископропусног филтера приказан на почетку такође има једно ограничење. Његова стабилност може бити угрожена ако се промени импеданса извора сигнала. Нпр. Смањење или повећање.

Стандардна дизајнерска пракса могла би побољшати стабилност, уклањањем кондензатора са улаза и повезивањем паралелно са другим повратним отпорником оп-амп.

Овде је склоп Неинвертујући активни нископропусни филтер-

На овој слици, ако ово упоредимо са струјним круговима описаним на почетку, можемо видети да је положај кондензатора промењен ради стабилности повезане са импедансом. У овој конфигурацији спољна импеданса не утиче на реактанцију кондензатора, па је тиме побољшана стабилност.

На истој конфигурацији ако желимо да инвертујемо излазни сигнал, тада можемо одабрати конфигурацију инвертирајућих сигнала оп амп-а и могли бисмо повезати филтер са тим инвертованим оп амп-ом.

Ево примене склопа обрнутог активног нископропусног филтера: -

То је активни нископропусни филтер у обрнутој конфигурацији. Оптичко појачало је повезано обрнуто. У претходном одељку улаз је повезан преко позитивног улазног пина оп-амп-а, а негативни пин оп-амп-а користи се за израду повратних кругова. Овде је склоп обрнут. Позитиван улаз повезан са референтном масом и кондензатор и повратни отпор повезани преко негативног улазног пина оп-ампера. Ово се назива инвертована оп-амп конфигурација и излазни сигнал ће бити инвертован од улазног сигнала.

Активни нископропусни филтер за појачање или праћење напона:

До сада овде описани струјни кругови се користе за појачавање напона и пост-појачање.

Можемо га направити помоћу појачала јединственог појачања, што значи да ће излазна амплитуда или појачање бити једнака улазном: 1к. Вин = Воут.

Да не спомињем, то је такође оп-амп конфигурација која се често описује као конфигурација следбеника напона где је оп-појачало створило тачну копију улазног сигнала.

Погледајмо дизајн склопа и како конфигурисати оп-појачало као следбеник напона и учинити активним нископропусни филтер појачања јединице: -

На овој слици су уклоњени повратни отпорници оп-појачала. Уместо отпорника негативни улазни пин оп-амп-а повезан је директно са излазним оп-амп-ом. Ова конфигурација оп-амп назива се конфигурација следбеника напона. Добитак је 1к. То је активни нископропусни филтер јединственог добитка. Произвешће тачну копију улазног сигнала.

Практични пример са прорачуном

Дизајнираћемо склоп активног нископропусног филтра у неинвертујућој оп-амп конфигурацији.

Спецификације: -

1. Улазна импеданса 10кохмс
2. Добитак ће бити 10к
3. Пресечна фреквенција ће бити 320Хз

Прво израчунајмо вредност пре него што направимо склоп: -

Појачање појачала (амплитуда једносмерне струје) (Аф) = (1 + Р3 / Р2) (Аф) = (1 + Р3 / Р2) Аф = 10

Р2 = 1к (Морамо одабрати једну вредност; Р2 смо изабрали као 1к за смањење сложености прорачуна).

Састављањем вредности коју добијамо

(10) = (1 + Р3 / 1)

Израчунали смо да је вредност трећег отпорника 9к.

Сада треба израчунати вредност отпорника према граничној фреквенцији. Како активни нископропусни филтер и пасивни нископропусни филтер раде на исти начин, формула за одсецање фреквенције је иста као и раније.

Проверимо вредност кондензатора ако је гранична фреквенција 320Хз, изабрали смо вредност отпорника 4,7к.

фц = 1 / 2πРЦ

Састављањем све вредности добијамо: -

Решавањем ове једначине добијамо вредност кондензатора приближно 106 нФ.

Следећи корак је израчунавање добитка. Формула појачања је иста као и пасивни нископропусни филтер. Формула појачања или величине у дБ је следећа: -

20лог (Аф)

Како је појачање оппојачала 10к, величина у дБ је 20лог (10). Ово је 20дБ.

Сада смо већ израчунали вредности, време је за конструкцију кола. Збројимо све и направимо склоп: -

Струјни круг смо конструисали на основу претходно израчунатих вредности. На улазу активног нископропусног филтера обезбедићемо фреквенцију од 10 Хз до 1500 Хз и 10 тачака по декади и додатно ћемо истражити да ли је гранична фреквенција 320 Хз на излазу појачала.

Ово је крива фреквенцијског одзива. Зелена линија се покреће од 10Хз до 1500Хз, јер се улазни сигнал испоручује само за тај опсег фреквенције.

Као што знамо да ће угаона фреквенција увек бити на -3дБ од максималне величине појачања. Овде је појачање 20дБ. Дакле, ако откријемо да је тачка -3дБ добиће тачну фреквенцију на којој филтер зауставља више фреквенције.

Постављамо курсор на 17 дб као (20дБ-3дБ = 17дБ) угловну фреквенцију и добијамо 317.950Хз или 318Хз што је близу 320Хз.

Вредност кондензатора можемо променити у општу као 100 нФ, а да не помињемо да ће угаона фреквенција утицати и неколико Хз.

Активни нископропусни филтер другог реда:

Могуће је додати више филтера у један оптички појачавач попут активног нископропусног филтера другог реда. У том случају, баш као и пасивни филтер, додаје се додатни РЦ филтер.

Погледајмо како је направљено коло филтера другог реда.

Ово је филтер другог реда. На горњој слици можемо јасно видети два филтра заједно. Ово је филтер другог реда. То је широко коришћени филтер, а индустријска примена је појачало, склоп музичког система пре појачања снаге.

Као што видите постоји један оптички појачавач. Појачање напона је исто као и претходно наведено помоћу два отпорника.

(Аф) = (1 + Р3 / Р2)

Гранична фреквенција је

Једна занимљива ствар коју треба запамтити ако желимо да додамо још оп-појачала која се састоје од филтера првог реда, добитак ће се помножити са сваким појединцем. Збуњен? Можда ће нам схема помоћи.

Што се више додаје оптичко појачало, то се више добитака множи. Погледајте горњу слику, На овој слици два опцијска појачала каскадирају се са појединачним опционим појачалима. У овом колу каскадно опционо појачало, ако прво има појачање од 10к, а друго за појачање од 5к, тада ће укупни добитак бити 5 к 10 = појачање од 50к.

Дакле, величина каскадног круга нископропусног филтра оп-амп у случају два оп-појачала је: -

дБ = 20лог (50)

Решавањем ове једначине износи 34дБ. Дакле, добитак формуле појачања каскадног оп-амп филтра нископропусног филтра је

ТдБ = 20лог (Аф1 * Аф2 * Аф3 *…… Афн)

Где је ТдБ = укупна величина

Тако је конструисан активни нископропусни филтер. У следећем упутству видећемо како се може направити Ацтиве хигх пасс филтер. Али пре следећег водича, погледајмо које су апликације активног филтра ниских пролаза: -

Апликације

Активни нископропусни филтер се може користити на више места где се пасивни нископропусни филтер не може користити због ограничења у вези са појачањем или поступком појачања. Осим тога, активни нископропусни филтер се може користити на следећим местима: -

Нископропусни филтер је широко коришћена кола у електроници.

Ево неколико апликација активног нископропусног филтера: -

1. Изједначавање басова пред појачање снаге
2. Филтери повезани са видео записима.
3. Осцилоскоп
4. Систем за контролу музике и модулацију бас фреквенција, као и пре нискотонских звучника и звучника високих басова за уклањање басова.
5. Генератор функција за пружање променљивих нискофреквентних излаза на различитим нивоима напона.
6. Промена облика фреквенције при различитим таласима од.