Aktivt lågpassfilter

Tidigare har vi beskrivit passivt lågpassfilter, i denna handledning kommer vi att undersöka vad som är ett aktivt lågpassfilter.

Vad är det, krets, formler, kurva?

Som vi vet från föregående handledning fungerar passivt lågpassfilter med passiva komponenter. Endast två passiva komponenter motstånd och kondensator är nyckeln eller hjärtat i en passiv lågpassfilterkrets. Vi lärde oss i föregående handledning att passivt lågpassfilter fungerar utan yttre avbrott eller aktivt svar. Men det har vissa begränsningar.

Begränsningarna för passivt lågpassfilter är följande: -

1. Kretsens impedans skapar förlust av amplituden. Så Vout är alltid mindre än Vin.
2. Förstärkning kan inte göras med endast passivt lågpassfilter.
3. Filteregenskaper är starkt beroende av lastimpedansen.
4. Vinsten är alltid lika eller mindre än enhetsvinsten.
5. Mer filtersteg eller filterordning läggs till förlusten av amplitud blir mindre.

På grund av denna begränsning, om förstärkning behövs, det bästa sättet att lägga till en aktiv komponent som förstärker den filtrerade utgången. Denna förstärkning görs med operationsförstärkare eller op-amp. Eftersom detta kräver spänningskälla är det en aktiv komponent. Således namnet Aktivt lågpassfilter.

En typisk förstärkare hämtar effekten från den externa strömförsörjningen och förstärker signalen men den är mycket flexibel eftersom vi kan ändra frekvensbandbredden mer flexibelt. Det är också användarens eller formgivarens val att välja vilken typ av aktiva komponenter som ska väljas beroende på kraven. Det kan vara Fet, Jfet, Transistor, Op-Amp som innehåller mycket flexibilitet. Valet av komponent är också beroende av kostnaden och effektiviteten om den är avsedd för en massproduktionsprodukt.

För enkelhets skull, tidseffektivitet och även den växande teknologin inom op-amp design, används vanligtvis en op-amp för Active Filter design.

Låt oss se varför vi ska välja och förstärka ett aktivt lågpassfilter: -

1. Hög ingångsimpedans.

   På grund av hög ingångsimpedans kunde ingångssignalen inte förstöras eller ändras. I allmänhet eller i de flesta fall kan insignalen som har en mycket låg amplitud förstöras om den används som kretsar med låg impedans. Op-Amp fick en poäng i sådana fall.

2. Mycket låg komponentantal. Endast få motstånd behövs.
3. Olika typer av förstärkare är tillgängliga beroende på förstärkning, spänningsspecifikation.
4. Lågt ljud.
5. Lättare att designa och implementera.

Men som vi vet ingenting är helt perfekt har denna aktiva filterdesign också vissa begränsningar.

Utgångsförstärkningen och bandbredden samt frekvensresponsen är beroende av op-amp-specifikationen.

Låt oss utforska vidare och förstå vad som är speciellt med det.

Aktivt lågpassfilter med förstärkning:

Innan vi förstår Aktiv lågpassfilterdesign med op-amp behöver vi veta lite om förstärkare. Amplify är ett förstoringsglas, det ger en kopia av vad vi ser men i större form för att känna igen det bättre.

I den första självstudien om passivt lågpassfilter hade vi lärt oss vad som var lågpassfilter. Lågpassfilter filtrerade bort lågfrekvens och blockerar högre av en sinusformad växelströmssignal. Detta aktiva lågpassfilter fungerar på samma sätt som passivt lågpassfilter, enda skillnad är här en extra komponent läggs till, det är en förstärkare som op-amp.

Här är den enkla lågpassfilterdesignen: -

Detta är bilden av aktivt lågpassfilter. Här visar brottlinjen oss det traditionella passiva lågpass RC-filtret vi såg i föregående handledning.

Skär av frekvens och spänningsförstärkning:

Formeln för avskärningsfrekvens är densamma som används i passivt lågpassfilter.

fc = 1 / 2πRC

Som beskrivs i föregående handledning är fc avstängningsfrekvens och R är motståndsvärde och C är kondensatorvärde.

De två motstånd som är anslutna i den positiva noden på op-amp är återkopplingsmotstånd. När dessa motstånd är anslutna i positiv nod på op-amp kallas det icke-inverterande konfiguration. Dessa motstånd är ansvariga för förstärkningen eller förstärkningen.

Vi kan enkelt beräkna förstärkarens förstärkning med hjälp av följande ekvationer där vi kan välja motsvarande motståndsvärde enligt förstärkning eller så kan det vara tvärtom: -

Förstärkarförstärkning (DC-amplitud) (Af) = (1 + R2 / R3)

Frekvenssvarskurva:

Låt oss se vad som kommer att vara resultatet för Active Low-passfiltret eller Bode-plot / frekvenskurvan: -

Detta är den slutliga utgången från Active Low-pass filter i op-amp icke-inverterande konfiguration. Vi kommer att se detaljerad förklaring i nästa bild.

Som vi ser är detta identiskt med passivt lågpassfilter. Från startfrekvensen till Fc eller frekvensgränspunkten eller hörnfrekvensen börjar från -3dB- punkten. Förstärkningen är 20dB i denna bild, så avstängningsfrekvensen är 20dB - 3dB = 17dB där fc-punkten är belägen. Lutningen är -20 dB per årtionde.

Oavsett filter kallas det från startpunkten till gränsfrekvenspunkten Bandbredd för filtret och därefter kallas det passband från vilket passeringsfrekvensen tillåts.

Vi kan beräkna storleksförstärkningen genom att omvandla op-amp-spänningsförstärkningen.

Beräkningen är som följer

db = 20log (Af)

Denna Af kan vara DC-förstärkningen som vi beskrev tidigare genom att beräkna motståndsvärdet eller dela Vout med Vin.

Icke-inverterande och inverterande förstärkarfilterkrets:

Denna aktiva lågpassfilterkrets som visas i början har också en begränsning. Dess stabilitet kan äventyras om signalkällans impedans ändras. Exempelvis minska eller öka.

En standarddesignpraxis kan förbättra stabiliteten, ta bort kondensatorn från ingången och ansluta den parallellt med en återkopplingsmotstånd för op-amp.

Här är kretsen Icke-inverterande aktivt lågpassfilter-

I den här figuren, om vi jämför detta med de kretsar som beskrivs i början, kan vi se att kondensatorns position ändras för impedansrelaterad stabilitet. I denna konfiguration påverkar den yttre impedansen ingen på kondensatorns reaktans, vilket förbättrar stabiliteten.

På samma konfiguration om vi vill invertera utsignalen kan vi välja inverteringssignalkonfigurationen för op-amp och kan ansluta filtret till den inverterade op-amp.

Här är kretsimplementeringen av inverterat aktivt lågpassfilter: -

Det är ett aktivt lågpassfilter i inverterad konfiguration. Op-amp är ansluten omvänd. I föregående avsnitt var ingången ansluten över op-amp: s positiva ingångsstift och op-ampets negativa stift används för att göra återkopplingskretsarna. Här är kretsarna inverterade. Positiv ingång ansluten till jordreferens och kondensatorn och återkopplingsmotståndet anslutet över negativt ingångsstift. Detta kallas inverterad op-amp-konfiguration och utsignalen kommer att inverteras än insignalen.

Unity Gain eller Voltage Follower Aktivt lågpassfilter:

Hittills används kretsarna som beskrivs här för spänningsförstärkning och efterförstärkning.

Vi kan göra det med en enhetsförstärkare, det betyder att utgångsamplituden eller förstärkningen kommer att vara densamma som ingången: 1x. Vin = Vout.

För att inte tala om, det är också en op-amp-konfiguration som ofta beskrivs som en spänningsföljarkonfiguration där op-amp skapade den exakta repliken för insignalen.

Låt oss se kretsdesignen och hur man konfigurerar op-amp som spänningsföljare och gör enhetsförstärkningen aktivt lågpassfilter: -

I den här bilden tas återkopplingsmotstånden från op-amp bort. I stället för motståndet är den negativa ingångsstiftet på op-amp ansluten direkt till ut-amp-amp. Denna op-amp-konfiguration kallas som Voltage follower-konfiguration. Förstärkningen är 1x. Det är ett aktivt lågpassfilter för enhetsförstärkning. Det kommer att producera exakt kopia av insignalen.

Praktiskt exempel med beräkning

Vi kommer att utforma en krets av aktivt lågpassfilter i icke-inverterande op-amp-konfiguration.

Specifikationer:-

1. Ingångsimpedans 10kohms
2. Vinsten blir 10 gånger
3. Cutoff freq kommer att vara 320Hz

Låt oss beräkna värdet först innan vi gör kretsarna: -

Förstärkarförstärkning (DC-amplitud) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

R2 = 1k (Vi måste välja ett värde; vi valde R2 som 1k för att minska komplexiteten i beräkningen).

Genom att sätta ihop värdet får vi

(10) = (1 + R3 / 1)

Vi beräknade att värdet på det tredje motståndet är 9k.

Nu måste vi beräkna motståndets värde enligt avstängningsfrekvensen. Eftersom det aktiva lågpassfiltret och det passiva lågpassfiltret fungerar på samma sätt är frekvensavgränsningsformeln densamma som tidigare.

Låt oss kontrollera kondensatorns värde om avstängningsfrekvensen är 320Hz, vi valde att motståndets värde är 4,7k.

fc = 1 / 2πRC

Genom att sätta alla värden ihop får vi: -

Genom att lösa denna ekvitation får vi värdet på kondensatorn är ungefär 106nF.

Nästa steg är att beräkna vinst. Förstärkningsformeln är densamma som passivt lågpassfilter. Formeln för förstärkning eller storlek i dB är som följer: -

20log (Af)

Eftersom förstärkningen av op-amp är 10x är storleken i dB 20log (10). Detta är 20 dB.

Nu när vi redan har beräknat värdena är det dags att konstruera kretsen. Låt oss lägga till alla och bygga kretsen: -

Vi konstruerade kretsen baserat på de värden som beräknats tidigare. Vi kommer att tillhandahålla 10Hz till 1500Hz frekvens och 10 poäng per årtionde vid ingången till det aktiva lågpassfiltret och kommer att undersöka ytterligare för att se om avstängningsfrekvensen är 320Hz eller inte vid förstärkarens utgång.

Detta är frekvenskurvan. Den gröna linjen startas från 10Hz till 1500Hz då insignalen levereras endast för det frekvensområdet.

Som vi vet att hörnfrekvensen alltid kommer att vara -3dB från den maximala förstärkningsstorleken. Här är förstärkningen 20dB. Så om vi får reda på kommer -3dB-punkten att få den exakta frekvensen där filtret stoppar de högre frekvenserna.

Vi ställer in markören på 17 db som (20dB-3dB = 17dB) hörnfrekvensen och får 317.950Hz eller 318Hz vilket är nära 320Hz.

Vi kan ändra kondensatorvärdet till det generiska som 100nF och inte nämna hörnsfrekvensen kommer också att påverkas med några Hz.

Andra ordningens aktiva lågpassfilter:

Det är möjligt att lägga till fler filter över en op-amp som andra ordningens aktiva lågpassfilter. I sådant fall, precis som det passiva filtret, läggs extra RC-filter till.

Låt oss se hur andra ordningens filterkrets är konstruerad.

Detta är andra ordningens filter. I figuren ovan kan vi tydligt se de två filtren läggs ihop. Detta är andra ordningens filter. Det är ett allmänt använt filter och industriell applikation är förstärkare, musiksystemskretsar före effektförstärkningen.

Som du kan se finns det en op-amp. Spänningsförstärkningen är densamma som tidigare angivits med två motstånd.

(Af) = (1 + R3 / R2)

Gränsfrekvensen är

En intressant sak att komma ihåg om vi vill lägga till fler op-amp som består av första ordningens filter kommer förstärkningen att multipliceras med varje individ. Förvirrad? Kan vara ett schema som hjälper oss.

Ju mer op-amp som läggs till desto mer multipliceras förstärkningen. Se ovanstående bild, I denna bild två op-amp kaskad med individuell op-amp. I denna krets Cascaded op amp, Om den första har 10x förstärkning och den andra är för 5x förstärkning kommer den totala förstärkningen att vara 5 x 10 = 50x förstärkning.

Så storleken på den kaskadiserade op-amp lågpassfilterkretsen vid två op-amp är: -

dB = 20log (50)

Genom att lösa denna ekvation är den 34dB. Så vinsten med kaskad formel för förstärkning av lågpassfilterförstärkare är

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

Där TdB = total storlek

Så här är Active lågpassfilter konstruerat. I nästa handledning kommer vi att se hur Active high pass filter kan konstrueras. Men innan nästa handledning, låt oss se vad applikationerna för Active lågpassfilter är: -

Applikationer

Aktivt lågpassfilter kan användas på flera ställen där passivt lågpassfilter inte kan användas på grund av begränsningen av förstärknings- eller förstärkningsförfarandet. Bortsett från det kan det aktiva lågpassfiltret användas på följande platser: -

Lågpassfilter används ofta i elektronik.

Här är några tillämpningar av Active Low Pass Filter: -

1. Basutjämning före effektförstärkning
2. Videorelaterade filter.
3. Oscilloskop
4. Musikkontrollsystem och basfrekvensmodulering samt före bashögtalare och högtalare för hög bas för basutgång.
5. Funktionsgenerator för att ge variabel lågfrekvens ut vid olika spänningsnivåer.
6. Ändra frekvensform vid annan våg än.