Aktiver Tiefpassfilter

Zuvor haben wir den passiven Tiefpassfilter beschrieben. In diesem Tutorial werden wir untersuchen, was ein aktiver Tiefpassfilter ist.

Was ist das, Schaltung, Formeln, Kurve?

Wie wir aus dem vorherigen Tutorial wissen, funktioniert der passive Tiefpassfilter mit passiven Komponenten. Nur zwei passive Komponenten Widerstand und Kondensator sind der Schlüssel oder das Herz einer passiven Tiefpassfilterschaltung. In den vorherigen Tutorials haben wir gelernt, dass passive Tiefpassfilter ohne äußere Unterbrechung oder aktive Reaktion funktionieren. Aber es hat gewisse Einschränkungen.

Die Einschränkungen des passiven Tiefpassfilters sind wie folgt: -

1. Die Impedanz der Schaltung führt zu einem Verlust der Amplitude. Der Vout ist also immer kleiner als der Vin.
2. Die Verstärkung kann nicht nur mit einem passiven Tiefpassfilter durchgeführt werden.
3. Die Filtereigenschaften hängen stark von der Lastimpedanz ab.
4. Die Verstärkung ist immer gleich oder kleiner als die Einheitsverstärkung.
5. Je mehr Filterstufen oder Filterreihenfolge hinzugefügt werden, desto geringer wird der Amplitudenverlust.

Aufgrund dieser Einschränkung ist bei Bedarf eine Verstärkung der beste Weg, um eine aktive Komponente hinzuzufügen, die den gefilterten Ausgang verstärkt. Diese Verstärkung erfolgt durch einen Operationsverstärker oder einen Operationsverstärker. Da dies eine Spannungsquelle erfordert, ist es eine aktive Komponente. Daher der Name Aktiver Tiefpassfilter.

Ein typischer Verstärker bezieht die Energie aus der externen Stromversorgung und verstärkt das Signal. Er ist jedoch sehr flexibel, da wir die Frequenzbandbreite flexibler ändern können. Es liegt auch in der Wahl des Benutzers oder des Designers, je nach den Anforderungen auszuwählen, welche Art von aktiven Komponenten ausgewählt werden soll. Es können Fet, Jfet, Transistor, Operationsverstärker sein, die viel Flexibilität beinhalten. Die Wahl der Komponente hängt auch von den Kosten und der Wirksamkeit ab, wenn sie für ein Massenproduktionsprodukt ausgelegt ist.

Aus Gründen der Einfachheit, Zeiteffektivität und der wachsenden Technologien im Op-Amp-Design wird im Allgemeinen ein Op-Amp für das Active Filter-Design verwendet.

Mal sehen, warum wir einen Operationsverstärker wählen sollten, um einen aktiven Tiefpassfilter zu entwerfen: -

1. Hohe Eingangsimpedanz.

   Aufgrund der hohen Eingangsimpedanz konnte das Eingangssignal nicht zerstört oder verändert werden. Im Allgemeinen oder in den meisten Fällen kann das Eingangssignal mit einer sehr geringen Amplitude zerstört werden, wenn es als niederohmige Schaltung verwendet wird. Op-Amp hat in solchen Fällen einen Pluspunkt.

2. Sehr geringe Komponentenzahl. Es werden nur wenige Widerstände benötigt.
3. Abhängig von der Verstärkung und der Spannungsspezifikation sind verschiedene Arten von Operationsverstärkern erhältlich.
4. Wenig Lärm.
5. Einfacher zu entwerfen und zu implementieren.

Da wir jedoch wissen, dass nichts vollkommen perfekt ist, weist dieses aktive Filterdesign auch gewisse Einschränkungen auf.

Die Ausgangsverstärkung und Bandbreite sowie der Frequenzgang hängen von der Operationsverstärkerspezifikation ab.

Lassen Sie uns weiter erforschen und verstehen, was das Besondere daran ist.

Aktiver Tiefpassfilter mit Verstärkung:

Bevor wir das Design des aktiven Tiefpassfilters mit Operationsverstärker verstehen, müssen wir ein wenig über Verstärker wissen. Amplify ist eine Lupe, die eine Nachbildung dessen produziert, was wir sehen, aber in größerer Form, um es besser zu erkennen.

Im ersten Tutorial zum passiven Tiefpassfilter hatten wir gelernt, was Tiefpassfilter ist. Das Tiefpassfilter filterte die Niederfrequenz heraus und blockierte ein höheres sinusförmiges Wechselstromsignal. Dieses aktive Tiefpassfilter funktioniert genauso wie das passive Tiefpassfilter. Der einzige Unterschied besteht darin, dass hier eine zusätzliche Komponente hinzugefügt wird. Es handelt sich um einen Verstärker als Operationsverstärker.

Hier ist das einfache Design des Tiefpassfilters: -

Dies ist das Bild des aktiven Tiefpassfilters. Hier zeigt uns die Verletzungslinie den traditionellen passiven Tiefpass-RC-Filter, den wir im vorherigen Tutorial gesehen haben.

Frequenz und Spannungsverstärkung abschalten:

Die Grenzfrequenzformel ist dieselbe wie bei passiven Tiefpassfiltern.

fc = 1 / 2πRC

Wie im vorherigen Tutorial beschrieben, ist fc die Grenzfrequenz und R ist der Widerstandswert und C ist der Kondensatorwert.

Die beiden im positiven Knoten des Operationsverstärkers angeschlossenen Widerstände sind Rückkopplungswiderstände. Wenn diese Widerstände im positiven Knoten des Operationsverstärkers angeschlossen sind, spricht man von einer nicht invertierenden Konfiguration. Diese Widerstände sind für die Verstärkung oder die Verstärkung verantwortlich.

Wir können die Verstärkung des Verstärkers leicht anhand der folgenden Gleichungen berechnen, wobei wir den äquivalenten Widerstandswert entsprechend der Verstärkung wählen können oder umgekehrt: -

Verstärkerverstärkung (Gleichstromamplitude) (Af) = (1 + R2 / R3)

Frequenzgangkurve:

Mal sehen, was die Ausgabe des aktiven Tiefpassfilters oder der Bode-Plot- / Frequenzgangkurve sein wird: -

Dies ist die endgültige Ausgabe des aktiven Tiefpassfilters in einer nicht invertierenden Konfiguration des Operationsverstärkers. Wir werden im nächsten Bild eine ausführliche Erklärung sehen.

Wie wir sehen, ist dies identisch mit dem passiven Tiefpassfilter. Von der Startfrequenz bis zum Fc- oder Frequenzgrenzpunkt oder der Eckfrequenz beginnt der -3-dB- Punkt. Die Verstärkung in diesem Bild beträgt 20 dB, daher beträgt die Grenzfrequenz 20 dB - 3dB = 17 dB, wenn sich der fc-Punkt befindet. Die Steigung beträgt -20 dB pro Jahrzehnt.

Unabhängig vom Filter wird es vom Startpunkt bis zum Grenzfrequenzpunkt als Bandbreite des Filters und danach als Durchlassband bezeichnet, von dem aus die Durchlassfrequenz zulässig ist.

Wir können die Größenverstärkung berechnen , indem wir die Spannungsverstärkung des Operationsverstärkers umwandeln.

Die Berechnung ist wie folgt

db = 20 log (Af)

Dieser Af kann die zuvor beschriebene Gleichstromverstärkung sein, indem der Widerstandswert berechnet oder der Vout durch Vin geteilt wird.

Nicht invertierende und invertierende Verstärkerfilterschaltung:

Diese zu Beginn gezeigte aktive Tiefpassfilterschaltung weist ebenfalls eine Einschränkung auf. Seine Stabilität kann beeinträchtigt werden, wenn sich die Signalquellenimpedanz ändert. ZB abnehmen oder erhöhen.

Eine Standardkonstruktionspraxis könnte die Stabilität verbessern, indem der Kondensator vom Eingang entfernt und parallel zum zweiten Rückkopplungswiderstand des Operationsverstärkers geschaltet wird.

Hier ist die Schaltung Nicht invertierender aktiver Tiefpassfilter-

Wenn wir dies in dieser Figur mit der eingangs beschriebenen Schaltung vergleichen, können wir sehen, dass die Kondensatorposition für eine impedanzbezogene Stabilität geändert wird. In dieser Konfiguration hat die externe Impedanz keinen Einfluss auf die Reaktanz der Kondensatoren, wodurch die Stabilität verbessert wird.

Wenn wir bei derselben Konfiguration das Ausgangssignal invertieren möchten, können wir die Konfiguration des invertierenden Signals des Operationsverstärkers auswählen und den Filter mit diesem invertierten Operationsverstärker verbinden.

Hier ist die Schaltungsimplementierung des invertierten aktiven Tiefpassfilters: -

Es ist ein aktives Tiefpassfilter in invertierter Konfiguration. Der Operationsverstärker ist umgekehrt angeschlossen. Im vorherigen Abschnitt wurde der Eingang über den positiven Eingangspin des Operationsverstärkers angeschlossen, und der negative Pin des Operationsverstärkers wird zur Herstellung der Rückkopplungsschaltung verwendet. Hier ist die Schaltung invertiert. Positiver Eingang mit Erdungsreferenz verbunden und Kondensator und Rückkopplungswiderstand über den negativen Eingangspin des Operationsverstärkers verbunden. Dies wird als invertierte Operationsverstärkerkonfiguration bezeichnet und das Ausgangssignal wird invertiert als das Eingangssignal.

Unity Gain oder Voltage Follower Active Low Pass Filter:

Bisher wird die hier beschriebene Schaltung zur Spannungsverstärkung und zur Nachverstärkung verwendet.

Wir können es mit einem Verstärker mit Einheitsverstärkung machen, das heißt, die Ausgangsamplitude oder -verstärkung entspricht der Eingabe: 1x. Vin = Vout.

Ganz zu schweigen davon, dass es sich auch um eine Operationsverstärkerkonfiguration handelt, die häufig als Spannungsfolgerkonfiguration bezeichnet wird, bei der der Operationsverstärker die exakte Nachbildung des Eingangssignals erstellt hat.

Sehen wir uns das Schaltungsdesign an und wie Sie den Operationsverstärker als Spannungsfolger konfigurieren und den Tiefpassfilter mit Einheitsverstärkung aktivieren: -

In diesem Bild werden die Rückkopplungswiderstände des Operationsverstärkers entfernt. Anstelle des Widerstands ist der negative Eingangspin des Operationsverstärkers direkt mit dem Ausgangs-Operationsverstärker verbunden. Diese Operationsverstärkerkonfiguration wird als Spannungsfolgerkonfiguration bezeichnet. Die Verstärkung beträgt 1x. Es ist ein aktives Tiefpassfilter mit Einheitsverstärkung. Es wird eine exakte Nachbildung des Eingangssignals erzeugt.

Praktisches Beispiel mit Berechnung

Wir werden eine Schaltung eines aktiven Tiefpassfilters in nicht invertierender Operationsverstärkerkonfiguration entwerfen.

Spezifikationen:-

1. Eingangsimpedanz 10 kOhm
2. Der Gewinn beträgt 10x
3. Die Grenzfrequenz beträgt 320 Hz

Berechnen wir zuerst den Wert, bevor wir die Schaltung erstellen: -

Verstärkerverstärkung (Gleichstromamplitude) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

R2 = 1k (Wir müssen einen Wert auswählen; wir haben R2 als 1k ausgewählt, um die Komplexität der Berechnung zu verringern).

Indem wir den Wert zusammenstellen, erhalten wir

(10) = (1 + R3 / 1)

Wir haben berechnet, dass der Wert des dritten Widerstands 9k beträgt.

Jetzt müssen wir den Wert des Widerstands gemäß der Grenzfrequenz berechnen. Da das aktive Tiefpassfilter und das passive Tiefpassfilter auf die gleiche Weise arbeiten, ist die Frequenzgrenzformel dieselbe wie zuvor.

Lassen Sie uns den Wert des Kondensators überprüfen, wenn die Grenzfrequenz 320 Hz beträgt. Wir haben den Wert des Widerstands auf 4,7 k eingestellt.

fc = 1 / 2πRC

Wenn wir alle Werte zusammenfassen, erhalten wir:

Durch Lösen dieser Gleichung erhalten wir, dass der Wert des Kondensators ungefähr 106 nF beträgt.

Der nächste Schritt ist die Berechnung der Verstärkung. Die Formel der Verstärkung ist dieselbe wie beim passiven Tiefpassfilter. Die Formel der Verstärkung oder Größe in dB lautet wie folgt: -

20log (Af)

Da die Verstärkung des Operationsverstärkers das 10-fache beträgt, beträgt die Größe in dB 20 log (10). Dies ist 20 dB.

Jetzt, da wir die Werte bereits berechnet haben, ist es an der Zeit, die Schaltung aufzubauen. Addieren wir alles und bauen die Schaltung auf: -

Wir haben die Schaltung basierend auf den zuvor berechneten Werten konstruiert. Wir werden eine Frequenz von 10 Hz bis 1500 Hz und 10 Punkte pro Jahrzehnt am Eingang des aktiven Tiefpassfilters bereitstellen und weiter untersuchen, ob die Grenzfrequenz am Ausgang des Verstärkers 320 Hz beträgt oder nicht.

Dies ist die Frequenzgangkurve. Die grüne Linie wird von 10 Hz bis 1500 Hz gestartet, da das Eingangssignal nur für diesen Frequenzbereich geliefert wird.

Wie wir wissen, liegt die Eckfrequenz immer bei -3 dB von der maximalen Verstärkungsgröße. Hier beträgt die Verstärkung 20 dB. Wenn wir also herausfinden, dass der -3dB-Punkt die genaue Frequenz erhält, bei der der Filter die höheren Frequenzen stoppt.

Wir setzen den Cursor auf 17 dB als (20 dB - 3dB = 17 dB) Eckfrequenz und erhalten 317,950 Hz oder 318 Hz, was nahe an 320 Hz liegt.

Wir können den Kondensatorwert auf den generischen Wert als 100nF ändern und nicht erwähnen, dass die Eckfrequenz auch durch einige Hz beeinflusst wird.

Aktiver Tiefpassfilter zweiter Ordnung:

Es ist möglich, mehr Filter über einen Operationsverstärker wie einen aktiven Tiefpassfilter zweiter Ordnung hinzuzufügen. In diesem Fall wird genau wie beim passiven Filter ein zusätzlicher RC-Filter hinzugefügt.

Mal sehen, wie die Filterschaltung zweiter Ordnung aufgebaut ist.

Dies ist der Filter zweiter Ordnung. In der obigen Abbildung sind die beiden Filter deutlich zu erkennen. Dies ist der Filter zweiter Ordnung. Es ist ein weit verbreiteter Filter und industrielle Anwendung ist Verstärker, Musiksystemschaltung vor der Leistungsverstärkung.

Wie Sie sehen können, gibt es einen Operationsverstärker. Die Spannungsverstärkung ist dieselbe wie zuvor unter Verwendung von zwei Widerständen angegeben.

(Af) = (1 + R3 / R2)

Die Grenzfrequenz ist

Eine interessante Sache, an die Sie sich erinnern sollten, wenn wir mehr Operationsverstärker hinzufügen möchten, die aus Filtern erster Ordnung bestehen, wird die Verstärkung mit jedem einzelnen multipliziert. Verwirrt? Vielleicht hilft uns ein Schaltplan.

Je mehr der Operationsverstärker hinzugefügt wird, desto mehr Verstärkung wird multipliziert. Siehe obige Abbildung. In diesem Bild sind zwei Operationsverstärker mit einem einzelnen Operationsverstärker kaskadiert. In dieser Schaltung ist der kaskadierte Operationsverstärker. Wenn der erste eine 10-fache Verstärkung und der zweite eine 5-fache Verstärkung hat, beträgt die Gesamtverstärkung 5 x 10 = 50-fache Verstärkung.

Die Größe der kaskadierten Tiefpassfilterschaltung des Operationsverstärkers bei zwei Operationsverstärkern beträgt also:

dB = 20 log (50)

Durch Lösen dieser Gleichung beträgt sie 34 dB. Die Verstärkung der kaskadierenden Formel für die Verstärkung des Tiefpassfilters des Operationsverstärkers beträgt also

TdB = 20 log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

Wobei TdB = Gesamtgröße

So wird der aktive Tiefpassfilter aufgebaut. Im nächsten Tutorial werden wir sehen, wie ein aktiver Hochpassfilter aufgebaut werden kann. Aber bevor wir mit dem nächsten Tutorial beginnen, sehen wir uns die Anwendungen des aktiven Tiefpassfilters an:

Anwendungen

Das aktive Tiefpassfilter kann an mehreren Stellen verwendet werden, an denen das passive Tiefpassfilter aufgrund der Einschränkung der Verstärkung oder des Verstärkungsverfahrens nicht verwendet werden kann. Abgesehen davon kann der aktive Tiefpassfilter an folgenden Stellen eingesetzt werden: -

Tiefpassfilter sind in der Elektronik weit verbreitet.

Hier sind einige Anwendungen von Active Low Pass Filter: -

1. Bassentzerrung vor Leistungsverstärkung
2. Videobezogene Filter.
3. Oszilloskop
4. Musiksteuerungssystem und Bassfrequenzmodulation sowie vor dem Woofer und High-Bass-Audio-Lautsprecher für Bass-Out.
5. Funktionsgenerator zur Bereitstellung eines variablen Niederfrequenzausgangs bei unterschiedlichen Spannungspegeln.
6. Ändern der Frequenzform bei verschiedenen Wellen von.