Aktivní horní propust

Dříve jsme popsali pasivní horní propust a aktivní dolní propust, nyní je čas na aktivní horní propust. Pojďme prozkoumat, co je aktivní High Pass Filter.

Co je to, obvod, vzorce, křivka?

Stejně jako pasivní dolní propust funguje pasivní horní propust s pasivními součástmi, rezistorem a kondenzátorem. V předchozím kurzu jsme se dozvěděli o pasivním vysokopásmovém filtru, který funguje bez jakéhokoli vnějšího přerušení nebo aktivní odezvy.

Pokud přidáme zesilovač přes pasivní horní propust, můžeme snadno vytvořit aktivní horní propust. Při změně konfigurace zesilovače můžeme také vytvořit různé typy vysokoprůchodového filtru, invertovaného nebo neinvertovaného nebo jednotného zesílení aktivního horního průchodu.

Kvůli jednoduchosti, časové efektivitě a také rostoucím technologiím v designu operačních zesilovačů se pro návrh aktivního filtru obvykle používá operační zesilovač.

V pasivním filtru s vysokou propustností je frekvenční odezva nekonečná. V praktickém scénáři však velmi záleží na komponentách a dalších faktorech, zde v případě aktivního filtru s vysokým průchodem je šířka pásma op-amp hlavním omezením aktivního filtru s vysokým průchodem. To znamená, že maximální frekvence projde v závislosti na zisku zesilovače a charakteristice otevřené smyčky operačního zesilovače.

Prozkoumejme několik běžných zisků stejnosměrného napětí s otevřenou smyčkou operačních zesilovačů.

Operační zesilovač	Šířka pásma (dB)	Maximální frekvence
LM258	100	1 MHz
uA741	100	1 MHz
RC4558D	35	3 MHz
TL082	110	3 MHz
LM324N	100	1 MHz

Toto je malý seznam obecných operačních zesilovačů a tam zesílení napětí. Zisk napětí je také do značné míry závislý na frekvenci signálu a vstupním napětí operačního zesilovače a na tom, jak velký zisk je v tomto operačním zesilovači aplikován.

Pojďme prozkoumat dále a pochopit, co je na tom zvláštní: -

Tady je jednoduchý design High Pass filtru: -

Toto je obrázek filtru Active High Pass. Zde nám linka violate ukazuje tradiční pasivní High pass RC filtr, který jsme viděli v předchozím tutoriálu.

Mezní frekvence a zisk napětí:

Vzorec mezní frekvence je stejný jako u pasivního horního filtru.

fc = 1 / 2πRC

Jak je popsáno v předchozím tutoriálu, fc je mezní frekvence a R je hodnota rezistoru a C je hodnota kondenzátoru.

Dva rezistory připojené v kladném uzlu operačního zesilovače jsou zpětnovazební rezistory. Pokud jsou tyto rezistory připojeny v kladném uzlu operačního zesilovače, nazývá se to neinvertující konfigurace. Tyto odpory jsou zodpovědné za zesílení nebo zisk.

Můžeme také snadno vypočítat zisk zesilovače pomocí následujících rovnic, kde můžeme zvolit ekvivalentní hodnotu rezistoru podle zisku nebo to může být naopak: -

Zisk zesilovače (DC amplituda) (Af) = (1 + R3 / R2)

Křivka frekvenční odezvy:

Podívejme se, jaký bude výstup filtru aktivního horního pásma nebo křivky Bode / křivka frekvenční odezvy: -

Toto je křivka zisku operačního zesilovače a filtru připojeného přes zesilovač.

Tato zelená křivka ukazuje zesílený výstup signálu a červená ukazuje zesílený výstup přes pasivní horní propust.

Pokud vidíme křivku přesněji, najdeme níže uvedené body v tomto grafu bodů: -

Červená křivka se zvyšuje s 20dB / dekádu a v mezní oblasti je velikost -3dB, což je 45stupňová fázová marže.

Jak již bylo uvedeno výše, maximální frekvenční odezva operačního zesilovače je vysoce spojena s jeho ziskem nebo šířkou pásma (tzv. Zisk otevřené smyčky Av).

V seznamu, který jsme uvedli dříve, než jsme viděli typické běžné operační zesilovače jako uA741, mají LM324N maximální zisk otevřené smyčky 100 dB, který se sníží rychlostí roll-off -20 dB za dekádu, pokud se zvýší vstupní frekvence. Maximální vstupní frekvence podporovaná LM324N, uA741 je 1 Mhz, což je šířka pásma nebo frekvence jednotného zisku. Na této frekvenci bude příslušný operační zesilovač produkovat zisk 0 dB nebo zisk jednoty klesající o 20 dB / dekádu.

Není to nekonečné, po 1 MHz se zisk sníží rychlostí -20 dB / dekádu. Šířka pásma aktivního horního propustného filtru je vysoce závislá na šířce pásma operačního zesilovače.

Můžeme vypočítat zisk velikosti převedením zesílení napětí operačního zesilovače.

Výpočet je následující: -

dB = 20log (Af) Af = Vin / Vout

To Af může být zisk Dc, který jsme popsali dříve, výpočtem hodnoty rezistoru nebo dělením Vout s Vin.

Můžeme také získat napěťový zisk z frekvence aplikované na filtr (f) a mezní frekvenci (fc). Odvození napěťového zisku z těchto dvou je velmi jednoduché pomocí tohoto vzorce =

Pokud dáme hodnotu f a fc, dostaneme požadovaný napěťový zisk přes filtr.

Obvod filtru invertujícího zesilovače:

Můžeme také sestrojit filtr v obrácené formaci.

Fázovou marži lze získat následující rovnicí.

Fázový posun je stejný jako u pasivního horního filtru. Je to +45 stupňů při mezní frekvenci fc.

Zde je implementace obvodů invertovaného aktivního High pass filtru: -

Jedná se o aktivní horní propust v obrácené konfiguraci. Operační zesilovač je připojen nepřímo. V předchozí části byl vstup připojen přes kladný vstupní pin operačního zesilovače a záporný pin operačního zesilovače se používá k vytvoření obvodů zpětné vazby. Zde se obvody převrátily. Kladný vstup připojený k uzemnění a kondenzátor a zpětnovazební rezistor připojený přes záporný vstupní pin op-amp. Tomu se říká obrácená konfigurace zesilovače a výstupní signál bude invertován než vstupní signál.

Rezistor R1 funguje jako role pasivního filtru a také jako zesilovací rezistor najednou.

Aktivní High Pass filtr Unity Gain nebo Voltage Follower:

Doposud se zde popsané obvody používají pro účely zesílení napětí a po zesílení.

Můžeme to udělat pomocí zesilovače zesílení jednoty, což znamená, že výstupní amplituda nebo zesílení bude 1x. Vin = Vout.

Nemluvě o tom je také konfigurace op-zesilovače, která se často popisuje jako konfigurace sledovače napětí, kde op-amp vytváří přesnou repliku vstupního signálu.

Podívejme se na design obvodu a na to, jak nakonfigurovat operační zesilovač jako sledovač napětí a jak aktivovat zesílení jednoty High pass filtr: -

Na tomto obrázku je vše stejné jako zesilovač zisku použitý na prvním obrázku. zpětnovazební odpory operačního zesilovače jsou odstraněny. Namísto odporu je záporný vstupní pin operačního zesilovače připojen přímo k výstupnímu operačnímu zesilovači. Tato konfigurace operačního zesilovače se nazývá konfigurace sledovače napětí. Zisk je 1x. Jedná se o aktivní jednotkový zisk High pass filtr. Produkuje přesnou repliku vstupního signálu.

Praktický příklad s výpočtem

Navrhneme obvody aktivního High pass filtru v neinvertující konfiguraci op-amp.

Specifikace:-

1. Zisk bude 2x
2. Mezní frekvence bude 2KHz

Před provedením obvodů nejprve vypočítáme hodnotu: -

Zisk zesilovače (DC amplituda) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 2

R2 = 1k (Musíme vybrat jednu hodnotu; pro snížení složitosti výpočtu jsme vybrali 1k).

Spojením hodnoty dostaneme

(2) = (1 + R3 / 1)

Vypočítali jsme, že hodnota třetího rezistoru (R3) je 1k.

Nyní musíme vypočítat hodnotu rezistoru podle mezní frekvence. Jako aktivní horní propust a pasivní horní propust funguje stejně jako vzorec pro omezení frekvence.

Zkontrolujme hodnotu kondenzátoru, pokud je mezní frekvence 2KHz, vybrali jsme hodnotu kondenzátoru 0,01uF nebo 10nF.

fc = 1 / 2πRC

Spojením všech hodnot dostaneme: -

2000 = 1 / 2π * 10 * 10 ^-9

Vyřešením této rovnice získáme hodnotu rezistoru přibližně 7,96.

Je vybrána nejbližší hodnota tohoto rezistoru 8k Ohmů.

Dalším krokem je výpočet zisku. Vzorec zisku je stejný jako pasivní High pass filtr. Vzorec zisku nebo velikosti v dB je následující: -

Protože zisk operačního zesilovače je 2x. Af je tedy 2.

fc je mezní frekvence, takže hodnota fc je 2 kHz nebo 2 000 Hz.

Nyní změnou frekvence (f) získáme zisk.

Frekvence (f)	Zisk napětí (Af) (Vout / Vin)	Zisk (dB) 20log (Vout / Vin)
100	.10	-20.01
250	.25	-12.11
500	.49	-6,28
750	0,70	-3,07
1 000	.89	-0,97
2 000	1.41	3.01
5 000	1,86	5,38
10 000	1,96	5,85
50 000	2	6,01
100 000	2	6,02

V této tabulce od 100 Hz je zisk postupně zvyšován tempem 20 dB / dekádu, ale po dosažení mezní frekvence je zisk pomalu zvýšen na 6,02 dB a zůstává konstantní.

Jedna věc, která připomíná, že zisk operačního zesilovače je 2x. Z tohoto důvodu je mezní frekvence: -3dB až 0dB (1x zisk) až + 3dB (2x zisk)

Nyní, když jsme již vypočítali hodnoty, nyní je čas sestrojit obvod. Přidejte všechny dohromady a vytvořme obvod: -

Zkonstruovali jsme obvod na základě hodnot vypočítaných dříve. Poskytneme frekvenci 10 Hz až 100 kHz a 10 bodů za desetiletí na vstupu aktivního filtru High Pass a budeme dále zkoumat, zda je mezní frekvence 2000 Hz nebo ne na výstupu zesilovače

Toto je křivka frekvenční odezvy. Zelená čára představuje zesílený výstup filtru, což je 2 x zisk. A červená čára představující odezvu filtru na vstupu zesilovače.

Nastavíme kurzor na 3dB rohovou frekvenci a dostaneme 2,0106 KHz nebo 2 KHz.

Jak bylo popsáno dříve, zisk pasivního filtru -3 dB, ale jako dvojnásobný zisk obvodů operačních zesilovačů přidaných přes filtrovaný výstup je mezní bod nyní 3dB, protože 3dB byl přidán dvakrát.

Kaskádování a přidání více filtrů do jednoho operačního zesilovače

Je možné přidat více filtrů přes jeden operační zesilovač, jako je aktivní horní filtr druhého řádu. V takovém případě je stejně jako pasivní filtr přidán další RC filtr.

Podívejme se, jak je konstruován aktivní obvod horního filtru druhého řádu druhého řádu.

Toto je filtr druhého řádu. Na obrázku jasně vidíme dva filtry sečtené. Toto je horní propust druhého řádu.

Jak vidíte, je zde jeden operační zesilovač. Zisk napětí je stejný, jak bylo dříve uvedeno, pomocí dvou rezistorů. Protože vzorec zisku je stejný, je zisk napětí

Af = (1 + R2 / R1)

Mezní frekvence je: -

Můžeme přidat aktivní filtr vyššího řádu. Existuje však jedno pravidlo.

Pokud chceme vytvořit filtr třetího řádu, můžeme kaskádovat filtr prvního a druhého řádu.

Stejně jako dva filtry druhého řádu vytvořte filtr čtvrtého řádu a tyto součty se sčítají pokaždé.

Kaskádový aktivní horní propust lze provést následujícím způsobem: -

Čím více operační zesilovač přidá, tím více se přidá. Viz výše uvedený obrázek. Čísla napsaná na operačním zesilovači představují fázi objednávky. Stejně jako 1 = fáze 1. řádu, 2 = fáze 2. řádu. Pokaždé, když je přidána fáze, je přidána také velikost zisku o 20 dB / dekáda pro každou fázi. Stejně jako v první fázi je to 20 dB / dekáda, ve 2. fázi je to 20 dB + 20 dB = 40 dB za dekádu atd. Každý filtr sudých čísel se skládá z filtrů druhého řádu, každé liché číslo se skládá z filtru prvního řádu a druhého řádu, filtr prvního řádu na prvním pozice. Počet filtrů, které lze přidat, není nijak omezen, ale přesnost filtru klesá, když jsou následně přidány další filtry. Pokud je hodnota RC filtru, tj. Rezistoru a kondenzátorů, stejná pro každý filtr, pak bude mezní frekvence stejná, celkový zisk zůstane stejný, protože použité frekvenční složky jsou stejné.

Aplikace

Aktivní horní propust lze použít na více místech, kde pasivní horní propust nelze použít kvůli omezení postupu zesílení nebo zesílení. Kromě toho lze aktivní horní propust použít na následujících místech: -

High pass filtr je široce používaný obvod v elektronice.

Zde je několik aplikací: -

1. Vyrovnání výšek před zesílením výkonu
2. Vysokofrekvenční filtry související s videem.
3. Osciloskop a generátor funkcí.
4. Before Loud speaker pro odstranění nebo snížení nízkofrekvenčního šumu.
5. Změna tvaru frekvence při různých vlnách od.
6. Filtry pro zvýšení výšek.