Aktivní dolní propust

Dříve jsme popsali pasivní dolní propust, v tomto kurzu prozkoumáme, co je aktivní dolní propust.

Co je to, obvod, vzorce, křivka?

Jak víme z předchozího kurzu, pasivní dolní propust pracuje s pasivními součástmi. Klíčem nebo srdcem pasivního nízkoprůchodového filtračního obvodu jsou pouze dva pasivní komponenty rezistor a kondenzátor. V předchozích cvičeních jsme se naučili, že pasivní dolní propust funguje bez jakéhokoli vnějšího přerušení nebo aktivní odezvy. Má však určitá omezení.

Omezení pasivního dolní propusti jsou následující: -

1. Impedance obvodu vytváří ztrátu amplitudy. Takže Vout je vždy menší než Vin.
2. Zesílení nelze provést pouze pasivním nízkoprůchodovým filtrem.
3. Vlastnosti filtru jsou velmi závislé na impedanci zátěže.
4. Zisk je vždy stejný nebo menší než zisk jednoty.
5. Čím více stupňů filtru nebo pořadí filtrů přidalo, ztráta amplitudy se zmenšila.

Kvůli tomuto omezení, pokud je potřeba zesílení, nejlepší způsob přidání aktivní složky, která zesílí filtrovaný výstup. Toto zesílení se provádí operačním zesilovačem nebo operačním zesilovačem. Protože to vyžaduje zdroj napětí, je to aktivní součást. Tedy název Aktivní dolní propust.

Typický zesilovač čerpá energii z externího zdroje napájení a zesiluje signál, ale je vysoce flexibilní, protože můžeme flexibilněji měnit šířku frekvenčního pásma. Je také na výběru uživatele nebo návrháře, jaký typ aktivních komponent zvolit v závislosti na požadavcích. Může to být Fet, Jfet, Transistor, Op-Amp, které nabízejí velkou flexibilitu. Volba komponenty závisí také na ceně a efektivitě, pokud je navržena pro sériově vyráběný produkt.

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

Podívejme se, proč bychom si měli vybrat a operační zesilovač navrhnout aktivní dolní propust: -

1. Vysoká vstupní impedance.

   Vzhledem k vysoké vstupní impedanci nebylo možné zničit nebo změnit vstupní signál. Obecně nebo ve většině případů může dojít ke zničení vstupního signálu s velmi nízkou amplitudou, pokud se použije jako obvod s nízkou impedancí. Op-Amp získal v takových případech plusový bod.

2. Velmi nízký počet komponent. Je zapotřebí pouze několik odporů.
3. K dispozici jsou různé typy operačních zesilovačů v závislosti na zesílení, specifikaci napětí.
4. Nízká hlučnost.
5. Snadnější návrh a implementace.

Ale jak víme, že nic není úplně dokonalé, má tento design aktivního filtru také určitá omezení.

Zisk výstupu a šířka pásma i frekvenční odezva jsou závislé na specifikaci operačního zesilovače.

Pojďme to prozkoumat dále a pochopit, co je na tom zvláštní.

Aktivní nízkoprůchodový filtr se zesílením:

Než pochopíme design aktivního nízkoprůchodového filtru s operačním zesilovačem, potřebujeme vědět něco o zesilovačích. Amplify je zvětšovací sklo, které vytváří repliku toho, co vidíme, ale ve větší formě, aby to lépe rozpoznalo.

V prvním kurzu pasivního nízkoprůchodového filtru jsme se naučili, co je nízkoprůchodový filtr. Nízkofrekvenční filtr odfiltroval nízkou frekvenci a zablokoval vyšší frekvenci sinusového signálu střídavého proudu. Tento aktivní nízkoprůchodový filtr funguje stejně jako pasivní nízkoprůchodový filtr, pouze zde je přidána jedna další součást, jedná se o zesilovač jako operační zesilovač.

Zde je jednoduchý design nízkoprůchodového filtru: -

Toto je obrázek aktivního dolní propusti. Tady nám porušení ukazuje tradiční pasivní nízkoprůchodový RC filtr, který jsme viděli v předchozím tutoriálu.

Mezní frekvence a zisk napětí:

Vzorec mezní frekvence je stejný jako v pasivním dolnoprůchodovém 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 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 + R2 / R3)

Křivka frekvenční odezvy:

Podívejme se, jaký bude výstup filtru Active Low Pass nebo křivky Bode plot / Frequency response: -

Toto je konečný výstup filtru Active Low Pass v neinvertující konfiguraci operačního zesilovače. Na dalším obrázku uvidíme podrobné vysvětlení.

Jak vidíme, je to identické s pasivním nízkoprůchodovým filtrem. Od počáteční frekvence k Fc nebo hraničnímu bodu frekvence nebo rohová frekvence začne od -3dB bodu. Zisk je na tomto obrázku 20 dB, takže mezní frekvence je 20 dB - 3dB = 17 dB, kde je umístěn fc bod. Sklon je -20 dB za desetiletí.

Bez ohledu na filtr se od počátečního bodu do mezního kmitočtového bodu nazývá Šířka pásma filtru a poté se nazývá propustné pásmo, ze kterého je povolena procházející frekvence.

Můžeme vypočítat zisk velikosti převedením zesílení napětí operačního zesilovače.

Výpočet je následující

db = 20log (Af)

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

Obvod filtru neinvertujícího a invertujícího zesilovače:

Tento aktivní dolní propustný obvod zobrazený na začátku má také jedno omezení. Jeho stabilita může být narušena, pokud se změní impedance zdroje signálu. Např. Snížit nebo zvýšit.

Standardní návrhová praxe by mohla zlepšit stabilitu odstraněním kondenzátoru ze vstupu a jeho paralelním připojením k druhému zpětnovazebnímu odporu op-amp.

Zde je obvod Neinvertující aktivní dolní propust

Na tomto obrázku, pokud to porovnáme s obvody popsanými na začátku, vidíme, že poloha kondenzátoru je změněna kvůli stabilitě související s impedancí. V této konfiguraci externí impedance nemá žádný vliv na reaktanci kondenzátorů, čímž se stabilita zlepšila.

Pokud chceme ve stejné konfiguraci invertovat výstupní signál, můžeme zvolit konfiguraci invertujícího signálu operačního zesilovače a můžeme připojit filtr s tímto obráceným operačním zesilovačem.

Zde je implementace obvodů invertovaného aktivního dolnoprůchodového filtru: -

Jedná se o aktivní dolní 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.

Aktivní nízkoprůchodový filtr Unity Gain nebo Voltage Follower:

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

Můžeme to udělat pomocí zesilovače jednotného zisku, což znamená, že výstupní amplituda nebo zisk budou stejné jako vstup: 1x. Vin = Vout.

Nemluvě o tom, že se také jedná o konfiguraci operačního zesilovače, která se často popisuje jako konfigurace sledovače napětí, kde operační zesilovač vytvořil přesnou repliku vstupního signálu.

Podívejme se na design obvodu a na to, jak nakonfigurovat operační zesilovač jako sledovač napětí a aktivovat filtr dolní propusti pro jednotný zisk: -

Na tomto obrázku jsou odstraněny zpětnovazební odpory operačního zesilovače. 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 dolní propust se ziskem jednoty. Produkuje přesnou repliku vstupního signálu.

Praktický příklad s výpočtem

Navrhneme obvody aktivního nízkoprůchodového filtru v neinvertující konfiguraci op-amp.

Specifikace:-

1. Vstupní impedance 10 kOhms
2. Zisk bude 10x
3. Mezní frekvence bude 320 Hz

Před provedením obvodů nejprve vypočítáme hodnotu: -

Zisk zesilovače (DC amplituda) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

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

Spojením hodnoty dostaneme

(10) = (1 + R3 / 1)

Vypočítali jsme, že hodnota třetího odporu je 9k.

Nyní musíme vypočítat hodnotu rezistoru podle mezní frekvence. Protože aktivní dolní propust a pasivní dolní propust pracují stejně, vzorec pro omezení frekvence je stejný jako dříve.

Zkontrolujme hodnotu kondenzátoru, pokud je mezní frekvence 320 Hz, vybrali jsme hodnotu rezistoru 4,7 k.

fc = 1 / 2πRC

Spojením všech hodnot dostaneme: -

Vyřešením této rovnice získáme hodnotu kondenzátoru přibližně 106 nF.

Dalším krokem je výpočet zisku. Vzorec zisku je stejný jako pasivní dolní propust. Vzorec zisku nebo velikosti v dB je následující: -

20log (Af)

Protože zisk operačního zesilovače je 10x, velikost v dB je 20log (10). To je 20 dB.

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. Na vstupu aktivního nízkoprůchodového filtru poskytneme frekvenci 10 Hz až 1 500 Hz a 10 bodů za desetiletí a budeme dále zkoumat, zda je mezní frekvence 320 Hz nebo ne na výstupu zesilovače.

Toto je křivka frekvenční odezvy. Zelená linka je spuštěna od 10 Hz do 1 500 Hz, protože vstupní signál je dodáván pouze pro tento rozsah frekvence.

Jak víme, frekvence rohu bude vždy na -3 dB od velikosti maximálního zisku. Zde je zisk 20 dB. Pokud tedy zjistíme, -3dB bod získá přesnou frekvenci, kde filtr zastaví vyšší frekvence.

Nastavili jsme kurzor na 17 db jako (20dB-3dB = 17dB) rohovou frekvenci a dostali jsme 317,950Hz nebo 318Hz, což je blízko 320Hz.

Můžeme změnit hodnotu kondenzátoru na obecnou hodnotu 100 nF a nemluvě o tom, že rohová frekvence bude také ovlivněna několika Hz.

Aktivní dolní propust druhého řádu druhého řádu:

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

Podívejme se, jak je konstruován obvod filtru druhého řádu.

Toto je filtr druhého řádu. Na výše uvedeném obrázku vidíme jasně dva filtry sečtené. Toto je filtr druhého řádu. Jedná se o široce používaný filtr a průmyslovou aplikací je zesilovač, obvody hudebního systému před výkonovým zesilovačem.

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

(Af) = (1 + R3 / R2)

Mezní frekvence je

Jedna zajímavá věc k zapamatování, pokud chceme přidat více operačních zesilovačů, které se skládají z filtrů prvního řádu, bude zisk vynásoben každým jednotlivcem. Zmatený? Může být schéma nám pomůže.

Čím více operační zesilovač přidá, tím více se zesílí. Viz výše uvedený obrázek, Na tomto obrázku jsou dva operační zesilovače kaskádové s jednotlivými operačními zesilovači. V tomto obvodu je kaskádový operační zesilovač. Pokud má první zesílení 10x a druhý zesílení 5x, celkový zisk bude 5 x 10 = 50x zesílení.

Takže velikost kaskádového obvodu nízkoprůchodového filtru op-amp v případě dvou op-amp je: -

dB = 20log (50)

Vyřešením této rovnice je to 34 dB. Takže zisk kaskádového vzorce zesílení nízkoprůchodového filtru op-amp je

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

Kde TdB = celková velikost

Takto je konstruován aktivní dolní propust. V dalším kurzu uvidíme, jak lze sestrojit aktivní horní propust. Ale před dalším tutoriálem se podívejme, jaké jsou aplikace aktivního nízkoprůchodového filtru: -

Aplikace

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

Nízkoprůchodový filtr je široce používaný obvod v elektronice.

Zde je několik aplikací aktivního nízkoprůchodového filtru: -

1. Vyrovnání basů před zesílením výkonu
2. Filtry související s videem.
3. Osciloskop
4. Systém ovládání hudby a modulace basových frekvencí, stejně jako před basový reproduktor a vysoké basové zvukové reproduktory pro basy.
5. Generátor funkcí, který poskytuje proměnnou nízkou frekvenci na různé úrovni napětí.
6. Změna tvaru frekvence při různých vlnách od.