Filtru activ de trecere înaltă

Anterior am descris despre filtru pas pas înalt și filtru pas activ activ, acum este timpul pentru filtrul pas înalt activ. Să explorăm ce este un filtru Active High Pass.

Ce este, Circuit, formule, curbă?

La fel ca la filtrele pasive joase, filtrele pasive înalte funcționează cu componente pasive, rezistor și condensator. Am învățat în tutorialul anterior despre filtrul de trecere înaltă pasiv că funcționează fără nicio întrerupere externă sau răspuns activ.

Dacă adăugăm un amplificator peste filtrul de trecere înaltă pasiv, putem crea cu ușurință filtrul de trecere înaltă activ. Schimbând configurația amplificatorului putem forma, de asemenea, diferite tipuri de filtru de trecere înaltă, inversat sau neinversat sau filtru de trecere activ activ cu câștig de unitate.

Din motive de simplitate, eficiență temporală și, de asemenea, tehnologiile în creștere în proiectarea amplificatorului op, în general se utilizează un amplificator op pentru proiectarea filtrelor active.

În filtrul pasiv înalt, răspunsul în frecvență este infinit. Dar, în scenariul practic depinde în mare măsură de componente și de alți factori, aici, în cazul filtrului activ de trecere înaltă, lățimea de bandă a amplificatorului operațional este principala limitare a filtrului activ de trecere înaltă. Asta înseamnă că frecvența maximă va trece în funcție de câștigul amplificatorului și de caracteristica în buclă deschisă a amplificatorului op.

Să explorăm câțiva câștiguri de tensiune DC în buclă deschisă cu amplificatoare op.

Amplificator op	Lățime de bandă (dB)	Frecvența maximă
LM258	100	1MHz
uA741	100	1MHz
RC4558D	35	3MHz
TL082	110	3MHz
LM324N	100	1MHz

Aceasta este o mică listă despre amplificatorul op generic și creșterea tensiunii. De asemenea, câștigul de tensiune este în mare măsură dependent de frecvența semnalului și de tensiunea de intrare a amplificatorului opțional și de cât de mult câștig este aplicat în acel amplificator op.

Să explorăm mai departe și să înțelegem ce este special în acest sens: -

Iată proiectarea simplă a filtrelor High Pass: -

Aceasta este imaginea filtrului Active High Pass. Aici linia de încălcare ne arată filtrul tradițional pasiv High pass RC pe care l-am văzut în tutorialul anterior.

Tăiați câștigul de frecvență și tensiune:

Formula frecvenței de întrerupere este aceeași cu cea utilizată în filtrul pasiv High pass.

fc = 1 / 2πRC

Așa cum s-a descris în tutorialul anterior fc este frecvența de tăiere și R este valoarea rezistorului și C este valoarea condensatorului.

Cele două rezistențe conectate în nodul pozitiv al amplificatorului sunt rezistențe de feedback. Când aceste rezistențe sunt conectate în nodul pozitiv al amplificatorului op, se numește configurație fără inversare. Aceste rezistențe sunt responsabile pentru amplificare sau câștig.

De asemenea, putem calcula cu ușurință câștigul amplificatorului folosind următoarele ecuații, unde putem alege valoarea rezistenței echivalente în funcție de câștig sau poate fi invers: -

Câștig amplificator (amplitudine DC) (Af) = (1 + R3 / R2)

Curba de răspuns în frecvență:

Să vedem care va fi ieșirea filtrului Active High pass sau curba de răspuns Bode / Frecvență: -

Aceasta este curba de câștig a amplificatorului operațional și a filtrului conectat la amplificator.

Această curbă verde arată ieșirea amplificată a semnalului, iar cea roșie arată ieșirea fără amplificare a filtrului pasiv înalt.

Dacă vedem curba mai precis atunci vom găsi punctele de mai jos în interiorul acestui grafic: -

Curba roșie crește la 20dB / deceniu și în regiunea de decupare magnitudinea este -3dB, care este marja de fază de 45 de grade.

Așa cum s-a discutat anterior, răspunsul la frecvență maximă al unui amplificator operațional este strâns legat de câștigul sau lățimea de bandă (așa cum se numește câștig în buclă deschisă Av).

În lista furnizată înainte am văzut un amplificator de operare obișnuit tipic, cum ar fi uA741, LM324N are un câștig maxim de 100dB în buclă deschisă, care se va reduce la o rată de derulare de -20dB pe deceniu dacă crește frecvența de intrare. Frecvența maximă de intrare acceptată de LM324N, uA741 este de 1 Mhz, adică lățime de bandă sau frecvență de câștig de unitate. La această frecvență, amplificatorul operațional respectiv va produce câștig de 0 dB sau câștig de unitate scăzând cu 20 dB / deceniu.

Deci nu este infinit, după 1 MHz câștigul va scădea cu o rată de -20dB / deceniu. Lățimea de bandă a filtrului activ de trecere înaltă depinde în mare măsură de lățimea de bandă a amplificatorului op.

Putem calcula câștigul de magnitudine prin conversia câștigului de tensiune al amplificatorului op.

Calculul este după cum urmează: -

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

Acest Af poate fi câștigul Dc pe care l-am descris mai înainte prin calcularea valorii rezistorului sau împărțirea Vout cu Vin.

Putem obține, de asemenea, câștigul de tensiune din frecvența aplicată filtrului (f) și frecvența de întrerupere (fc). Derivarea câștigului de tensiune din aceste două este foarte simplă folosind această formulă =

Dacă punem valoarea lui f și fc vom obține câștigul de tensiune dorit pe filtru.

Circuitul filtrului amplificatorului inversor:

De asemenea, putem construi filtrul în formație inversată.

Marja de fază poate fi obținută prin următoarea ecuație.

Schimbarea fazei este aceeași cu cea din filtru pasiv înalt. Este +45 de grade la frecvența de tăiere a fc.

Iată implementarea circuitelor filtrului de trecere activ activ inversat: -

Este un filtru activ de trecere înaltă în configurație inversată. Op-amp-ul este conectat invers. În secțiunea anterioară, intrarea a fost conectată la pinul de intrare pozitiv al amplificatorului op, iar pinul negativ al amplificatorului op este utilizat pentru a realiza circuitele de feedback. Aici circuitele s-au inversat. Intrare pozitivă conectată la referința la sol și condensatorul și rezistorul de feedback conectat la pinul de intrare negativ al amplificatorului op. Aceasta se numește configurație inversată a amplificatorului opțional și semnalul de ieșire va fi inversat decât semnalul de intrare.

Rezistorul R1 acționează ca un rol de filtru pasiv și, de asemenea, ca un rezistor de câștig, ambele simultan.

Unity Gain sau filtrul activ de trecere înaltă a urmăritorului de tensiune:

Până în prezent, circuitele descrise aici sunt utilizate în scopul creșterii tensiunii și post amplificării.

O putem face folosind un amplificator de câștig de unitate, ceea ce înseamnă că amplitudinea sau câștigul de ieșire va fi 1x. Vin = Vout.

Ca să nu mai vorbim, este, de asemenea, o configurație op-amp care adesea este descrisă ca o configurație de tensiune în care amplificatorul op creează o replică exactă a semnalului de intrare.

Să vedem proiectarea circuitului și cum să configurați op-amp-ul ca următor de tensiune și să facem ca unitatea să câștige activă Filtrul de trecere înaltă: -

În această imagine totul este identic cu amplificatorul de câștig utilizat în prima figură. rezistențele de feedback ale amplificatorului operațional sunt eliminate. În loc de rezistență pinul de intrare negativ al amplificatorului operațional este conectat direct cu amplificatorul opțional de ieșire. Această configurație op-amp este denumită configurație Voltage follower. Câștigul este de 1x. Este un filtru de trecere activ activ cu câștig de unitate. Va produce replica exactă a semnalului de intrare.

Exemplu practic cu Calcul

Vom proiecta un circuit de filtru activ de trecere înaltă în configurație op-amp fără inversare.

Specificații:-

1. Câștigul va fi de 2x
2. Frecvența cutoff va fi de 2KHz

Să calculăm prima valoare înainte de a realiza circuitele: -

Câștig amplificator (amplitudine DC) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 2

R2 = 1k (Trebuie să selectăm o valoare; am selectat 1k pentru reducerea complexității calculului).

Punând valoarea împreună obținem

(2) = (1 + R3 / 1)

Am calculat valoarea celui de-al treilea rezistor (R3) este 1k.

Acum trebuie să calculăm valoarea rezistorului în funcție de frecvența de întrerupere. Deoarece filtrul trece înalt activ și filtrul trece înalt activ funcționează în același mod, formula de tăiere a frecvenței este aceeași ca înainte.

Să verificăm valoarea condensatorului dacă frecvența de întrerupere este de 2KHz, am selectat valoarea condensatorului este 0,01uF sau 10nF.

fc = 1 / 2πRC

Punând toate valorile împreună obținem: -

2000 = 1 / 2π * 10 * 10 ^-9

Rezolvând această ecuație obținem valoarea rezistorului de aproximativ 7,96.

Cea mai apropiată valoare este selectată a acestui rezistor de 8k Ohm.

Următorul pas este să calculați câștigul. Formula câștigului este aceeași cu filtrul pasiv High pass. Formula câștigului sau magnitudinii în dB este următoarea: -

Deoarece câștigul amplificatorului este de 2x. Deci, Af este 2.

fc este tăiată frecvența, astfel încât valoarea fc este de 2Khz sau 2000Hz.

Schimbând acum frecvența (f) obținem câștigul.

Frecvența (f)	Câștig de tensiune (Af) (Vout / Vin)	Câștig (dB) 20log (Vout / Vin)
100	.10	-20.01
250	.25	-12.11
500	.49	-6,28
750	.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

În acest tabel de la 100 Hz, câștigul este crescut secvențial într-un ritm de 20dB / deceniu, dar după atingerea frecvenței de tăiere, câștigul este crescut încet la 6,02dB și rămâne constant.

Un lucru pentru a reaminti că câștigul amplificatorului este de 2x. Din acest motiv, frecvența de tăiere este: -3dB la 0dB (1x câștig) la + 3dB (2x câștig)

Acum, după cum am calculat deja valorile, acum este momentul să construim circuitul. Să adăugăm toate împreună și să construim circuitul: -

Am construit circuitul pe baza valorilor calculate anterior. Vom furniza o frecvență de 10Hz până la 100KHz și 10 puncte pe deceniu la intrarea filtrului activ de trecere înaltă și vom investiga în continuare pentru a vedea dacă frecvența de întrerupere este de 2000Hz sau nu la ieșirea amplificatorului

Aceasta este curba de răspuns în frecvență. Linia verde reprezintă ieșirea amplificată a filtrului, care este de 2 ori câștiguri. Și linia roșie care reprezintă răspunsul filtrului la intrarea amplificatorului.

Setăm cursorul la frecvența de colț 3dB și obținem 2,0106 KHz sau 2 KHz.

Așa cum s-a descris înainte câștigul filtrului pasiv -3dB, dar pe măsură ce câștigul de 2x al circuitelor op-amp a fost adăugat la ieșirea filtrată, punctul de tăiere este acum 3dB, iar 3dB a fost adăugat de două ori.

În cascadă și adăugarea mai multor filtre la un singur amplificator op

Este posibil să adăugați mai multe filtre într-un amplificator operațional, cum ar fi filtrul de trecere activă de ordinul doi. În acest caz, la fel ca filtrul pasiv, se adaugă un filtru RC suplimentar.

Să vedem cum este construit circuitul de filtrare trece înaltă activă de a doua comandă.

Acesta este filtrul de ordinul doi. În figură putem vedea clar cele două filtre adăugate împreună. Acesta este filtrul de trecere înaltă de ordinul doi.

După cum puteți vedea, există un amplificator op. Câștigul de tensiune este același cu cel menționat anterior folosind două rezistențe. Deoarece formula de câștig este aceeași, câștigul de tensiune este

Af = (1 + R2 / R1)

Frecvența de întrerupere este: -

Putem adăuga un filtru activ cu comandă superioară de comandă superioară. Dar există o regulă.

Dacă dorim să realizăm un filtru de ordinul al treilea putem filtra în cascadă filtrul de ordinul doi și al doilea.

La fel ca în cazul a două filtre Second-order creați un filtru de ordinul patru și aceste sume sunt adăugate de fiecare dată.

Cascading Active High Pass Filter se poate face după cum urmează: -

Cu cât op-amp-ul se adaugă, cu atât se adaugă mai mult câștig. Vezi figura de mai sus. Numerele scrise pe amplificatorul operațional reprezintă etapa comenzii. Ca 1 = etapa de ordinul 1, 2 = etapa de ordinul 2. De fiecare dată când se adaugă etapa, se adaugă magnitudinea câștigului, de asemenea, cu 20dB / deceniu pentru fiecare etapă. La fel ca pentru prima etapă este de 20 dB / deceniu, etapa a doua este de 20 dB + 20 dB = 40 dB pe deceniu etc. poziţie. Nu există limitări ale numărului de filtre care pot fi adăugate, dar exactitatea filtrului scade atunci când se adaugă ulterior filtre suplimentare. Dacă valoarea filtrului RC, adică Rezistorul și condensatoarele sunt aceleași pentru fiecare filtru, atunci frecvența de tăiere va fi, de asemenea, aceeași, câștigul general rămâne egal, deoarece componentele de frecvență utilizate sunt aceleași.

Aplicații

Filtrul activ de trecere înaltă poate fi utilizat în mai multe locuri în care filtrul pasiv de trecere înaltă nu poate fi utilizat din cauza limitării procedurii de amplificare sau câștig. În afară de asta, filtrul activ High pass poate fi utilizat în următoarele locuri: -

Filtrul de trecere înaltă este utilizat pe scară largă în electronică.

Iată câteva aplicații: -

1. Egalizarea înalților înainte de amplificarea puterii
2. Filtre video de înaltă frecvență.
3. Osciloscop și generator de funcții.
4. Înainte difuzor puternic pentru eliminarea sau reducerea zgomotului de joasă frecvență.
5. Schimbarea formei de frecvență la val diferit de.
6. Filtre de înălțare înalte.