Filtru trece jos activ

Anterior am descris filtrul pas pas scăzut, în acest tutorial vom explora ce este un filtru pas scăzut activ.

Ce este, Circuit, formule, curbă?

După cum știm din tutorialul anterior, filtrul pasiv low pass funcționează cu componente pasive. Doar două componente pasive rezistor și condensator este cheia sau inima unui circuit pasiv de filtru trece jos. Am învățat în tutorialele anterioare că filtrele de trecere pasivă joasă sunt fără nicio întrerupere externă sau răspuns activ. Dar are anumite limitări.

Limitările filtrului pasiv de trecere joasă sunt după cum urmează: -

1. Impedanța circuitului creează pierderea amplitudinii. Deci, Vout este întotdeauna mai mic decât Vin.
2. Amplificarea nu se poate face doar cu un filtru pasiv jos.
3. Caracteristicile filtrului sunt foarte fiabile de impedanța de încărcare.
4. Câștigul este întotdeauna egal sau mai mic decât câștigul unității.
5. Mai multe etape de filtrare sau ordinea filtrelor au adăugat că pierderea de amplitudine devine mai mică.

Datorită acestei limitări, dacă este nevoie de amplificare, cel mai bun mod de a adăuga o componentă activă care va amplifica ieșirea filtrată. Această amplificare se face prin amplificator operațional sau amplificator op. Deoarece aceasta necesită o sursă de tensiune, este o componentă activă. Astfel, denumirea de filtru activ trece jos.

Un amplificator tipic extrage puterea de la sursa de alimentare externă și amplifică semnalul, dar este foarte flexibil, deoarece putem schimba lățimea de bandă de frecvență mai flexibil. De asemenea, este alegerea utilizatorului sau a proiectantului să selecteze ce tip de componente active să aleagă în funcție de cerințe. Poate fi Fet, Jfet, Transistor, Op-Amp care includ multă flexibilitate. Alegerea componentei este, de asemenea, de încredere în funcție de cost și eficiență, dacă este concepută pentru un produs de producție în serie.

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.

Să vedem de ce ar trebui să alegem și op-amp pentru a proiecta un filtru Active Low Pass: -

1. Impedanță mare de intrare.

   Datorită impedanței mari de intrare, semnalul de intrare nu a putut fi distrus sau modificat. În general sau în majoritatea cazurilor, semnalul de intrare care are o amplitudine foarte mică ar putea fi distrus dacă este utilizat ca circuit de impedanță scăzută. Op-Amp a obținut un plus în astfel de cazuri.

2. Număr foarte mic de componente. Sunt necesare doar câteva rezistențe.
3. Există diferite tipuri de amplificator opțional în funcție de câștig, de specificația tensiunii.
4. Zgomot redus.
5. Mai ușor de proiectat și implementat.

Dar, deoarece știm că nimic nu este perfect, acest design activ al filtrelor are, de asemenea, anumite limitări.

Câștigul de ieșire și lățimea de bandă, precum și răspunsul în frecvență sunt fiabile de specificațiile amplificatorului op.

Să explorăm mai departe și să înțelegem ce este special la asta.

Filtru Active Low Pass cu amplificare:

Înainte de a înțelege proiectarea filtrelor Active Low Pass cu op-amp, trebuie să știm puțin despre amplificatoare. Amplify este o lupă, produce o replică a ceea ce vedem, dar într-o formă mai mare pentru a o recunoaște mai bine.

În primul tutorial al filtrului de trecere scăzută pasivă, am aflat ce este filtrul de trecere scăzut. Filtrul de trecere scăzut a filtrat frecvența joasă și blochează unul mai înalt al unui semnal sinusoidal de curent alternativ. Acest filtru Active Low Pass funcționează la fel ca filtrul Passive Low Pass, singura diferență este aici că se adaugă o componentă suplimentară, este un amplificator ca amplificator op.

Iată designul simplu al filtrului low pass: -

Aceasta este imaginea filtrului Active Low Pass. Aici linia de încălcare ne arată tradiționalul filtru RC pasiv de trecere scăzut 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 scăzut.

fc = 1 / 2πRC

După 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 opțional 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.

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 + R2 / R3)

Curba de răspuns în frecvență:

Să vedem care va fi rezultatul filtrului Active Low Pass sau al curbei de răspuns Bode / Frecvență: -

Aceasta este ieșirea finală a filtrului Active Low pass în configurație op-amp fără inversare. Vom vedea explicații detaliate în următoarea imagine.

După cum vedem, acest lucru este identic cu filtrul pasiv low pass. De la frecvența de pornire până la punctul Fc sau de tăiere a frecvenței sau frecvența de colț va începe de la punctul -3dB. Câștigul este de 20 dB în această imagine, deci frecvența de tăiere este de 20 dB - 3dB = 17 dB în care este situat punctul fc. Panta este de -20dB pe deceniu.

Indiferent de filtru, de la punctul de pornire până la punctul de frecvență de tăiere se numește Lățime de bandă a filtrului și, după aceea, se numește bandă de trecere de la care este permisă frecvența de trecere.

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

Calculul este după cum urmează

db = 20log (Af)

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

Circuit de filtrare a amplificatorului fără inversare și inversare:

Acest circuit activ de filtru trece jos prezentat la început are, de asemenea, o singură limitare. Stabilitatea acestuia poate fi compromisă dacă se schimbă impedanța sursei de semnal. De exemplu, scădere sau creștere.

O practică de proiectare standard ar putea îmbunătăți stabilitatea, îndepărtând condensatorul de la intrare și conectându-l paralel cu rezistorul de feedback al op-amp.

Iată circuitul Filtru activ cu trecere joasă non-inversor-

În această figură, dacă comparăm acest lucru cu circuitele descrise la început, putem vedea că poziția condensatorului este modificată pentru stabilitatea legată de impedanță. În această configurație, impedanța externă nu produce niciun efect asupra reactanței condensatoarelor, astfel stabilitatea s-a îmbunătățit.

În aceeași configurație, dacă dorim să inversăm semnalul de ieșire, putem alege configurația semnalului inversor al amplificatorului op și am putea conecta filtrul cu acel amplificator op inversat.

Iată implementarea circuitelor filtrului activ de trecere jos inversat: -

Este un filtru activ de trecere jos 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.

Unity Gain sau filtru activ de trecere joasă pentru urmăritor de tensiune

Până acum circuitele descrise aici sunt utilizate în scopul creșterii tensiunii și post-amplificare.

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

Ca să nu mai vorbim, este, de asemenea, o configurație op-amp care deseori este descrisă ca fiind o configurație de tensiune în care amplificatorul op a creat replica 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 un filtru de trecere activ activ: -

În această imagine, rezistențele de feedback ale amplificatorului opțional 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 trece jos activ cu câștig de unitate. Va produce replica exactă a semnalului de intrare.

Exemplu practic cu Calcul

Vom proiecta un circuit de filtru trece jos activ în configurație op-amp fără inversare.

Specificații:-

1. Impedanță de intrare 10kohms
2. Câștigul va fi de 10x
3. Frecvența cutoff va fi de 320Hz

Să calculăm prima valoare înainte de a realiza circuitele: -

Câștig amplificator (amplitudine DC) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

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

Punând valoarea împreună obținem

(10) = (1 + R3 / 1)

Am calculat că al treilea rezistor este de 9k.

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

Să verificăm valoarea condensatorului dacă frecvența de întrerupere este de 320Hz, am selectat valoarea rezistenței este de 4,7k.

fc = 1 / 2πRC

Punând toate valorile împreună obținem: -

Rezolvând această ecuație obținem valoarea condensatorului de aproximativ 106nF.

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

20log (Af)

Deoarece câștigul amplificatorului este de 10x, magnitudinea în dB este de 20log (10). Aceasta este 20dB.

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 1500Hz și 10 puncte pe deceniu la intrarea filtrului activ de trecere joasă și vom investiga în continuare pentru a vedea dacă frecvența de întrerupere este de 320Hz sau nu la ieșirea amplificatorului.

Aceasta este curba de răspuns în frecvență. Linia verde este pornită de la 10Hz la 1500Hz deoarece semnalul de intrare este furnizat numai pentru acea gamă de frecvență.

După cum știm, frecvența colțului va fi întotdeauna la -3dB față de magnitudinea maximă a câștigului. Aici câștigul este de 20dB. Deci, dacă aflăm punctul -3dB, vom obține frecvența exactă în care filtrul oprește frecvențele mai mari.

Setăm cursorul la 17 db ca (20dB-3dB = 17dB) frecvența de colț și obținem 317.950Hz sau 318Hz, care este aproape de 320Hz.

Putem schimba valoarea condensatorului la cea generică ca 100nF și fără a menționa frecvența de colț, de asemenea, va fi efectuată cu câțiva Hz.

Filtru pas activ activ de ordinul doi:

Este posibil să adăugați mai multe filtre într-un amplificator operațional, cum ar fi filtrul de trecere activ activ 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 de ordinul doi.

Acesta este filtrul de ordinul doi. În figura de mai sus putem vedea clar cele două filtre adăugate împreună. Acesta este filtrul de ordinul doi. Este un filtru utilizat pe scară largă și aplicația industrială este Amplificator, circuitele sistemului muzical înainte de amplificarea puterii.

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

(Af) = (1 + R3 / R2)

Frecvența de întrerupere este

Un lucru interesant de reținut dacă dorim să adăugăm mai multe op-amp care constau în filtre de primă ordine, câștigul va fi înmulțit cu fiecare individ. Confuz? Poate fi o schemă ne va ajuta.

Cu cât op-amplificatorul a fost adăugat, cu atât câștigul este multiplicat. Vedeți figura de mai sus, în această imagine, doi op-amp în cascadă cu op-amp individual. În acest circuit, amplificatorul operațional Cascaded, dacă primul are un câștig de 10x și al doilea este pentru un câștig de 5x, atunci câștigul total va fi de 5 x 10 = câștig de 50x.

Deci, magnitudinea circuitului de filtrare trece-jos în cascadă a amplificatorului op în cazul a două amplificatoare op este: -

dB = 20log (50)

Rezolvând această ecuație este de 34dB. Deci, câștigul formulei de câștig a filtrului de trecere joasă în cascadă a op-amp este

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

Unde TdB = magnitudine totală

Acesta este modul în care este construit filtrul activ de trecere joasă. În următorul tutorial, vom vedea cum poate fi construit filtrul Active High Pass. Dar înainte de următorul tutorial să vedem care sunt aplicațiile filtrului Active Low Pass: -

Aplicații

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

Filtrul trece jos este utilizat pe scară largă în electronică.

Iată câteva aplicații ale filtrului Active Low Pass: -

1. Egalizarea basului înainte de amplificarea puterii
2. Filtre legate de videoclipuri.
3. Osciloscop
4. Sistem de control al muzicii și modulare a frecvenței basului, precum și înainte de woofer și difuzoare audio cu bas înalt pentru ieșirea basului.
5. Generator de funcții pentru a oferi o frecvență joasă variabilă la un nivel de tensiune diferit.
6. Schimbarea formei de frecvență la val diferit de.