Ich habe einen Butterworth-Tiefpassfilter 6. Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 20 kHz unter Verwendung der Sallen Key-Topologie entworfen (danke Andy Aka). Der Filter verhält sich wie erwartet mit der Grenzfrequenz und dem Abfall, jedoch passiert etwas um eine Größenordnung über der Grenzfrequenz etwas mit dem Frequenzgang, den ich nicht erwarte.
Warum verringert sich die Dämpfung um 110 kHz und wird dann nach 1 MHz stabil?
EDIT: Heute habe ich noch etwas simuliert. Ich habe 2 nichtideale Opamps verwendet und es gab mir ein ähnliches Ergebnis. Dann habe ich in LTSpice einen meiner Meinung nach idealen Operationsverstärker verwendet. Das Symbol heißt "opamp" und benötigt eine Gewürzanweisung, um verwendbar zu sein. Das Ergebnis ist unten:
Ich dachte anfangs, dass der ideale Operationsverstärker nicht unter dem Problem leidet, das ich mit dem echten Operationsverstärker gesehen habe. Es ist wahr, dass dies nicht der Fall ist. Zwischen 0,6 GHz und 0,7 GHz stelle ich jedoch ein merkwürdiges Verhalten fest. Dies unterscheidet sich von dem, was zuvor gesehen wurde.
Ich habe die Werte um 10 skaliert. Alle R geteilt durch 10 und alle C multipliziert mit 10.
Ich habe jetzt die Werte um 10 in die andere Richtung skaliert, dh den Widerstand größer gemacht.
Bearbeiten II:
Wie von Guru angefordert, habe ich jetzt mehr Grafiken:
Diagramme mit idealem Operationsverstärker mit Impedanzskalierung; bis zu 10 MHz Grenze.
Plot der Originalschaltung mit einem zusätzlichen RC am Ende:
Plotten Sie mit dem OP275, wie vom Guru gefordert:
Schließlich Plot des ursprünglichen Designs, aber mit Puffer in der Rückkopplungsschleife:
quelle
Antworten:
Ich fürchte, das Ändern des Opamp-Typs wird nicht helfen. Der beobachtete Effekt (weniger Dämpfung bei steigenden Frequenzen) ist der typische Nachteil der Tiefpass- Sallen-Key- Topologie.
Der Grund ist folgender: Bei steigenden Frequenzen nimmt das "klassische" Ausgangssignal vom Operationsverstärker ab (wie gewünscht) - gleichzeitig kommt jedoch ein Signal über den Rückkopplungskondensator am Ausgang an (das Signal umgeht den Operationsverstärker). Dieses Signal erzeugt eine Ausgangsspannung über der endlichen Ausgangsimpedanz des Operationsverstärkers (die Ausgangsimpedanz steigt bei steigenden Frequenzen sogar an). Daher dominiert dieses unerwünschte Signal für hohe Frequenzen und begrenzt die Dämpfung auf einen festen Wert.
Wenn Sie für sehr große Frequenzen mehr Dämpfung benötigen, besteht die einzige Lösung darin, eine andere Filtertopologie zu verwenden (Sallen-Key / Negativ, MFB mit mehreren Rückkopplungen, GIC, ..).
Der gleiche Effekt kann für den klassischen invertierenden Miller-Integrator (Kondensator im Rückkopplungspfad) beobachtet werden.
BEARBEITEN / KOMMENTAR : Natürlich kann dieser unerwünschte Effekt mit einem anderen Pufferverstärker innerhalb des positiven Rückkopplungspfads (Ansteuern des Rückkopplungskondensators) unterdrückt werden. Diese Methode erfordert jedoch einen anderen Opamp.
EDIT2: Abhängig von Ihren Dämpfungsanforderungen kann es ausreichend sein, eine andere Filtertopologie (MFB) nur für die letzte der drei Filterstufen zu verwenden. Als weitere Alternative können Sie nach der dritten Filterstufe einen passiven RC-Tiefpass und eine Pufferstufe hinzufügen.
EDIT3 : Hier ist ein einfacher "Trick" zur Verbesserung der Dämpfung der vorhandenen Filterschaltung im Sperrbereich : Ändern Sie den Impedanzpegel der verwendeten Teile. Zum Beispiel: Erhöhen Sie alle Widerstände um einen Faktor k (zum Beispiel: k = 10) und reduzieren Sie alle Kondensatoren um den gleichen Faktor. Somit bleiben alle Zeitkonstanten und die gesamte Filterreaktion unverändert, aber der direkte Weg zum Operationsverstärkerausgang enthält jetzt größere Widerstände (R2, R4, R6) und einen kleineren Kondensator. Dies sollte die verbleibenden Spannungen am Ausgang für sehr große Frequenzen auf einen Wert von ca. ** r, out / (r, out + RX) ** mit RX = R2, R4 bzw. R6.
quelle
Das Standard-Sallen-Key-Design setzt voraus, dass Sie perfekte Operationsverstärker verwenden.
Ein LM324 ist im Betrieb ziemlich langsam. Ich bin überrascht, dass der Filter genauso gut funktioniert wie er.
Führen Sie einige weitere Simulationen durch und ändern Sie den von Ihnen verwendeten Opamp-Typ. Verwenden Sie einen schnelleren, einen langsameren und einen perfekten Opamp. Ich kenne LTSpice nicht speziell, aber die meisten Simulatoren haben einen generischen Operationsverstärker, für den Sie die Parameter einstellen können, oder einen nur einen Spannungsquellenblock, für den Sie eine hohe Verstärkung einstellen können.
Was passiert, ist, dass die unmodellierte zunehmende Phasenverschiebung des Verstärkers die ideale Reaktion der Filterkomponenten verändert.
Es ist nicht wirklich eine gute Idee, das Design des Sallen-Key vorab zu verzerren, um die Verstärkergeschwindigkeit auf die Problemfrequenz bei 1 MHz zu kompensieren, bei der sich die Reaktion hebt. Erstens sind bei diesen Komponentenwerten und Verstärkern das Durchlassband und das Übergangsband korrekt. Zweitens ist die Bandbreitenbeschränkung von Operationsverstärkern nicht gut gesteuert und kann daher bei jedem neuen Build etwas anders sein.
Es gibt zwei Möglichkeiten, um die Reaktion des Filters zu verbessern. Die erste besteht darin, schnellere Operationsverstärker zu verwenden. Dies führt jedoch nur dazu, dass das Problem häufiger auftritt, als dass es vollständig beseitigt wird. Die Verwendung schnellerer Operationsverstärker als nötig verursacht auch andere Probleme. Langsame Opamps lassen Sie mit schlechtem Layout oder Entkopplung davonkommen, schnelle Opamps bestrafen Sie mit Instabilität.
Die zweite Möglichkeit, mit einer Unebenheit im Sperrband umzugehen, besteht darin, einen passiven Dachfilter niedriger Ordnung zu verwenden, der in Ihrem Fall etwa 300 kHz abschneidet, wenn Ihnen die anhaltende tiefe Dämpfung des Sperrbands wichtig ist.
EDIT gut gemacht, um die Simulationen mit anderen Verstärkeroptionen zu erkunden.
1) Mit dem idealen Opamp. Das Durchlassband und das Übergangsband sehen ziemlich ideal aus.
Was ist das für eine kleine Falte bei 650 MHz? Überprüfen Sie die Amplitude, sie liegt unterhalb der -640-dB-Linie. Nach meinen Summen geht 64-Bit-Reals mit 16 Dezimalstellen ~ 320 dB der Dampf aus. Ich hätte erwartet, nur Müll und Lärm unter -320 dB zu sehen. Aber vielleicht liegt der Hinweis in der Tatsache, dass 640 = 2x 320. Verwendet LTSpice 128-Bit-Real? Wenn ja, würde ich nichts unter -640dB glauben, genau wie beim Programmieren, würden Sie nicht erwarten, dass ein if (float == 0.0) -Test konsistent funktioniert.
Das thermische Rauschen liegt bei -174 dBm. Ein 1kW PA hat eine Leistung von + 60dBm. Das ist ein Dynamikbereich von 234dB.
Also, was ist los bei 650MHz? Spice hat / sollte nicht die Präzision haben, es darzustellen, und die Audiowelt kann diesen scheinbaren Dynamikbereich nicht nutzen. Ich denke, wir können es ignorieren.
Dies zeigt sowohl die Stärke als auch die Schwäche der Verwendung von dB für die y-Achse. Stärke - Sie können kolossale Dynamikbereiche kompakt darstellen. Schwäche - Wenn Sie nicht aufpassen und die Bedeutung der Zahlen im Auge behalten, können Sie Ihr Auge auf irrelevante Details im Rauschen lenken.
2) Mit dem erhöhten Impedanzpegel.
Guter Fang von LvW und seine Analyse, dass die Vorwärtskopplung vom kleinen Kondensator direkt auf den Ausgang gelangte. Dies zeigt eine weitere Nichtidealität von Operationsverstärkern, ihre endliche Ausgangsimpedanz. Das bessere Ergebnis mit den höheren Impedanzen zeigt, dass dies eine Ursache ist.
Hier bin ich anderer Meinung, dass ein schnellerer Opamp nicht helfen würde. Typischerweise wird die Ausgangsimpedanz eines Operationsverstärkers über eine größere Bandbreite mit einem schnelleren Operationsverstärker aufrechterhalten. Während Ausgangsimpedanzkurven für Niederfrequenzverstärker vom Typ LM324 selten dargestellt werden, ist dies bei Verstärkern der Videoklasse üblich und sie tendieren dazu, auf eine überraschend niedrige Frequenz abzuflachen und dann mit 6 dB pro Oktave anzusteigen, da die geschlossene Schleife keine Verstärkung mehr hat .
Natürlich ist ein schneller opamp nicht nicht heilt das Problem, es wird immer noch bei einer Frequenz von einem steifen Ausgang laufen, aber es wird das Problem auf eine höhere Frequenz schieben, die es einfacher für Bedachungs Filter Griff macht.
Brian griff den Punkt auf, dass ein Filter mit ungerader Ordnung wegen des echten Pols von Vorteil war. Wenn Sie einen Sallen-Key-Abschnitt 3. Ordnung ausführen, befindet sich am Eingang ein echter RC-Abschnitt, der unabhängig vom Operationsverstärker eine Dämpfung von 6 dB im fernen Sperrbereich bietet.
Weitere Handlungsanfragen
a) ein Diagramm auf demselben Diagramm des ursprünglichen Filters 6. Ordnung und eines neuen Filters 7. Ordnung unter Verwendung von LM324 mit den ursprünglichen Impedanzfilterkomponenten. Hier sehen Sie, wie gut ein einzelner realer RC den 1-MHz-Auftrieb verbessert.
b) ein Diagramm auf demselben Diagramm die Kurve für LM324 mit den Komponenten mit höherer Impedanz und die Kurve für den "idealen" Operationsverstärker nur bis zu 10 MHz. Dies ist zu sehen, wie viel noch von einem besseren Operationsverstärker zu gewinnen ist, nachdem der Impedanzpegel verbessert wurde.
c) Mein Verstärker für Audioarbeiten ist der OP275. LTSpice sollte dafür ein Modell haben. Es wäre interessant, LM324 vs OP275 mit ursprünglichen Impedanzkomponenten in derselben Grafik zu sehen.
Layoutskizzen - nur zur Kommunikation, da ich keine Skizzen in Kommentare einfügen kann, die sowohl veranschaulichen, wie die Rs und Cs in einem Abschnitt dritter Ordnung konfiguriert sind, als auch wie ein Puffer in das Feedback eingefügt werden kann (etwas, das ich für ein echtes Design nicht vorschlagen würde , nur für ein interessantes Experiment)
simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab
quelle