Aktive Tiefpassfilter - gut zu welchen Frequenzen?

Anhang E von The Art of Electronics, 3. Auflage (LC-Butterworth-Filter) beginnt mit der Aussage, dass " aktive Filter bei niedrigen Frequenzen praktisch, bei höheren Frequenzen jedoch unpraktisch sind ". Sie gehen und sagen, dass " bei Frequenzen von 100kHz und höher der beste Ansatz passive LC-Filter sind " (in beiden Fällen umschrieben).

Meine erste Frage: Wirklich? Schon 100 kHz sind zu hoch, um aktive Filter sinnvoll einzusetzen?

Ich verstehe, dass Operationsverstärker mit hoher Bandbreite und hoher Anstiegsrate teuer sein können, was es im allgemeinen Fall "unpraktisch" macht - jedoch ein Tiefpass-LC-Filter mit beispielsweise 1 MHz Grenzfrequenz, T-Topologie mit 1 kΩ Für eine Last sind Induktoren in der Größenordnung von Hunderten von μH erforderlich. Wenn ich Verzerrungen (Magnetkernsättigung und Hysterese) vermeiden möchte, ist das Ganze mit einem Luftkern-Induktor in diesem Bereich eher unpraktisch.

Frage 2 wäre: Ist eine Grenzfrequenz von beispielsweise weniger als 10 MHz für ein Tiefpassfilter 2. Ordnung von Sallen-Key zu hoch?

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Aus der Perspektive des Idealfalls (unter der Annahme, dass der Operationsverstärker immer im linearen Betrieb ist), werden alle drei Pins des Operationsverstärkers dem tiefpassierten Ausgangssignal ausgesetzt - bei einer Grenzfrequenz von <10 MHz, die mit Sicherheit keine ist Problem (weder Bandbreite noch Anstiegsrate). Die Eingangskapazität sollte kein großes Problem sein - bei R in der Größenordnung von 1k liegen die Kondensatoren in der Größenordnung von einigen zehn pF bis einigen hundert pF - hoch genug, um den Eingang des Operationsverstärkers zu aktivieren Kapazität vernachlässigbar.

Gibt es noch andere praktische Probleme, die ich übersehen habe? Bin ich realistisch, wenn ich ein so aktives Filter mit einer Grenzfrequenz in der Größenordnung von einigen MHz haben möchte? (Die Preisgestaltung ist kein Problem. Wenn ich einen Operationsverstärker im Bereich von 10 oder 20 US-Dollar benötige, ist das in Ordnung.)

Ich glaube, Ihre Analyse ist gut. Ich habe Sallen-Key-Filter vierter Ordnung hergestellt, die ungefähr 3 MHz abschneiden, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Ich sehe nicht, dass 10 MHz unerreichbar sind.

Alles dreht sich um die Wahl des Operationsverstärkers. Für eine Stufe mit einer Verstärkung von 1 ist es einfach festzustellen, wo die Verstärkung unter (sagen wir) 0,99 abfällt, und dies als Grenzfrequenz anzusehen. Andererseits wird die Ausgangsimpedanz eines Operationsverstärkers in der Regel schlechter, wenn er in die MHz-Bereiche gelangt. Sie müssen also sicherstellen, dass er den Spitzenstrom liefern kann, ohne zu übersteuern oder zu schlampig zu werden.

Sie müssen auch die Einschränkungen der Anstiegsgeschwindigkeit berücksichtigen, aber soweit ich weiß, ist das auch schon alles.

Es ist gut möglich, dass The Art of Electronics, 3rd Editiondieser Abschnitt seit seinem Erscheinen im Jahr 1980 nicht mehr aktualisiert wurde.

Meine erste Frage: Wirklich? Schon 100 kHz sind zu hoch, um aktive Filter sinnvoll einzusetzen?

Nein, 100kHz ist nichts, aber alles hängt vom Opamp ab. Irgendwann wird das Gain Bandwidth Product Probleme verursachen. Wenn Sie einen Operationsverstärker mit 1 MHz oder 10 MHz GBWP hatten (was zur Zeit der ersten Ausgabe von AofE möglicherweise typisch war, wurde er möglicherweise nicht aktualisiert, also würde ich Editionen vergleichen), dann nicht mit 100 kHz klingt zu unvernünftig, weil Sie nur die eine oder andere Größenordnung der Filterung erhalten und dann die Bandbreite unter die Einheitsverstärkung fällt. Dann sieht Ihr Tiefpassfilter eher wie ein Bandpass aus.

Gibt es noch andere praktische Probleme, die ich übersehen habe? Bin ich realistisch, wenn ich ein so aktives Filter mit einer Grenzfrequenz in der Größenordnung von einigen MHz haben möchte? (Die Preisgestaltung ist kein Problem. Wenn ich einen Operationsverstärker im Bereich von 10 oder 20 US-Dollar benötige, ist das in Ordnung.)

Wenn Sie wirklich nach 50 MHz filtern müssen, müssen parasitäre Effekte modelliert werden, da ESR und ESL in Kondensatoren beginnen, die Filterpole zu beeinflussen und ihre eigenen Filterpole bei hohen Frequenzen zu erzeugen. Verwenden Sie nach Möglichkeit eine Gewürzpackung. Stellen Sie sicher, dass die GBWP hoch genug ist. Heutzutage ist es nicht schwer, Operationsverstärker zu bekommen, die im + 100MHz-Bereich arbeiten.

Das Hauptproblem bei dieser Sallen-Key-Topologie bei hohen Frequenzen besteht darin, dass die Ausgangsimpedanz von Operationsverstärkern ansteigt und somit die Vorsteuerung des Eingangssignals durch den 2K-Kondensator nicht möglich ist, wodurch das Sperrband zerstört wird.

TI hat eine 10MHz Design App Note. Es basiert auf dem kostengünstigen 270 MHz-3 dB-Operationsverstärker THS4001.

Operationsverstärker haben eine Ausgangsimpedanz im offenen Regelkreis, die viel höher ist als die Ihres 50-Ω-Signalgenerators. Dies macht sie mit ihrem Kurzschlussschutz stabil. Das höhere GBW wird verwendet, um das Zout = Zoc / GBW zu senken. Die ESL des Steckbretts (0,5 nH / mm) und die Streukapazität müssen minimiert werden.

Mit 150 MHz GBW können Sie 1k Rs mit 5 pf, 10pF verwenden.

Ich habe ihren Entwurf nicht gelesen.

http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/sloa032/sloa032.pdf

Um einen Filter zu entwerfen, sollten Sie diese Spezifikationen berücksichtigen.

Source impedance \$Z_S(f)\$   
Load Impedance \$Z_L(f)\$   
Gain   -3 dB passband \$f_p\$    
Loss   @ \$f_s\$stop band edge   e.g. \$  ~-dB~ @ ~2*f_p, 10*f_p\$    
 ..  or order of filter    
% load regulation error = % Output/Load impedance ratio ( for low % )    
Phase shift in passband, group delay  
Noise, supply power  
Output swing and slew rate limit