Aktive Tiefpassfilter - gut zu welchen Frequenzen?

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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?

schematisch

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.)

Cal-Linux
quelle
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Können Sie Quelle R und Last R und Kabelkapazität definieren? und wenn möglich Phasenverschiebung bei 10MHz @ -3dB und Unterdrückung -dB @ 20MHz. Lineare Phase, maximal flach oder ?? Normalerweise muss GBW viel größer sein als das Signal BW, um etwa 200 Ohm Ro durch Verstärkung zu reduzieren. Es gibt einen Grund, warum es begrenzt ist und es von diesen Parametern abhängt. Was ist der Zweck?
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Der Hauptgrund ist die Instabilität des Verstärkungsfaktors bei> = 100 GBW bei kapazitiven Kabellasten und die hohe Ausgangsimpedanz, sofern die Impedanz nicht mit einer Streukapazität von 1 pF übereinstimmt, was zu Spitzenwerten führen kann.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Walt Jung von ADI warnt uns: "Um eine Sperrleistung von -40 dB in einem aktiven Tiefpassfilter zu erzielen, muss der Opamp überall im Sperrbereich einen 40-dB-Verstärkungsüberschuss aufweisen." Zusätzlich haben Opamps häufig induktives Zout (ansteigender Widerstand und eine 90-Grad-Phasenverschiebung, die durch den Opamp-Rolloff bereitgestellt wird), und die Kondensatoren in dem Filter stellen einen Hochfrequenzpfad RUND um den Opamp bereit; Mit steigendem Zout kann der Opamp diese Hochfrequenzenergie nicht dämpfen. Wenn Sie also WIRKLICH eine hervorragende Stopband-Leistung benötigen, sollten Sie einen passiven RC-LPF als ersten Pol haben und großzügig mit den Opamp-Spezifikationen umgehen.
analogsystemsrf
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Das Buch ist wahrscheinlich richtig, wenn Sie "op amp" mit "741" gleichsetzen. Aber nicht, wenn du stattdessen einen Operationsverstärker verwendest :)
alephzero
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@analogsystemsrf - guter Punkt; Ich dachte genau, dass es nicht schaden würde, ein Butterworth (1 / H (s) = (s + 1) (s² + s + 1) dritter Ordnung zu machen, wenn ich mich richtig erinnere). In jedem Fall erhält der Filter eine anfängliche Eingangsstufe, die nur ein RC ist.
Cal-Linux

Antworten:

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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.

Andy aka
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Das ist die siebte Abstimmung heute - hat jemand eine Idee?
Andy aka
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Das bekomme ich auch. Es müssen Neulinge sein, die kostenloses Fachwissen nicht schätzen und keinen Kommentar schreiben können
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
5
@Andyaka. Die Abstimmungen müssen frustrierend sein. Aber Ihre Antworten erhalten am Ende immer positive Stimmen.
Marla
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tatsächlich sind 10MHz durchaus möglich. Ich habe kürzlich einen aktiven Tiefpass für 10 MHz gemacht und den OpAmp sogar eine Last von 50 Ohm treiben lassen. Es funktioniert gut, aber diese OpAmps sind teuer und produzieren auch ein bisschen Wärme.
T. Pluess
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Es ist oft sehr frustrierend, sich mit Posts zu befassen, die auf dem Stack-Exchange heiß werden. Alle Arten von unerwünschtem Verhalten schleichen sich ein. Ich wünschte, es wäre nicht passiert.
Joojaa
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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.

Spannungsspitze
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Das ist richtig auf den Punkt. OP-Verstärker mit hohem GBWP waren 1980, als AoE erstmals veröffentlicht wurde, nicht so leistungsfähig, kostengünstig oder gar verfügbar. 1980 war der 8086 auf dem neuesten Stand und 10 MHz auf einem IC blitzschnell. Jetzt können wir einen LMH6881 für 3 US-Dollar mit einer Bandbreite von 2,4 GHz oder den LMH5401 für 7 US-Dollar mit einem 8-GHz-GBWP kaufen - das wäre 1980 undenkbar gewesen. Das Buch wurde einfach nicht aktualisiert.
J ...
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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.

Neil_UK
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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  
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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