Активный фильтр нижних частот

Ранее мы описывали пассивный фильтр нижних частот, в этом руководстве мы исследуем, что такое активный фильтр нижних частот.

Что это, Схема, формулы, кривая?

Как мы знаем из предыдущего урока, пассивный фильтр нижних частот работает с пассивными компонентами. Только два пассивных компонента - резистор и конденсатор - являются ключом или сердцем схемы пассивного фильтра нижних частот. В предыдущих уроках мы узнали, что пассивный фильтр нижних частот работает без какого-либо внешнего прерывания или активного отклика. Но у него есть определенные ограничения.

Ограничения пассивного фильтра нижних частот следующие:

1. Импеданс цепи создает потерю амплитуды. Так что Vout всегда меньше Vin.
2. Усиление невозможно сделать только с пассивным фильтром нижних частот.
3. Характеристики фильтра в значительной степени зависят от импеданса нагрузки.
4. Коэффициент усиления всегда равен или меньше единичного усиления.
5. Чем больше каскадов фильтра или порядка фильтров, тем меньше потери амплитуды.

Из-за этого ограничения, если необходимо усиление, лучший способ добавить активный компонент, который усилит отфильтрованный выходной сигнал. Это усиление осуществляется операционным усилителем или операционным усилителем. Поскольку для этого требуется источник напряжения, это активный компонент. Отсюда и название Активный фильтр нижних частот.

Типичный усилитель потребляет питание от внешнего источника питания и усиливает сигнал, но он очень гибкий, поскольку мы можем более гибко изменять полосу частот. Кроме того, пользователь или разработчик может выбрать, какой тип активных компонентов выбрать в зависимости от требований. Это могут быть полевые транзисторы, полевые транзисторы, транзисторы, операционные усилители, которые обладают большой гибкостью. Выбор компонента также зависит от стоимости и эффективности, если он предназначен для продукта массового производства.

Ради простоты, эффективности по времени, а также из-за растущих технологий в конструкции операционных усилителей, как правило, операционные усилители используются для проектирования активных фильтров.

Давайте посмотрим, почему мы должны выбрать операционный усилитель для разработки активного фильтра нижних частот:

1. Высокое входное сопротивление.

   Из-за высокого входного импеданса входной сигнал нельзя было разрушить или изменить. В общем или в большинстве случаев входной сигнал с очень низкой амплитудой может быть разрушен, если он используется в качестве схемы с низким импедансом. В таких случаях Op-Amp получает преимущество.

2. Очень низкое количество компонентов. Требуется всего несколько резисторов.
3. Доступны различные типы операционных усилителей в зависимости от коэффициента усиления и напряжения.
4. Тихий шум.
5. Проще проектировать и реализовывать.

Но, поскольку мы знаем, что нет ничего идеального, эта конструкция активного фильтра также имеет определенные ограничения.

Выходное усиление и полоса пропускания, а также частотная характеристика зависят от технических характеристик операционного усилителя.

Давайте исследуем дальше и поймем, что в нем особенного.

Активный фильтр нижних частот с усилением:

Прежде чем разобраться в конструкции активного фильтра нижних частот с операционным усилителем, нам нужно немного узнать об усилителях. Amplify - это увеличительное стекло, оно создает копию того, что мы видим, но в большей форме, чтобы лучше распознавать это.

В первом уроке пассивного фильтра нижних частот мы узнали, что такое фильтр нижних частот. Фильтр нижних частот отфильтровывает низкую частоту и блокирует более высокий синусоидальный сигнал переменного тока. Этот активный фильтр нижних частот работает так же, как пассивный фильтр нижних частот, с той лишь разницей, что здесь добавлен один дополнительный компонент, это усилитель в качестве операционного усилителя.

Вот простая конструкция фильтра нижних частот:

Это изображение активного фильтра нижних частот. Здесь линия нарушения показывает нам традиционный пассивный RC-фильтр нижних частот, который мы видели в предыдущем уроке.

Частота среза и усиление напряжения:

Формула частоты среза такая же, как и для пассивного фильтра нижних частот.

fc = 1 / 2πRC

Как описано в предыдущем уроке, fc - частота среза, R - значение резистора, а C - значение конденсатора.

Два резистора, подключенные к положительному узлу операционного усилителя, являются резисторами обратной связи. Когда эти резисторы подключены к положительному узлу операционного усилителя, это называется неинвертирующей конфигурацией. Эти резисторы отвечают за усиление или усиление.

Мы можем легко рассчитать коэффициент усиления усилителя, используя следующие уравнения, где мы можем выбрать эквивалентное значение резистора в соответствии с коэффициентом усиления или наоборот:

Усиление усилителя (амплитуда постоянного тока) (Af) = (1 + R2 / R3)

Кривая частотной характеристики:

Посмотрим, что будет на выходе активного фильтра нижних частот или графика Боде / кривой частотной характеристики: -

Это последний выход активного фильтра нижних частот в неинвертирующей конфигурации операционного усилителя. Мы увидим подробное объяснение на следующем изображении.

Как мы видим, это идентично пассивному фильтру нижних частот. От начальной частоты до Fc или точки отсечки частоты или угловой частоты начинается с точки -3 дБ. На этом изображении усиление составляет 20 дБ, поэтому частота среза составляет 20 дБ - 3 дБ = 17 дБ в месте расположения точки fc. Наклон составляет -20 дБ за декаду.

Независимо от фильтра, от начальной точки до точки частоты среза она называется полосой пропускания фильтра, а после этого - полосой пропускания, из которой разрешена частота прохождения.

Мы можем рассчитать коэффициент усиления, преобразовав коэффициент усиления напряжения операционного усилителя.

Расчет выглядит следующим образом

db = 20log (Af)

Это Af может быть усилением по постоянному току, которое мы описали ранее, вычислив номинал резистора или разделив Vout на Vin.

Схема неинвертирующего и инвертирующего фильтра усилителя:

Эта активная схема фильтра нижних частот, показанная в начале, также имеет одно ограничение. Его стабильность может быть нарушена при изменении импеданса источника сигнала. Например, уменьшение или увеличение.

Стандартная методика проектирования может улучшить стабильность, отключив конденсатор от входа и подключив его параллельно со вторым резистором обратной связи операционного усилителя.

Вот схема неинвертирующего активного фильтра нижних частот.

На этом рисунке, если мы сравним это со схемой, описанной в начале, мы увидим, что положение конденсатора изменено для обеспечения стабильности, связанной с импедансом. В этой конфигурации внешний импеданс не влияет на реактивное сопротивление конденсаторов, поэтому стабильность улучшается.

В той же конфигурации, если мы хотим инвертировать выходной сигнал, тогда мы можем выбрать конфигурацию инвертирующего сигнала операционного усилителя и можем соединить фильтр с этим инвертированным операционным усилителем.

Вот схемная реализация инвертированного активного фильтра нижних частот:

Это активный фильтр нижних частот в инвертированной конфигурации. Операционный усилитель подключен обратно. В предыдущем разделе вход был подключен к положительному входному выводу операционного усилителя, а отрицательный вывод операционного усилителя используется для создания схемы обратной связи. Здесь схемотехника перевернутая. Положительный вход соединен с опорным заземлением, а конденсатор и резистор обратной связи подключены к отрицательному входному выводу операционного усилителя. Это называется конфигурацией инвертированного операционного усилителя, и выходной сигнал будет инвертирован, чем входной.

Активный фильтр нижних частот Unity Gain или Voltage Follower:

До сих пор описанная здесь схема использовалась для усиления напряжения и пост-усиления.

Мы можем сделать это, используя усилитель с единичным усилением, это означает, что выходная амплитуда или усиление будут такими же, как и входные: 1x. Vin = Vout.

Не говоря уже о том, что это также конфигурация операционного усилителя, которую часто называют конфигурацией повторителя напряжения, в которой операционный усилитель создает точную копию входного сигнала.

Давайте посмотрим на схему и то, как настроить операционный усилитель в качестве повторителя напряжения и сделать активный фильтр нижних частот с единичным усилением:

На этом изображении резисторы обратной связи операционного усилителя удалены. Вместо резистора отрицательный входной вывод операционного усилителя соединен напрямую с выходным операционным усилителем. Эта конфигурация операционного усилителя называется конфигурацией повторителя напряжения. Прирост составляет 1x. Это активный фильтр нижних частот с единичным усилением. Он будет производить точную копию входного сигнала.

Практический пример с расчетом

Мы разработаем схему активного фильтра нижних частот в конфигурации неинвертирующего операционного усилителя.

Характеристики:-

1. Входное сопротивление 10 кОм
2. Прирост будет 10x
3. Частота среза будет 320 Гц.

Давайте сначала рассчитаем значение, прежде чем делать схему: -

Коэффициент усиления усилителя (амплитуда постоянного тока) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

R2 = 1k (нам нужно выбрать одно значение; мы выбрали R2 как 1k для уменьшения сложности расчета).

Собирая значения, мы получаем

(10) = (1 + R3 / 1)

Мы рассчитали номинал третьего резистора 9к.

Теперь нам нужно рассчитать номинал резистора по частоте среза. Поскольку активный фильтр нижних частот и пассивный фильтр нижних частот работают одинаково, формула отсечки частоты такая же, как и раньше.

Проверим номинал конденсатора, если частота среза 320 Гц, мы выбрали номинал резистора 4,7 кОм.

fc = 1 / 2πRC

Собирая все ценности вместе, мы получаем:

Решив это уравнение, мы получим емкость конденсатора примерно 106 нФ.

Следующий шаг - вычислить усиление. Формула усиления такая же, как у пассивного фильтра нижних частот. Формула усиления или величины в дБ выглядит следующим образом: -

20log (Af)

Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя в 10 раз больше, величина в дБ составляет 20log (10). Это 20 дБ.

Теперь, когда мы уже рассчитали значения, пришло время построить схему. Сложим все вместе и построим схему: -

Мы построили схему на основе вычисленных ранее значений. Мы предоставим частоту от 10 Гц до 1500 Гц и 10 точек на декаду на входе активного фильтра нижних частот и продолжим исследование, чтобы увидеть, составляет ли частота среза 320 Гц или нет на выходе усилителя.

Это кривая частотной характеристики. Зеленая линия начинается от 10 Гц до 1500 Гц, так как входной сигнал подается только для этого диапазона частот.

Как мы знаем, частота среза всегда будет на уровне -3 дБ от максимального значения усиления. Здесь усиление составляет 20 дБ. Итак, если мы найдем точку -3 дБ, мы получим точную частоту, на которой фильтр останавливает более высокие частоты.

Мы устанавливаем курсор на 17 дБ как (20 дБ-3 дБ = 17 дБ) угловую частоту и получаем 317,950 Гц или 318 Гц, что близко к 320 Гц.

Мы можем изменить емкость конденсатора на обычную, равную 100 нФ, и не говоря уже о том, что частота среза также будет зависеть от нескольких Гц.

Активный фильтр нижних частот второго порядка:

К одному операционному усилителю можно добавить больше фильтров, например, активный фильтр нижних частот второго порядка. В этом случае, как и пассивный фильтр, добавляется дополнительный RC-фильтр.

Посмотрим, как устроена схема фильтра второго порядка.

Это фильтр второго порядка. На приведенном выше рисунке мы можем ясно видеть два сложенных вместе фильтра. Это фильтр второго порядка. Это широко используемый фильтр и промышленное применение в усилителях, схемах музыкальных систем до усиления мощности.

Как видите, здесь один операционный усилитель. Коэффициент усиления по напряжению такой же, как указано ранее, с использованием двух резисторов.

(Аф) = (1 + R3 / R2)

Частота среза

Одна интересная вещь, которую следует запомнить, если мы хотим добавить еще операционный усилитель, который состоит из фильтров первого порядка, коэффициент усиления будет умножаться на каждый отдельный. Смущенный? Может быть, схема поможет нам.

Чем больше добавлено операционного усилителя, тем больше увеличивается коэффициент усиления. См. Рисунок выше. На этом изображении два операционных усилителя соединены каскадом с отдельными операционными усилителями. В этой схеме каскадный операционный усилитель. Если первый имеет 10-кратное усиление, а второй - 5-кратное усиление, то общее усиление будет 5 x 10 = 50-кратное усиление.

Таким образом, величина схемы фильтра нижних частот каскадного операционного усилителя в случае двух операционных усилителей составляет:

дБ = 20log (50)

Решив это уравнение, мы получим 34 дБ. Таким образом, формула усиления фильтра нижних частот каскадного операционного усилителя равна

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

Где TdB = Общая величина

Так устроен активный фильтр нижних частот. В следующем уроке мы увидим, как можно построить активный фильтр верхних частот. Но перед следующим уроком давайте посмотрим, каковы применения активного фильтра нижних частот:

Приложения

Активный фильтр нижних частот можно использовать во многих местах, где нельзя использовать пассивный фильтр нижних частот из-за ограничений в отношении усиления или процедуры усиления. Кроме того, активный фильтр нижних частот можно использовать в следующих местах:

Фильтр низких частот - широко используемая схема в электронике.

Вот несколько применений активного фильтра нижних частот: -

1. Эквализация низких частот перед усилением мощности
2. Фильтры, связанные с видео.
3. Осциллограф
4. Система управления музыкой и частотная модуляция низких частот, а также передние низкочастотные динамики и высокочастотные звуковые динамики для вывода низких частот.
5. Функциональный генератор для обеспечения переменной низкой частоты на разных уровнях напряжения.
6. Изменение формы частоты на другой волне от.