Có gì sai với bộ lọc butterworth này, làm thế nào để cải thiện nó?

Tôi đã thiết kế bộ lọc thông thấp butterworth bậc 6 với tần số cắt 20KHz bằng cấu trúc liên kết Sallen Key (cảm ơn Andy Aka). Tuy nhiên, bộ lọc hoạt động như mong đợi với tần số cắt và cuộn tắt, tuy nhiên, một số bậc cường độ cao hơn tần số cắt xảy ra với đáp ứng tần số mà tôi không mong đợi.

Tại sao sự suy giảm giảm 110KHz và sau đó trở nên ổn định sau 1 MHz?

EDIT: Hôm nay tôi đã làm thêm một số mô phỏng. Tôi đã sử dụng 2 opamp nonideal và nó cho tôi kết quả tương tự. Sau đó, tôi đã sử dụng những gì tôi coi là op amp lý tưởng trong LTSpice. Biểu tượng được gọi là "opamp" và cần một chỉ thị gia vị để có thể sử dụng được. Kết quả như sau:

Ban đầu tôi nghĩ rằng opamp lý tưởng không gặp phải vấn đề tôi thấy với amp op thực sự. Đúng là không. Tuy nhiên, giữa 0,6GHz và 0,7GHz tôi nhận thấy một hành vi kỳ lạ. Điều này khác với những gì đã thấy trước đó.

Tôi đã chia tỷ lệ các giá trị lên 10. Tất cả R chia cho 10 và tất cả C nhân với 10.

Bây giờ tôi đã thu nhỏ các giá trị theo 10 cách khác, tức là làm cho điện trở lớn hơn.

Chỉnh sửa II:

Theo yêu cầu của Guru, bây giờ tôi có nhiều biểu đồ hơn:

Âm mưu với op amp lý tưởng với quy mô trở kháng; giới hạn tối đa 10 MHz.

Sơ đồ mạch ban đầu có thêm RC ở cuối:

Âm mưu với OP275 theo yêu cầu của Chuyên gia:

Cuối cùng là âm mưu của thiết kế ban đầu nhưng có bộ đệm trong vòng phản hồi:

Tôi sợ, thay đổi loại opamp sẽ không giúp đỡ. Hiệu ứng quan sát được (ít giảm xóc cho tần số tăng) là nhược điểm điển hình của cấu trúc liên kết Sallen-Key thông thấp.

Lý do là như sau: Đối với tần số tăng, tín hiệu đầu ra "cổ điển" từ opamp giảm (như mong muốn) - tuy nhiên, đồng thời có tín hiệu đến đầu ra thông qua tụ phản hồi (tín hiệu bỏ qua opamp). Tín hiệu này tạo ra một điện áp đầu ra trên trở kháng đầu ra hữu hạn của opamp (trở kháng đầu ra thậm chí tăng đối với các tần số tăng). Do đó, tín hiệu không mong muốn này chiếm ưu thế ở tần số cao và hạn chế giảm xóc ở một giá trị cố định.

Nếu bạn cần giảm xóc nhiều hơn cho các tần số rất lớn, giải pháp duy nhất là sử dụng một cấu trúc liên kết bộ lọc khác (Sallen-Key / âm, đa phản hồi MFB, GIC, ..).

Hiệu ứng tương tự có thể được quan sát đối với bộ tích hợp Miller đảo ngược cổ điển (tụ điện trong đường dẫn phản hồi).

EDIT / COMMENT : Tất nhiên, hiệu ứng không mong muốn này có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng bộ khuếch đại đệm khác trong đường dẫn phản hồi tích cực (điều khiển tụ phản hồi). Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi một opamp khác.

EDIT2: Tùy thuộc vào yêu cầu giảm xóc của bạn - có thể đủ để sử dụng cấu trúc liên kết bộ lọc khác (MFB) cho lần cuối cùng trong ba giai đoạn lọc. Cách khác, bạn có thể thêm đường thông thấp RC thụ động và giai đoạn đệm sau giai đoạn lọc thứ ba.

EDIT3 : Đây là một "mẹo" đơn giản để cải thiện sự suy giảm của mạch lọc hiện tại trong dải dừng: Sửa đổi mức trở kháng của các bộ phận được sử dụng. Ví dụ: Tăng tất cả các điện trở theo một yếu tố k (ví dụ: k = 10) và giảm tất cả các tụ điện theo cùng một yếu tố. Do đó, tất cả các hằng số thời gian và toàn bộ bộ lọc đều không thay đổi, nhưng cách trực tiếp đến đầu ra opamp hiện chứa một điện trở lớn hơn (R2, R4, R6) và một tụ điện nhỏ hơn. Điều này sẽ làm giảm các điện áp còn lại ở đầu ra cho tần số rất lớn đến một giá trị của ứng dụng. ** r, out / (r, out + RX) ** với RX = R2, R4, R6, tương ứng.

Thiết kế Sallen-Key tiêu chuẩn giả định rằng bạn sử dụng opamp hoàn hảo.

Một LM324 khá chậm khi opamp đi, tôi ngạc nhiên khi nó cho thấy bộ lọc hoạt động tốt như nó.

Thực hiện thêm một vài mô phỏng, thay đổi loại opamp bạn sử dụng. Sử dụng opamp nhanh hơn, chậm hơn và hoàn hảo. Tôi không biết cụ thể về LTSpice, nhưng hầu hết các trình giả lập đều có một opamp chung mà bạn có thể đặt các tham số hoặc không chỉ là khối nguồn điện áp mà bạn có thể đặt mức tăng cao.

Điều đang xảy ra là sự dịch chuyển pha tăng không điều chế của bộ khuếch đại đang thay đổi đáp ứng lý tưởng của các thành phần bộ lọc.

Thật sự không nên thử 'thiết kế trước' thiết kế của Sallen-Key để bù cho tốc độ của bộ khuếch đại đến tần số sự cố ở mức 1 MHz khi phản hồi nâng lên. Thứ nhất, với các giá trị thành phần và bộ khuếch đại này, băng thông và dải chuyển tiếp là chính xác. Thứ hai, giới hạn băng thông của opamp không được kiểm soát tốt, do đó có thể hơi khác với mỗi bản dựng mới.

Có hai cách để cải thiện phản ứng của bộ lọc. Đầu tiên là sử dụng opamp nhanh hơn. Tuy nhiên, điều này chỉ có xu hướng làm tăng vấn đề theo tần số chứ không loại bỏ hoàn toàn. Sử dụng opamp nhanh hơn bạn cần cũng gây ra các vấn đề khác. Opamp chậm cho phép bạn thoát khỏi bố cục xấu hoặc tách rời, opamp nhanh trừng phạt bạn với sự bất ổn.

Cách thứ hai để xử lý một vết sưng trong dải dừng, nếu sự suy giảm sâu liên tục của dải dừng là quan trọng đối với bạn, là sử dụng bộ lọc 'lợp' thụ động có thứ tự thấp, trong trường hợp của bạn sẽ cắt khoảng 300kHz.

EDIT được thực hiện tốt để khám phá các mô phỏng với các lựa chọn khuếch đại khác.

1) Với opamp lý tưởng. Băng thông và dải chuyển tiếp trông khá lý tưởng.

Cái gì mà ít nhăn ở 650 MHz? Kiểm tra biên độ, nó nằm dưới đường -640dB. Bây giờ theo tổng của tôi, thực 64 bit hết hơi ở 16 chữ số thập phân ~ 320dB. Tôi dự kiến ​​sẽ chỉ thấy rác và tiếng ồn dưới -320dB. Nhưng có lẽ manh mối trong thực tế là 640 = 2x 320. LTSpice có sử dụng thực tế 128 bit không? Nếu vậy, tôi sẽ không tin bất cứ điều gì dưới -640dB, giống như khi lập trình, bạn sẽ không mong muốn thử nghiệm if (float == 0.0) hoạt động ổn định.

Tiếng ồn nhiệt ở mức -174dBm. PA 1kW có công suất + 60dBm. Đó là một dải động của 234dB.

Vậy điều gì đang xảy ra ở 650 MHz? Spice không / không nên có độ chính xác để thể hiện nó và thế giới âm thanh không thể bắt đầu sử dụng dải động rõ ràng đó. Tôi nghĩ rằng chúng ta có thể bỏ qua nó.

Điều này minh họa cả điểm mạnh và điểm yếu của việc sử dụng dB cho trục y. Sức mạnh - nó cho phép bạn thể hiện các dải động khổng lồ một cách gọn gàng. Điểm yếu - nếu bạn không cẩn thận và để mắt đến ý nghĩa của các số liệu, bạn có thể bị cuốn hút vào một số chi tiết không liên quan trong tiếng ồn.

2) Với mức trở kháng tăng.

Bắt tốt từ LvW, và phân tích của anh ấy từ nguồn tụ điện nhỏ đang trực tiếp xuất ra. Điều này cho thấy một sự không lý tưởng khác của opamp, trở kháng đầu ra hữu hạn của chúng. Kết quả tốt hơn với các trở kháng cao hơn cho thấy đây là một nguyên nhân góp phần.

Ở đây tôi không đồng ý rằng một opamp nhanh hơn sẽ không giúp được gì. Thông thường, trở kháng đầu ra của opamp được duy trì trên băng thông rộng hơn với opamp nhanh hơn. Mặc dù các đường cong trở kháng đầu ra hiếm khi được trình bày cho các bộ khuếch đại loại LM324 tần số thấp, nhưng nó phổ biến cho các bộ khuếch đại lớp video và chúng có xu hướng phẳng ở một số tần số thấp đáng ngạc nhiên, sau đó bắt đầu tăng ở mức 6dB mỗi quãng tám, vì vòng kín đã hết .

Tất nhiên một opamp nhanh hơn không chữa được vấn đề, nó vẫn sẽ chạy ra khỏi một đầu ra gay gắt ở một số tần số, nhưng nó sẽ đẩy vấn đề đến một tần số cao hơn, mà làm cho nó dễ dàng hơn cho một bộ lọc lợp để xử lý.

Brian chọn điểm rằng một bộ lọc thứ tự kỳ lạ có lợi vì cực thực. Khi bạn thực hiện phần Sallen-Key thứ 3, có một phần RC thực sự ở đầu vào, nó sẽ cung cấp mức suy giảm 6dB vào dải dừng xa, không phụ thuộc vào opamp.

Yêu cầu cốt truyện hơn nữa

a) một đồ thị trên cùng một đồ thị của thứ 6 gốc và bộ lọc thứ 7 mới, sử dụng LM324 với các thành phần bộ lọc trở kháng ban đầu. Điều này là để xem một RC thực sự duy nhất cải thiện mức tăng 1 MHz như thế nào.

b) một đồ thị trên cùng một đồ thị đường cong cho LM324 với các thành phần trở kháng cao hơn và đường cong cho opamp 'lý tưởng', chỉ có tối đa 10 MHz. Điều này là để xem vẫn còn bao nhiêu để đạt được từ một opamp tốt hơn, đã cải thiện mức trở kháng.

c) bộ khuếch đại 'go to' của tôi cho công việc âm thanh là OP275. LTSpice nên có một mô hình cho điều đó. Sẽ rất thú vị khi xem LM324 vs OP275 với các thành phần trở kháng ban đầu trên cùng một biểu đồ.

Phác thảo bố cục - chỉ dành cho giao tiếp khi tôi không thể đưa bản phác thảo vào bình luận, minh họa cả cách thức R và C được cấu hình phần thứ ba và cách bộ đệm có thể được đưa vào phản hồi (điều mà tôi không đề xuất cho thiết kế thực , chỉ cho một thử nghiệm thú vị)

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}