Ưu điểm của bộ lọc Sallen-Key so với bộ lọc thứ hai thông thường là gì?

Wikipedia liên kết đến bộ lọc Sallen-Key dưới dạng thông thấp hoạt động, vì vậy tôi đã dùng thử với LTSpice.

Đáp ứng tần số và đáp ứng pha không phải là tuyến tính, thay vào đó, đáp ứng tần số thậm chí còn cao hơn sau 10kHz. Tại sao lại như vậy và tại sao tôi lại sử dụng bộ lọc Sallen-Key thay vì bộ lọc thông thấp "bình thường"?

Sallen-Key nằm trên đường màu xanh.

Những gì bạn gọi là "bình thường" là một bộ lọc RC hai giai đoạn đơn giản với độ chọn lọc rất tệ (chỉ có hai cực thực). Ngược lại. cấu trúc liên kết Sallen-Key có khả năng tạo ra phản hồi thông thấp thứ hai với độ chọn lọc tốt hơn nhiều (Qp cực cao hơn) và các xấp xỉ có thể khác nhau (Butterworth, Ch Quashev, Thomson-Bessel, ...).

Tuy nhiên, có một nhược điểm lớn của cấu trúc Sallen-Key - nếu so sánh với các cấu trúc liên kết bộ lọc hoạt động khác (đa phản hồi, bộ lọc GIC, biến trạng thái, ...): Có một đường dẫn trực tiếp (trong ví dụ của bạn: C4 ) từ mạng đầu vào đến đầu ra opamp.

Điều đó có nghĩa là: Đối với các tần số lớn hơn nhiều so với tần số cắt, điện áp đầu ra từ opamp là - như mong muốn - rất thấp. Tuy nhiên, có một tín hiệu truyền trực tiếp qua đường dẫn C4 tạo ra tín hiệu đầu ra ở điện trở đầu ra hữu hạn của opamp. Và sức đề kháng này đang tăng lên với tần số!

Kết quả là, các đặc tính giảm xóc của bộ lọc này không tốt như nó nên / có thể. Và đó là những gì bạn đã quan sát: Độ lớn cho thấy một đặc tính tăng cho tần số lớn hơn. (Sự xuống cấp giảm xóc không mong muốn này không phải do những hạn chế của sản phẩm băng thông khuếch đại).

Cải thiện: Tình hình có thể được cải thiện bằng cách nhân rộng các giá trị bộ phận: Tụ nhỏ hơn và giá trị điện trở lớn hơn.

Nhận xét 1 : Thuộc tính không mong muốn này của bất kỳ mạch opamp nào có tụ phản hồi (giữa mạch đầu ra và mạch đầu vào) cũng có thể được quan sát đối với bộ tích hợp MILLER cổ điển.

Nhận xét 2: Vậy - có bất kỳ lợi thế nào mà các bộ lọc Sallen-Key so với các cấu trúc bộ lọc hoạt động khác không? Vâng - có. Hãy so sánh hai cấu trúc liên kết được sử dụng thường xuyên nhất:

(1) Sallen-Key có số liệu "độ nhạy hoạt động" rất thấp (độ nhạy chống lại tính phi lý tưởng của opamp) và số liệu "độ nhạy thụ động" khá cao (độ nhạy chống lại dung sai thụ động).

(2) Bộ lọc đa phản hồi (MF): Số liệu "độ nhạy chủ động" cao và "độ nhạy thụ động" thấp.

Cả hai độ nhạy đều là các thuộc tính khá quan trọng của tất cả các bộ lọc vì chúng xác định độ lệch giữa đáp ứng bộ lọc thực tế và mong muốn (trong điều kiện IDEAL, tất cả các loại bộ lọc sẽ có các thuộc tính hiệu suất giống hệt nhau).

Ở tần số thực sự cao, chẳng hạn như cao hơn UnityGainBandWidth, opamp đã mất quyền kiểm soát Vout của nó. Lưu ý làm thế nào đường thông thấp cực đảo ngược này có đáp ứng KHÔNG KIẾM đối với các xung đầu vào nhanh. Cfeedback cho phép phí đầu vào xuất hiện trực tiếp trên đầu ra.

Đây là mạch và các thông số OpAmp:

Lý do duy nhất khiến BODE (ảnh chụp màn hình thứ 2) bị suy giảm ở tần số cao hơn là 'CL' 15pF tạo thành LowPass với 2 điện trở thành VirtualGround. [Nếu bạn muốn suy giảm Freq cao tốt hơn, hãy cài đặt nắp 470pF xuống đất ở giữa 2 điện trở đầu vào.]

Bạn sẽ có niềm vui, bằng cách chỉnh sửa ROUT Ampli. Và bằng cách cho phép tụ lọc đầu vào. Và chỉnh sửa Cload 15pF đó.

Ví dụ này là một trong những BUILTIN (không cần kiến ​​thức SPICE) cho Signal Wave Explorer, miễn phí tải xuống từ chiccircuitdesign.com trong 19 ngày sử dụng.

Và Walt Jung, của Thiết bị analog, đã thảo luận về điểm yếu này của LPF từ nhiều thập kỷ trước.

Dưới đây là ví dụ về Zout MEASURED của opamp (gần 500 MHz, trông giống như 10pF. 31 Ohms), cho chế độ Active và cho ShutDown:

Bạn có thể chọn từ nhiều cấu hình tùy thuộc vào thông số kỹ thuật của bạn về độ trễ nhóm, Q, độ gợn của dải thông, độ suy giảm của dải băng, độ dốc của váy.

Cả Sallen-Key và Nhiều phản hồi đều có thể đạt được kết quả như nhau.

xem bên dưới.

Cả hai đều có thể đạt được mức tăng cao giới hạn bởi GBW của OP bạn chọn.

Phần mềm TI này có thể thiết kế bất kỳ bộ lọc hoạt động nào và cho phép bạn chọn một trong hai cấu hình và chọn dung sai điện trở trong đó chọn giá trị phù hợp. Nó không cho phép bạn chỉ định trở kháng đầu vào để bạn có thể chia tỷ lệ tất cả các giá trị RC cho phù hợp với điều này.

Tôi đã chọn phản ứng Bessel, vì vậy độ trễ nhóm là phẳng.

Thêm

Từ câu trả lời khác phơi bày giới hạn của Op Amp BW trong đó điện trở đầu ra vòng hở hoặc giới hạn hiện tại của bất kỳ Op Amp nào (loại Rail -to Rail tệ hơn nhiều), tôi đề xuất rằng bộ lọc Sallen-Keys tệ hơn khi suy giảm trên BW của Op Amp và sự suy giảm tần số cao (> GBW) của vòng mở phụ thuộc vào tỷ lệ trở kháng đầu vào / đầu ra trên ngưỡng GBW trong đó việc giảm phản hồi âm trên Zout không có tác động do thiếu tăng.

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