Jaka jest zaleta filtra Sallen-Key w porównaniu z normalnym filtrem drugiego rzędu?

Wikipedia łączy się z filtrem Sallen-Key jako aktywnym dolnoprzepustowym, więc wypróbowałem to z LTSpice.

Pasmo przenoszenia i odpowiedź fazowa nie są liniowe, natomiast pasmo przenoszenia staje się nawet wyższe po 10 kHz. Dlaczego tak jest i dlaczego miałbym używać filtra Sallen-Key zamiast „normalnego” filtra dolnoprzepustowego?

Klucz Sallen jest na niebieskiej linii.

To, co nazywacie „normalnym”, to prosty dwustopniowy filtr RC o bardzo złej selektywności (tylko dwa prawdziwe bieguny). W przeciwieństwie. topologia Sallen-Key jest w stanie wytworzyć odpowiedź dolnoprzepustową drugiego rzędu ze znacznie lepszą selektywnością (wyższy biegun Qp) i różnymi możliwymi przybliżeniami (Butterworth, Czebyshev, Thomson-Bessel, ...).

Jest jednak jedna wielka wada struktury Sallen-Key - w porównaniu z innymi aktywnymi topologiami filtrów (wielokrotne sprzężenie zwrotne, filtry GIC, zmienna stanu, ...): Istnieje bezpośrednia ścieżka (w twoim przykładzie: C4 ) z sieci wejściowej do wyjścia opamp.

Oznacza to: Dla częstotliwości znacznie większych niż częstotliwość odcięcia napięcie wyjściowe z opampa jest - zgodnie z życzeniem - bardzo niskie. Jest jednak sygnał przechodzący bezpośrednio ścieżką C4, który tworzy sygnał wyjściowy przy skończonej rezystancji wyjściowej opampa. I ten opór rośnie wraz z częstotliwością!

W rezultacie tłumiące cechy tego filtra nie są tak dobre, jak powinny / mogłyby być. I to właśnie zaobserwowałeś: wielkość pokazuje rosnącą charakterystykę dla większych częstotliwości. (Ta niepożądana degradacja tłumienia nie jest spowodowana ograniczeniami produktu zwiększającego przepustowość).

Ulepszenie: Sytuację można poprawić, skalując wartości części: mniejsze kondensatory i większe wartości rezystorów.

Komentarz 1 : Tę niepożądaną właściwość dowolnego obwodu oporowego z kondensatorem sprzężenia zwrotnego (między obwodem wyjściowym a wejściowym) można zaobserwować również w przypadku klasycznego integratora MILLER.

Komentarz 2: Więc - czy są jakieś zalety filtrów Sallen-Key w porównaniu z innymi aktywnymi strukturami filtrów? Tak, są. Porównajmy dwie najczęściej stosowane topologie:

(1) Klucz Sallen ma bardzo niskie wartości „aktywnej wrażliwości” (wrażliwość na nieidealność opampa) i dość wysokie wartości „czułości pasywnej” (wrażliwość na tolerancję pasywną).

(2) Filtry z wieloma sprzężeniami zwrotnymi (MF): Wysokie wartości „aktywnej czułości” i niskiej „czułości pasywnej”.

Obie czułości są raczej ważnymi właściwościami wszystkich filtrów, ponieważ określają odchylenia między pożądaną a rzeczywistą odpowiedzią filtra (w warunkach IDEAL wszystkie typy filtrów miałyby identyczne właściwości wydajności).

Przy naprawdę wysokich częstotliwościach, takich jak wyższe niż UnityGainBandWidth, opamp stracił kontrolę nad swoim Voutem. Zauważ, że ten odwracający jednobiegunowy dolnoprzepustowy ma odpowiedź NIEWRÓCENIE na szybkie impulsy wejściowe. Funkcja sprzężenia zwrotnego umożliwia pojawienie się ładunku wejściowego bezpośrednio na wyjściu.

Oto obwód i parametry OpAmp:

Jedynym powodem, dla którego BODE (drugi zrzut ekranu) ma tłumienie przy wyższych częstotliwościach, jest „CL” 15pF tworzący LowPass z 2 rezystorami do VirtualGround. [Jeśli chcesz uzyskać lepsze tłumienie wysokiej częstotliwości, zainstaluj osłonę 470pF do masy na środku 2 rezystorów wejściowych.]

Będziesz się dobrze bawić, edytując ROUT wzmacniaczy. I poprzez włączenie tego kondensatora filtra wejściowego. I edytując ten 15pF Cload.

Ten przykład jest jednym z tych BUILTIN (bez wiedzy SPICE) do Signal Wave Explorer, do pobrania za darmo z robustcircuitdesign.com na 19 unikalnych dni użytkowania.

A Walt Jung, z Analog Devices, omawiał tę słabość LPF kilkadziesiąt lat temu.

Oto przykład mierzonego Zouta opampa (blisko 500 MHz, wygląda jak 10pF. 31 omów), dla trybów Aktywnych i ShutDown:

Możesz wybierać spośród wielu konfiguracji w zależności od specyfikacji dla opóźnienia grupy, Q, tętnienia pasma, tłumienia pasma, stromości spódnicy.

Zarówno Sallen-Key, jak i Multiple Feedback mogą osiągnąć te same wyniki.

patrz poniżej.

Oba mogą osiągnąć wysoki zysk ograniczony przez GBW wybranego PO.

To oprogramowanie TI może zaprojektować dowolny aktywny filtr i pozwala wybrać jedną z konfiguracji i wybrać tolerancje rezystorów, które wybierają odpowiednią wartość. Nie pozwala na określenie impedancji wejściowej, dzięki czemu można skalować wszystkie wartości RC, aby to dopasować.

Wybrałem odpowiedź Bessela, więc opóźnienie grupy jest płaskie.

Dodany

Z drugiej odpowiedzi, która obnaża ograniczenie Op Amp BW, gdzie rezystancja wyjściowa w otwartej pętli lub limit prądu dowolnego Op Amp (typy Rail -to Rail znacznie gorzej), proponuję, że filtr Sallen-Keys jest gorszy pod względem tłumienia powyżej BW wzmacniacza operacyjnego i że tłumienie wysokiej częstotliwości w otwartej pętli (> GBW) zależy od stosunku impedancji wejściowej / wyjściowej powyżej progu GBW, gdzie redukcja ujemnego sprzężenia zwrotnego na Zout nie ma wpływu z powodu braku wzmocnienia.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}