Aktywne filtry dolnoprzepustowe - dobre dla jakich częstotliwości?

Dodatek E do The Art of Electronics, wydanie trzecie (filtry LC Butterworth) zaczyna się od stwierdzenia, że ​​„ filtry aktywne są wygodne przy niskich częstotliwościach, ale niepraktyczne przy wyższych częstotliwościach ”. Mówią, że „ przy częstotliwościach 100 kHz i wyższych najlepszym podejściem są pasywne filtry LC ” (sparafrazowane w obu przypadkach).

Moje pierwsze pytanie: naprawdę? Czy zaledwie 100 kHz jest już zbyt wysokie, aby aktywne filtry były praktyczne?

Rozumiem, że wzmacniacze operacyjne o dużej przepustowości i WYSOKIEJ prędkości narastania mogą być drogie, co czyni je „niepraktycznym” w ogólnym przypadku --- jednak dolnoprzepustowy filtr LC z, powiedzmy, odcięciem 1 MHz, topologią T z 1kΩ obciążenie wymaga cewek indukcyjnych rzędu setek μH --- jeśli muszę uniknąć zniekształceń (nasycenie rdzenia magnetycznego i histereza), cewka powietrzna w tym zakresie sprawia, że ​​całość jest raczej niepraktyczna.

Pytanie 2 brzmiałoby: czy częstotliwość odcięcia, powiedzmy, mniejsza niż 10 MHz jest zbyt wysoka dla filtra dolnoprzepustowego drugiego rzędu Sallen-Key?

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

Analizując go z perspektywy idealnego przypadku (zakładając, że wzmacniacz operacyjny zawsze działa w trybie liniowym), wszystkie trzy piny wzmacniacza operacyjnego zostaną poddane dolnoprzepustowemu sygnałowi wyjściowemu --- przy częstotliwości odcięcia <10 MHz, która z pewnością nie jest problem (ani przepustowość, ani szybkość narastania). Pojemność wejściowa nie powinna być dużym problemem --- przy R w kolejności 1k, kondensatory są rzędu kilkudziesięciu pF do kilkuset pF --- wystarczająco wysokie, aby wejście wzmacniacza operacyjnego było pojemność pomijalna.

Czy pomijam jakieś inne praktyczne problemy? Czy jestem realistą, jeśli chcę taki aktywny filtr z odcięciem rzędu kilku MHz? (cena nie stanowi problemu --- jeśli potrzebuję wzmacniacza operacyjnego w zakresie 10 lub 20 USD, to w porządku)

Uważam, że twoja analiza jest dobra. Zrobiłem filtry czwartego rzędu marki Sallen-Key, które odcinają około 3 MHz bez absolutnie żadnej obawy o wydajność. Nie widzę, że 10 MHz jest nieosiągalne.

Chodzi przede wszystkim o wybór wzmacniacza operacyjnego. Dla etapu wzmocnienia jedności łatwo jest ustalić, gdzie wzmocnienie zaczyna spadać poniżej (powiedzmy) 0,99 i uznać to za częstotliwość graniczną. Z drugiej strony impedancja wyjściowa wzmacniacza operacyjnego zwykle pogarsza się, gdy wchodzi w regiony MHz, więc musisz mieć pewność, że może on dostarczyć prąd szczytowy bez przesterowania lub zbyt niestabilności.

Trzeba też wziąć pod uwagę ograniczenia szybkości zabijania, ale o ile mi wiadomo, to tyle.

Jest całkiem możliwe, że The Art of Electronics, 3rd Editionnie wprowadzono żadnych aktualizacji w tej sekcji od czasu jej pierwszego wydania w 1980 roku.

Moje pierwsze pytanie: naprawdę? Czy zaledwie 100 kHz jest już zbyt wysokie, aby aktywne filtry były praktyczne?

Nie, 100 kHz to nic, ale wszystko zależy od opampa. W pewnym momencie produkt zwiększania przepustowości spowoduje problemy. Jeśli miałeś wzmacniacz operacyjny z 1MHz lub 10MHz GBWP (co mogło być typowe w czasie pierwszej edycji AofE, może nie zaktualizowali tego, moim zdaniem, więc porównałbym wersje), to 100kHz nie brzmi to zbyt nierozsądnie, ponieważ dostaniesz tylko jedną lub dwie wartości filtrowania, a wtedy przepustowość spadnie poniżej wzmocnienia jedności. Wtedy twój filtr dolnoprzepustowy wygląda bardziej jak pasmowoprzepustowy.

Czy pomijam jakieś inne praktyczne problemy? Czy jestem realistą, jeśli chcę taki aktywny filtr z odcięciem rzędu kilku MHz? (cena nie stanowi problemu --- jeśli potrzebuję wzmacniacza operacyjnego w zakresie 10 lub 20 USD, to w porządku)

Jeśli naprawdę potrzebujesz filtrowania powyżej 50 MHz, wówczas pasożyty należy wymodelować, ponieważ ESR i ESL w kondensatorach zaczną oddziaływać na bieguny filtrów i tworzyć własne bieguny filtrów przy wysokich częstotliwościach. Jeśli to możliwe, użyj pakietu przypraw. Upewnij się, że GBWP jest wystarczająco wysoki, w dzisiejszych czasach nie jest trudno uzyskać wzmacniacze operacyjne działające w zakresie + 100 MHz.

Głównym problemem związanym z tą topologią Sallen Key przy wysokiej częstotliwości jest to, że impedancja wyjściowa wzmacniaczy operacyjnych rośnie, więc nie steruje przekazywaniem sygnału wejściowego przez kondensator 2C, niszcząc pasmo stop.

TI ma notatkę App Design 10 MHz. Opiera się na ich niedrogim wzmacniaczu operacyjnym THS4001 270 MHz -3dB.

Wzmacniacze operacyjne mają impedancję wyjściową w otwartej pętli znacznie większą niż generator sygnału 50 Ω. Dzięki temu są stabilne dzięki zabezpieczeniu przeciwzwarciowemu. Wyższa GBW służy do obniżenia Zout = Zoc / GBW. Płytka ESL (0,5nH / mm) i pojemność błądząca będą musiały zostać zminimalizowane.

Przy 150 MHz GBW możesz używać 1k R ​​z 5 pf, 10 pF.

Nie przeczytałem ich projektu.

http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/sloa032/sloa032.pdf

Aby zaprojektować dowolny filtr, należy rozważyć te specyfikacje jako 1.;

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