일반 2 차 필터에 비해 Sallen-Key 필터의 장점은 무엇입니까?


11

Wikipedia는 Sallen-Key 필터를 액티브 로우 패스로 연결하므로 LTSpice로 시도했습니다.

주파수 응답 및 위상 응답은 선형이 아니며, 10kHz 후에도 주파수 응답이 높아집니다. 그 이유는 무엇이며 왜 "일반"저역 통과 필터 대신 Sallen-Key 필터를 사용해야합니까?

Sallen-Key는 파란색 선상에 있습니다.

회로

주파수 응답


4
"정상"2 차 주문은 연속 된 1 차 주문 필터 쌍인 것으로 보입니다. 항상 과부하입니다. Sallen & Key는 댐핑 팩터를 완전히 제어 할 수 있습니다. 그리고 10kHz 이상에서는 고대 LM324의 이득 대역폭 제품이 부족합니다.
Brian Drummond

답변:


27

"정상"이라고 부르는 것은 선택성이 매우 나쁜 간단한 2 단계 RC 필터입니다 (두 개의 실제 극만 해당). 대조적으로. Sallen-Key 토폴로지는 훨씬 더 나은 선택성 (고극 Qp)과 다양한 근사치 (Butterworth, Chebyshev, Thomson-Bessel 등)로 2 차 저역 통과 응답을 생성 할 수 있습니다.

그러나 다른 능동 필터 토폴로지 (멀티 피드백, GIC 필터, 상태 변수 등)와 비교할 경우 Sallen-Key 구조의 한 가지 큰 단점이 있습니다. 직접 경로가 있습니다 (예 : C4). )를 입력 네트워크에서 opamp 출력으로

즉, 차단 주파수보다 훨씬 큰 주파수의 경우 원하는대로 opamp의 출력 전압이 매우 낮습니다. 그러나 C4 경로를 통해 직접 들어오는 신호가있어 opamp의 유한 출력 저항에서 출력 신호를 생성합니다. 그리고이 저항은 주파수와 함께 증가하고 있습니다!

결과적으로이 필터의 댐핑 특성은 예상만큼 좋지 않습니다. 그리고 그것은 당신이 관찰 한 것입니다 : 크기는 더 큰 주파수에 대한 상승 특성을 보여줍니다. (이 원하지 않는 댐핑 저하는 이득 대역폭 제품의 제한으로 인한 것이 아닙니다).

개선 : 부품 값을 축소하여 상황을 개선 할 수 있습니다. 더 작은 커패시터와 더 큰 저항 값.

의견 1 : 피드백 커패시터 (출력 및 입력 회로 사이)가있는 모든 opamp 회로의 이러한 원하지 않는 특성은 기존 MILLER 적분기에서도 볼 수 있습니다.

논평 2 : 그렇다면-Sallen-Key 필터가 다른 능동 필터 구조와 비교하여 어떤 장점이 있습니까? 네, 있습니다. 가장 자주 사용되는 두 가지 토폴로지를 비교해 보겠습니다.

(1) Sallen-Key는 "활성 민감도"수치 (opamp 비 이상성에 대한 감도)가 매우 낮고 "수동 감도"수치 (수동 공차에 대한 감도)가 매우 높습니다.

(2) 다중 피드백 필터 (MF) : "활성 감도"가 높고 "수동 감도"가 낮습니다.

두 가지 감도 모두 원하는 필터 응답과 실제 필터 응답 사이의 편차를 결정하기 때문에 모든 필터의 중요한 속성입니다 (IDEAL 조건에서는 모든 필터 유형이 동일한 성능 속성을 가짐).


이제 "부품 값을 조정하여 상황을 개선 할 수 있습니다. 더 작은 커패시터와 더 큰 저항 값"을 추가 했으므로 완전한 안심과 함께 답을 올릴 수 있습니다. :)
Enric Blanco

'이것은 이득 대역폭 제품의 한계로 인한 것이 아닙니다.'-폐쇄 루프 시스템의 출력 저항은 이득에 의해 직접 결정되므로 연결이 제안한 것보다 더 강하다고 생각합니다. GBW가 높았다 경우, 응답의 변곡점이 너무 높은 것
user3125280

GBW 제품은 전혀 언급하지 않았습니다. 내가 언급 한 효과는 (원하는) 저역 통과 특성 (오 프 앰프 출력 신호 감소)과 동시에 (피드백 커패시터를 통한) 입력과 출력 사이의 직접 경로의 기여도가 증가했기 때문입니다.
LvW

답변에 한 문장이 있는데 이는 opamp 출력 감소가 제한된 GBW 제품의 결과가 아니라는 것을 나타냅니다. 그것이 바로 저를 설득시키지 못하는 유일한 부분입니다
user3125280

감소하는 opamp 출력은 물론 원하는 저역 통과 기능의 결과입니다.
LvW

3

UnityGainBandWidth보다 높은 주파수에서 opamp는 Vout 제어를 잃었습니다. 이 인 버팅 단극 저역 통과가 빠른 입력 펄스에 대해 비 반전 응답을 갖는 방법에 주목하십시오. Cfeedback을 통해 입력 전하가 출력에 직접 나타납니다.

여기에 이미지 설명을 입력하십시오

회로와 OpAmp 매개 변수는 다음과 같습니다. 여기에 이미지 설명을 입력하십시오

BODE (2 차 스크린 샷)가 더 높은 주파수에서 감쇠되는 유일한 이유는 2 개의 저항으로 VirtualGround에 LowPass를 형성하는 'CL'15pF입니다. [더 높은 고주파 감쇠를 원한다면 2 개의 입력 저항 중간에 접지에 470pF 캡을 설치하십시오.]

앰프 ROUT을 편집하여 재미있게 보내십시오. 입력 필터 커패시터를 활성화하면 그리고 15pF Cload를 편집하십시오.

이 예제는 Signal Wave Explorer에 대한 BUILTIN (SPICE에 대한 지식이 필요하지 않음) 중 하나이며, 19 일 동안 만 사용하면 robustcircuitdesign.com에서 무료로 다운로드 할 수 있습니다.

그리고 Analog Devices의 Walt Jung은 수십 년 전에 이러한 LPF의 약점에 대해 논의했습니다.

다음은 액티브 및 셧다운 모드에 대한 opamp의 MEASURED Zout (500MHz 근처, 10pF, 31Ω과 유사)의 예입니다. 여기에 이미지 설명을 입력하십시오


이 계시는 입력 임피던스를 개방 루프 출력 임피던스보다 훨씬 크게 만드는 신중한 설계를 무시합니다. 이 경우 Rout은 1k이고 Rin (dc) = 1.5k는 테스트 파형에서> 1Mhz 이상일 때 회로를 고역 통과 필터로 만들어 값을 잘못 선택합니다. GBW 제한에서이 약점을 약화 시키려면> 10x 이상의 Rin에 대한 스케일링을 기억해야합니다. OA의 BW보다 큰 신호가 예상 되더라도 사전 필터링이 필수적입니다.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

f가 상승하는 피드 스루는 Zout이 BW 부족으로 상승하는 피드백 캡에서 피드 포워드 패스 스루를 갖는 Sallen-keys 필터보다 다중 피드백 cct를 더 나은 선택으로 만듭니다.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

1

그룹 지연, Q, 대역 통과 리플, 대역 정지 감쇠, 치마 가파른 사양에 따라 여러 구성 중에서 선택할 수 있습니다.

Sallen-Key와 다중 피드백 모두 동일한 결과를 얻을 수 있습니다.

아래를 참조하십시오.

여기에 이미지 설명을 입력하십시오

두 가지 모두 선택한 OP의 GBW에 의해 제한된 높은 이득을 달성 할 수 있습니다.

이 TI 소프트웨어는 모든 활성 필터를 설계 할 수 있으며 구성 중 하나를 선택하고 적절한 값을 선택하는 저항 공차를 선택할 수 있습니다. 입력 임피던스를 지정할 수 없으므로 모든 RC 값을 이에 맞게 스케일링 할 수 있습니다.

베셀 응답을 선택 했으므로 그룹 지연이 일정합니다.

추가

개방 루프 출력 저항 또는 Op 앰프의 전류 제한 (Rail-to Rail 유형이 훨씬 더 나쁨) 인 Op Amp BW의 한계를 드러내는 다른 답변에서 Sallen-Keys 필터는 BW 이상의 감쇠에 대해 더 나쁩니다 개방 루프 고주파 (> GBW) 감쇠는 GBW 임계 값을 초과하는 입력 / 출력 임피던스 비율에 따라 달라지며 Zout에서 음의 피드백 감소는 이득 부족으로 인한 영향이 없습니다.

개략도

이 회로 시뮬레이션CircuitLab을 사용하여 작성된 회로도



당사 사이트를 사용함과 동시에 당사의 쿠키 정책개인정보 보호정책을 읽고 이해하였음을 인정하는 것으로 간주합니다.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.