通常の2次フィルターに対するSallen-Keyフィルターの利点は何ですか?


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ウィキペディアはアクティブローパスとしてSallen-Keyフィルターにリンクしているので、LTSpiceで試してみました。

周波数応答と位相応答は線形ではなく、代わりに周波数応答は10kHz後にさらに高くなります。それはなぜですか。また、「通常の」ローパスフィルターの代わりにSallen-Keyフィルターを使用するのはなぜですか?

Sallen-Keyは青い線上にあります。

回路

周波数応答


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「通常の」2次は、1次フィルターのカスケードペアのようです。常に減衰しすぎます。Sallen&Keyを使用すると、減衰係数を完全に制御できます。そして、10kHz以上では、古代のLM324のゲイン帯域幅積が不足しています。
ブライアンドラモンド

回答:


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「通常」と呼ぶものは、選択性が非常に悪い単純な2段RCフィルターです(2つの実極のみ)。対照的に。Sallen-Keyトポロジは、はるかに優れた選択性(より高い極Qp)とさまざまな可能な近似(Butterworth、Chebyshev、Thomson-Bessel、...)で2次のローパス応答を生成できます。

ただし、Sallen-Key構造には大きな欠点が1つあります-他のアクティブなフィルタートポロジ(マルチフィードバック、GICフィルター、状態変数など)と比較した場合:直接的なパスがあります(例ではC4 )入力ネットワークからオペアンプ出力へ。

つまり、カットオフ周波数よりもはるかに高い周波数では、オペアンプからの出力電圧は-必要に応じて-非常に低くなります。ただし、オペアンプの有限出力抵抗で出力信号を生成するC4パスを直接通過する信号があります。そして、この抵抗は周波数とともに増加しています!

結果として、このフィルターの減衰特性は、本来あるべき/そうでない可能性があります。そして、それはあなたが観察したことです。大きさは、より大きな周波数に対して上昇する特性を示します。(この望ましくない減衰の低下は、ゲイン帯域幅積の制限によるものではありません)。

改善:状況は、部品の値をスケーリングすることで改善できます:より小さなコンデンサーとより大きな抵抗値。

コメント1:フィードバックコンデンサ(出力と入力回路間)を備えたオペアンプ回路のこの望ましくない特性は、古典的なMILLER積分器でも観察できます。

コメント2:それでは-他のアクティブなフィルター構造と比較して、Sallen-Keyフィルターには利点がありますか?はい、あります。最も頻繁に使用される2つのトポロジを比較してみましょう。

(1)Sallen-Keyの「アクティブ感度」の数値は非常に低く(オペアンプの非理想性に対する感度)、かなり高い「パッシブ感度」の数値(パッシブトレランスに対する感度)です。

(2)マルチフィードバックフィルター(MF):高い「アクティブ感度」と低い「パッシブ感度」の数値。

両方の感度は、望ましいフィルタ応答と実際のフィルタ応答との偏差を決定するため、すべてのフィルタのかなり重要なプロパティです(IDEAL条件では、すべてのフィルタタイプは同じパフォーマンスプロパティを持ちます)。


「部品の値をスケーリングすることで状況を改善できます。小さなコンデンサと大きな抵抗値」を追加したので、完全に安心して答えを表明できます。:)
エンリックブランコ

「これはゲイン帯域幅積の制限によるものではありません」-閉ループシステムの出力抵抗はゲインによって直接決定されるため、接続はあなたが提案しているよりも強いと思います。GBWが高ければ、応答の変曲点も高くなります
-user3125280

GBW製品についてはまったく言及しませんでした。私が述べた効果は、(望ましい)ローパス特性(オペアンプ出力信号の減少)と、同時に(フィードバックコンデンサを介した)入力と出力の間の直接経路の寄与の増加によって生じます。
LvW

回答には、オペアンプ出力の減少がGBW製品の制限の結果ではないことを示唆する1つの文があります。それはすぐに私を説得しない唯一の部分です
-user3125280

もちろん、オペアンプ出力の減少は、目的のローパス機能の結果です。
LvW

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UnityGainBandWidthより高いなどの非常に高い周波数では、オペアンプはVoutの制御を失いました。この反転単極ローパスには、高速入力パルスに対する非反転応答があることに注意してください。Cフィードバックにより、入力電荷が出力に直接現れるようになります。

ここに画像の説明を入力してください

回路とOpAmpパラメータは次のとおりです。 ここに画像の説明を入力してください

BODE(2番目のスクリーンショット)がより高い周波数で減衰する唯一の理由は、「CL」15pFがVirtualGroundへの2つの抵抗でLowPassを形成することです。[より良い高周波数減衰が必要な場合は、2つの入力抵抗の中間で470pFのキャップをグランドに取り付けてください。]

Amplifiers ROUTを編集することで、楽しくなります。そして、その入力フィルタコンデンサを有効にすることにより。そして、15pF Cloadを編集します。

この例は、Signal Wave ExplorerのBUILTIN(SPICEの知識は不要)の1つであり、19日間のユニークな使用期間中、robustcircuitdesign.comから無料でダウンロードできます。

そして、Analog DevicesのWalt Jungは、数十年前にLPFのこの脆弱性について議論しました。

アクティブモードとシャットダウンモードのオペアンプのMEASURED Zout(500MHz付近、10pFのように見える。31オーム)の例を次に示します。 ここに画像の説明を入力してください


この啓示は、入力インピーダンスを開ループ出力インピーダンスよりもはるかに大きくする慎重な設計を無視していることに注意してください。この場合、Routは1kで、Rin(dc)= 1.5kであり、上記のテスト波形> 1Mhzでは、明らかに値の選択が不適切なハイパスフィルターになります。GBW制限のこの弱点を軽減するには、10倍以上のRinのスケーリングを覚えておく必要があります。OAの帯域幅を超える大きな信号が予想される場合でも、事前フィルタリングは不可欠です。
トニースチュワートサニースキーガイEE75

fが上昇しているフィードスルーにより、Boutの不足からZoutが上昇するフィードバックキャップにフィードフォワードパススルーがあるSallen-keysフィルターよりも、Multiple Feedback cctの方が適切な選択になります。
トニースチュワートサニースキーガイEE75

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群遅延、Q、バンドパスリップル、バンドストップ減衰、スカートの急峻性の仕様に応じて、多くの構成から選択できます。

Sallen-KeyとMultiple Feedbackの両方で同じ結果が得られます。

下記参照。

ここに画像の説明を入力してください

どちらも、選択したOPのGBWによって制限される高ゲインを実現できます。

このTIソフトウェアは、任意のアクティブフィルターを設計でき、いずれかの構成から選択し、適切な値を選択する抵抗許容差を選択できます。入力インピーダンスを指定することはできないため、これに合わせてすべてのRC値をスケーリングできます。

ベッセル応答を選択したため、群遅延はフラットです。

追加しました

オープンループの出力抵抗またはオペアンプの電流制限(Rail-to Railタイプはさらに悪い)であるオペアンプBWの制限を明らかにする他の回答から、私はSallen-KeysフィルタがBWを超える減衰に対してより悪いことを提案しますオペアンプの性能と、オープンループの高周波(> GBW)減衰は、ゲインの不足によりZoutの負帰還が影響を与えないGBWしきい値を超える入力/出力インピーダンス比に依存すること。

回路図

この回路のシミュレーションCircuitLabを使用して作成された回路



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