Qual é a vantagem de um filtro Sallen-Key sobre um filtro normal de segunda ordem?


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A Wikipedia vincula um filtro Sallen-Key como um passe baixo ativo, então tentei com o LTSpice.

A resposta de frequência e a resposta de fase não são lineares; em vez disso, a resposta de frequência fica ainda maior após 10kHz. Por que isso e por que eu usaria um filtro Sallen-Key em vez de um filtro passa-baixo "normal"?

O Sallen-Key está na linha azul.

O circuito

Resposta de Freqüência


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Seu segundo pedido "normal" parece ser um par em cascata de filtros de primeiro pedido. Sempre será exagerado. Sallen & Key permite controle total do fator de amortecimento. E acima de 10kHz, você está ficando sem o produto de ganho de largura de banda do antigo LM324.
Brian Drummond

Respostas:


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O que você chama de "normal" é um filtro RC simples de dois estágios com seletividade muito ruim (apenas dois polos reais). Em contraste. a topologia de Sallen-Key é capaz de produzir uma resposta passa-baixa de segunda ordem com muito melhor seletividade (pólo superior Qp) e várias aproximações possíveis (Butterworth, Chebyshev, Thomson-Bessel, ...).

No entanto, há uma grande desvantagem da estrutura Sallen-Key - se comparada com outras topologias de filtro ativas (feedback múltiplo, filtros GIC, variável de estado, ...): existe um caminho direto (no seu exemplo: C4 ) da rede de entrada até a saída opamp.

Isso significa: Para frequências muito maiores que a freqüência de corte, a tensão de saída do opamp é - conforme desejado - muito baixa. No entanto, há um sinal vindo diretamente pelo caminho C4 que cria um sinal de saída na resistência finita de saída do opamp. E essa resistência está aumentando com frequência!

Como conseqüência, as características de amortecimento desse filtro não são tão boas quanto deveriam / poderiam ser. E foi isso que você observou: a magnitude mostra uma característica crescente para frequências maiores. (Essa degradação de amortecimento indesejada não é causada por limitações do produto da largura de banda de ganho).

Melhoria: A situação pode ser melhorada escalando os valores das peças: Capacitores menores e valores maiores de resistores.

Comentário 1 : Essa propriedade indesejada de qualquer circuito opamp com um capacitor de realimentação (entre os circuitos de saída e entrada) também pode ser observada no integrador MILLER clássico.

Comentário 2: Então - existem vantagens nos filtros Sallen-Key em comparação com outras estruturas de filtro ativas? Sim, existem. Vamos comparar as duas topologias mais usadas:

(1) Sallen-Key possui valores muito baixos de "sensibilidade ativa" (sensibilidade contra não idealidades do opamp) e valores bastante altos de "sensibilidade passiva" (sensibilidade contra tolerâncias passivas).

(2) Filtros de feedback múltiplo (MF): altos valores de "sensibilidade ativa" e baixos de "sensibilidade passiva".

Ambas as sensibilidades são propriedades bastante importantes de todos os filtros porque determinam os desvios entre a resposta desejada e a real do filtro (em condições IDEAL, todos os tipos de filtro teriam propriedades de desempenho idênticas).


Agora que você adicionou "a situação pode ser melhorada escalando os valores das peças: capacitores menores e valores maiores de resistores", posso aprovar sua resposta com total tranquilidade. :)
Enric Blanco

'Isso não é causado por limitações do produto da largura de banda de ganho' - A resistência de saída de um sistema de malha fechada é determinada diretamente pelo ganho, então acho que a conexão é mais forte do que você está sugerindo. Se o GBW foi maior, o ponto de inflexão na resposta seria muito mais elevado
user3125280

Eu não mencionei o produto GBW. O efeito que mencionei é causado pelas características (desejadas) de passa-baixo (sinal de saída decrescente do opamp) e - ao mesmo tempo - por uma maior contribuição do caminho direto entre a entrada e a saída (através do capacitor de realimentação).
LvW 21/09/19

Há uma frase na resposta que sugere que a diminuição da produção de opamp não é resultado de um produto GBW limitado. Essa é a única parte que não me convence imediatamente
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A saída decrescente do opamp é, obviamente, o resultado da função lowpass desejada.
LvW 21/09/19

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Em frequências realmente altas, como superiores a UnityGainBandWidth, o opamp perdeu o controle de seu Vout. Observe como esse passa-baixo unipolar de inversão tem resposta NÃO INVERTER aos pulsos de entrada rápidos. O Cfeedback permite que a carga de entrada apareça diretamente na saída.

insira a descrição da imagem aqui

Aqui está o circuito e os parâmetros do OpAmp: insira a descrição da imagem aqui

A única razão pela qual o BODE (segunda captura de tela) tem atenuação em frequências mais altas é 'CL' 15pF, formando o LowPass com os dois resistores no VirtualGround. [Se você deseja uma melhor atenuação de alta frequência, instale a tampa de 470pF no terra no meio dos 2 resistores de entrada.]

Você se divertirá editando o ROUT dos amplificadores. E ativando o capacitor do filtro de entrada. E editando esse 15pF Cload.

Este exemplo é um daqueles BUILTIN (não é necessário conhecimento da SPICE) para o Signal Wave Explorer, que pode ser baixado gratuitamente no robustcircuitdesign.com por 19 dias exclusivos de uso.

E Walt Jung, da Analog Devices, discutiu essa fragilidade do LPF décadas atrás.

Aqui está um exemplo do Zout MEDIDO de um opamp (perto de 500 MHz, parece 10pF. 31 Ohms), para os modos Ativo e ShutDown: insira a descrição da imagem aqui


Observe que esta revelação ignora o design prudente que torna a impedância de entrada muito maior do que a impedância de saída de malha aberta. Nesse caso, o Rout é 1k e Rin (dc) = 1,5k, que nas formas de onda de teste> 1Mhz, como mostrado acima, torna o circuito um filtro passa-alto que obviamente é uma má escolha de valores. A escala para um Rin> 10x maior deve ser lembrada para atenuar essa fraqueza na limitação de GBW. Não obstante, se grandes sinais acima de BW de OA forem esperados, a pré-filtragem é essencial.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

O feedthru com aumento de f torna o cct de Feedback Múltiplo uma escolha melhor do que o filtro Sallen-keys, que possui passagem de feed-forward na tampa de feedback, onde o Zout se eleva por falta de BW.
você precisa saber é o seguinte

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Você pode escolher entre várias configurações, dependendo de suas especificações, para atraso de grupo, Q, ondulação do passa-banda, atenuação do batente, inclinação da saia.

O Sallen-Key e o Feedback Múltiplo podem alcançar os mesmos resultados.

ver abaixo.

insira a descrição da imagem aqui

Ambos podem alcançar alto ganho limitado pelo GBW do OP que você escolher.

Este software de TI pode projetar qualquer filtro ativo e permite escolher entre a configuração e as tolerâncias do resistor que selecionam o valor apropriado. Ele não permite que você especifique a impedância de entrada para que você possa dimensionar todos os valores de RC para se adequar a isso.

Eu escolhi a resposta de Bessel, para que o atraso do grupo seja plano.

Adicionado

Da outra resposta que expõe a limitação do Op Amp BW em que a resistência de saída em malha aberta ou o limite de corrente de qualquer Op Amp (tipo Rail-to Rail muito pior), proponho que o filtro Sallen-Keys seja pior para atenuação acima do BW do Op Amp e que a atenuação de alta freqüência de malha aberta (> GBW) depende da taxa de impedância de entrada / saída acima do limite de GBW, onde a redução de feedback negativo no Zout não tem impacto devido à falta de ganho.

esquemático

simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab



@ LvW..you são muito bem-vindos no segmento electronics.stackexchange.com/questions/289527/...
partykid
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