Aktif yüksek geçiş filtresi

Daha önce Pasif Yüksek Geçiş Filtresi ve Aktif Düşük Geçiş Filtresinden bahsetmiştik, şimdi Aktif Yüksek geçiş filtresinin zamanı geldi. Aktif Yüksek Geçiş Filtresinin ne olduğunu keşfedelim.

Nedir, Devre, formüller, eğri mi?

Pasif alçak geçiren filtre gibi, pasif yüksek geçiren filtre, pasif bileşenler, Direnç ve Kondansatör ile çalışır. Pasif yüksek geçiş filtresiyle ilgili önceki eğitimde, herhangi bir dış kesinti veya aktif yanıt olmadan çalıştığını öğrendik.

Biz ise pasif yüksek geçiş filtresi boyunca bir Amplifikatör eklemek, kolayca Aktif yüksek geçiren filtre oluşturabilir. Amplifikatör konfigürasyonunu değiştirerek, farklı tiplerde yüksek geçişli filtre, ters çevrilmiş veya ters çevrilmemiş veya birleşik kazanç aktif yüksek geçiş filtresi oluşturabiliriz.

Basitlik, zaman etkinliği ve ayrıca op-amp tasarımında gelişen teknolojiler uğruna, Aktif Filtre tasarımı için genellikle bir op-amp kullanılır.

Pasif yüksek geçiş filtresinde, frekans yanıtı sonsuzdur. Ancak pratik senaryoda, bileşenlere ve diğer faktörlere büyük ölçüde bağlıdır, burada aktif yüksek geçiş filtresi durumunda, op-amp bant genişliği, aktif yüksek geçiş filtresinin ana sınırlamasıdır. Bu, maksimum frekansın amplifikatörün kazancına ve op-amp'in açık döngü karakteristiğine bağlı olarak geçeceği anlamına gelir.

En keşfedelim birkaç ortak açık döngü DC voltaj kazancı op-amper.

Op-amp	Bant genişliği (dB)	Maksimum Frekans
LM258	100	1 MHz
uA741	100	1 MHz
RC4558D	35	3 MHz
TL082	110	3 MHz
LM324N	100	1 MHz

Bu, genel op-amp ve orada voltaj kazancı hakkında küçük bir listedir. Ayrıca, voltaj kazancı büyük ölçüde sinyalin frekansına ve op-amp'in giriş voltajına ve bu op-amp'de ne kadar kazancın uygulandığına bağlıdır.

Daha fazlasını keşfedelim ve bu konuda özel olanı anlayalım: -

İşte Basit Yüksek Geçişli Filtre Tasarımı: -

Bu, Aktif Yüksek geçiş filtresinin görüntüsüdür. Buradaki ihlal satırı bize önceki eğitimde gördüğümüz geleneksel pasif Yüksek geçişli RC filtresini gösteriyor.

Kesilmiş Frekans ve Gerilim kazancı:

Kesme frekansı formülü, pasif Yüksek geçiş filtresinde kullanılanla aynıdır.

fc = 1 / 2πRC

Önceki eğitimde açıklandığı gibi fc, kesme frekansıdır ve R, Direnç değeri ve C, Kapasitör değeridir.

Op-amp'in pozitif düğümüne bağlı iki direnç, geri besleme dirençleridir. Bu dirençler op-amp'in pozitif düğümüne bağlandığında, buna ters çevirmeyen konfigürasyon denir. Bu dirençler, amplifikasyondan veya kazançtan sorumludur.

Ayrıca, kazanca göre eşdeğer direnç değerini seçebileceğimiz veya tam tersi olabileceğimiz aşağıdaki denklemleri kullanarak amplifikatörün kazancını kolayca hesaplayabiliriz: -

Amplifikatör Kazancı (DC genliği) (Af) = (1 + R3 / R2)

Frekans Tepki Eğrisi:

Bakalım Aktif Yüksek geçiş filtresinin veya Bode grafiği / Frekans yanıt eğrisinin çıktısının ne olacağını görelim: -

Bu, op-amp'in ve amplifikatöre bağlanan filtrenin kazanç eğrisidir.

Bu yeşil eğri, sinyalin yükseltilmiş çıkışını gösterir ve kırmızı olan, pasif yüksek geçiren filtre boyunca yükseltilmemiş çıkışı gösterir.

Eğriyi daha doğru görürsek, bu bode grafiğinin içinde aşağıdaki noktaları bulacağız: -

Kırmızı eğri 20dB / on yılda artar ve kesme bölgesinde büyüklük 45 derece faz marjı olan -3dB'dir.

Daha önce tartışıldığı gibi, bir op-amp'in maksimum frekans yanıtı, kazancı veya bant genişliği ile oldukça bağlantılıdır (açık döngü kazancı Av olarak adlandırılır).

Daha önce sağlanan listede, uA741 gibi tipik ortak op-amp gördük, LM324N, giriş frekansı artarsa ​​On Yıl başına -20dB'lik bir yuvarlanma oranında azalacak olan 100dB maksimum açık döngü kazancına sahiptir. LM324N, uA741 tarafından desteklenen maksimum giriş frekansı, birim kazanç bant genişliği veya frekansı olan 1 Mhz'dir. Bu frekansta ilgili op-amp, 0dB kazanç veya 20dB / on yılda azalan birlik kazancı üretecektir.

Yani sonsuz değil, 1 MHz'den sonra kazanç -20dB / on yıl oranında azalacak. Aktif yüksek geçiş filtresinin bant genişliği, büyük ölçüde op-amp'in bant genişliğine bağlıdır.

Op-amp Gerilim kazancını dönüştürerek büyüklük kazancını hesaplayabiliriz.

Hesaplama aşağıdaki gibidir: -

dB = 20log (Af) Af = Vin / Vout

Bu Af, direnç değerini hesaplayarak veya Vout'u Vin ile bölerek daha önce tanımladığımız Dc kazancı olabilir.

Ayrıca filtreye (f) uygulanan frekanstan ve kesme frekansından (fc) voltaj kazancını elde edebiliriz. Bu ikisinden voltaj kazancını elde etmek, bu formülü kullanarak çok basittir =

F ve fc'nin değerini koyarsak, filtrede istenen voltaj kazancını elde ederiz.

Ters Amplifikatör Filtre Devresi:

Filtreyi ters formasyonda da inşa edebiliriz.

Faz marjı aşağıdaki denklemle elde edilebilir.

Faz kayması, Pasif yüksek geçiş filtresinde görülenle aynıdır. Fc'nin kesim frekansında +45 derecedir.

Ters çevrilmiş aktif Yüksek geçiş filtresinin devre uygulaması şöyledir: -

Ters konfigürasyonda aktif bir Yüksek geçiş filtresidir. Op-amp ters bağlanmıştır. Önceki bölümde, giriş op-amp'in pozitif giriş pinine bağlandı ve op-amp negatif pini, geri besleme devresini yapmak için kullanıldı. Burada devre tersine çevrildi. Toprak referansı ve op-amp negatif giriş pinine bağlı kapasitör ve geri besleme direnci ile bağlantılı pozitif giriş. Buna ters op-amp yapılandırması denir ve çıkış sinyali giriş sinyalinden daha tersine çevrilir.

Direnç R1, hem pasif filtrenin bir rolü hem de aynı anda bir kazanç direnci görevi görür.

Birlik Kazanımı veya Gerilim İzleyici Aktif Yüksek Geçiş Filtresi:

Şimdiye kadar burada açıklanan devre voltaj kazancı ve amplifikasyon sonrası amaç için kullanılmıştır.

Bunu bir birim kazanç amplifikatörü kullanarak yapabiliriz, bu, çıkış genliğinin veya kazancının 1x olacağı anlamına gelir. Vin = Vout.

Bahsetmiyorum bile, op-amp'in giriş sinyalinin tam bir kopyasını oluşturduğu, genellikle voltaj takipçisi konfigürasyonu olarak tanımlanan bir op-amp konfigürasyonudur.

Devre tasarımını ve op-amp'i voltaj takipçisi olarak nasıl yapılandıracağımızı ve birlik kazancını aktif hale getireceğimizi görelim Yüksek geçiş filtresi:

Bu görüntüde her şey, ilk şekilde kullanılan kazanç amplifikatörüyle aynıdır. op-amp'in geri besleme dirençleri kaldırılır. Direnç yerine op-amp'in negatif giriş pini doğrudan çıkış op-amp ile bağlanır. Bu op-amp konfigürasyonu, Voltaj takipçisi konfigürasyonu olarak adlandırılır. Kazanç 1x'tir. Birim kazanç aktif Yüksek geçiş filtresidir. Giriş sinyalinin tam bir kopyasını üretecektir.

Hesaplama ile pratik örnek

Tersine çevirmeyen op-amp konfigürasyonunda bir aktif Yüksek geçiş filtresi devresi tasarlayacağız.

Özellikler: -

1. Kazanç 2x olacak
2. Kesme frekansı 2KHz olacaktır

Devreyi yapmadan önce değeri hesaplayalım: -

Amplifikatör Kazancı (DC genliği) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 2

R2 = 1k (Bir değer seçmemiz gerekiyor; hesaplamanın karmaşıklığını azaltmak için 1k seçtik).

Değeri bir araya getirerek elde ederiz

(2) = (1 + R3 / 1)

Üçüncü direncin (R3) değerinin 1k olduğunu hesapladık.

Şimdi direncin değerini kesme frekansına göre hesaplamamız gerekiyor. Aktif Yüksek geçiş filtresi ve pasif Yüksek geçiş filtresi, frekans kesme formülü öncekiyle aynı şekilde çalışır.

Kesme frekansı 2KHz ise kondansatörün değerini kontrol edelim, kondansatörün değerini 0.01uF veya 10nF olarak seçtik.

fc = 1 / 2πRC

Tüm değerleri bir araya getirerek şunları elde ederiz: -

2000 = 1 / 2π * 10 * ^10-9

Bu denklemi çözerek direncin değerini yaklaşık olarak 7.96 elde ederiz.

Bu direnç 8k Ohm'dan en yakın değer seçilir.

Sonraki adım kazancı hesaplamaktır. Kazancın formülü, pasif Yüksek geçiş filtresi ile aynıdır. DB cinsinden kazanç veya büyüklük formülü aşağıdaki gibidir: -

Op-amp kazancı 2x olduğundan. Yani Af

2'dir. Fc frekansı keser, yani fc'nin değeri 2 Khz veya 2000Hz'dir.

Şimdi frekansı (f) değiştirerek kazancı elde ederiz.

Frekans (f)	Gerilim Kazancı (Af) (Vout / Vin)	Kazanç (dB) 20log (Vout / Vin)
100	.10	-20.01
250	0,25	-12.11
500	.49	-6.28
750	0,70	-3.07
1.000	.89	-0,97
2.000	1.41	3.01
5.000	1.86	5,38
10.000	1.96	5.85
50.000	2	6.01
100.000	2	6.02

100 Hz'den itibaren bu tabloda, kazanç 20dB / on yıllık bir hızda sırayla artırılır, ancak kesme frekansına ulaşıldıktan sonra kazanç yavaşça 6.02dB'ye yükseltilir ve sabit kalır.

Op-amp Kazancının 2x olduğunu hatırlatmak için bir şey. Bu nedenle, kesme frekansı: -3dB ila 0dB (1x kazanç) ila + 3dB (2x kazanç)

Şimdi değerleri zaten hesapladığımıza göre, şimdi devreyi oluşturmanın zamanı geldi. Hepsini bir araya toplayalım ve devreyi oluşturalım: -

Devreyi daha önce hesaplanan değerlere göre kurduk. Biz sağlayacak 100KHz 10Hz frekans ve on yıl başına 10 puan aktif Yüksek geçişli filtre girişindeki ve kesme frekansı olup olmadığını görmek için daha fazla araştırma olacak 2000Hz amplifikatörün çıkışında ya da

Bu, frekans yanıt eğrisidir. Yeşil çizgi, filtrenin 2 x kazanç olan Yükseltilmiş çıkışını temsil ediyor. Ve amplifikatörün girişi boyunca filtre yanıtını temsil eden kırmızı çizgi.

İmleci 3dB köşe frekansına ayarlıyoruz ve 2.0106 KHz veya 2 KHz elde ediyoruz.

Daha önce açıklandığı gibi, pasif filtre kazancı -3dB'dir, ancak filtrelenmiş çıkışa eklenen op-amp devresinin 2 katı kazancı olarak, kesme noktası artık 3dB iki kez eklendiğinde 3dB'dir.

Basamaklama ve Bir Op-Amp'a Daha Fazla Filtre Ekleme

İkinci dereceden aktif Yüksek geçiren filtre gibi bir op-amp'e daha fazla filtre eklemek mümkündür. Bu durumda pasif filtre gibi ekstra RC filtresi eklenir.

İkinci Derece Aktif Yüksek Geçişli Filtre Devresinin nasıl yapıldığını görelim.

Bu, İkinci dereceden filtredir. Şekilde, birbirine eklenen iki filtreyi açıkça görebiliyoruz. Bu, ikinci dereceden yüksek geçiş filtresidir.

Gördüğünüz gibi bir op-amp var. Gerilim kazancı, iki direnç kullanılarak daha önce belirtildiği gibi aynıdır. Kazanç formülü aynı olduğundan, Gerilim kazancı

Af = (1 + R2 / R1)

Kesme frekansı: -

Üst düzey yüksek geçişli aktif filtre ekleyebiliriz. Ancak bir kural var.

İstersek biz birinci ve ikinci dereceden filtre basamakla üçüncü siparişi filtresini yapmak.

İki İkinci dereceden filtre ile aynı şekilde dördüncü derece filtre oluşturulur ve bu toplamlar her seferinde eklenir.

Kademeli Aktif Yüksek Geçiş Filtresi aşağıdaki şekilde yapılabilir: -

Op-amp ne kadar çok eklerse, o kadar fazla kazanç eklenir. Yukarıdaki şekle bakın. Op-amp üzerine yazılan sayılar sipariş aşamasını temsil ediyor. 1 = 1. derece aşama, 2 = 2. derece aşama gibi. Aşama her eklendiğinde, her aşama için 20dB / on yılda eklenen kazanç büyüklüğü de eklenir. İlk aşama için olduğu gibi, 20dB / on yıl, 2. Aşama, on yılda 20dB + 20dB = 40dB vb. durum. Kaç tane filtre eklenebileceğine dair bir sınırlama yoktur, ancak sonradan ilave filtreler eklendiğinde azalan filtrenin doğruluğudur. RC filtre değeri, yani Direnç ve kapasitörler her filtre için aynıysa, kesme frekansı da aynı olacaktır, kullanılan frekans bileşenleri aynı olduğundan genel kazanç eşit kalacaktır.

Başvurular

Aktif Yüksek geçiren filtre, pasif Yüksek geçiren filtrenin kazanç veya amplifikasyon prosedürü ile ilgili sınırlamalar nedeniyle kullanılamadığı birden fazla yerde kullanılabilir. Bunun dışında aktif Yüksek geçiren filtre aşağıdaki yerlerde kullanılabilir: -

Yüksek geçiren filtre, elektronikte yaygın olarak kullanılan devredir.

İşte birkaç uygulama: -

1. Güç yükseltmeden önce tiz eşitleme
2. Yüksek frekanslı Video ile ilgili filtreler.
3. Osiloskop ve Fonksiyon üreteci.
4. Düşük frekanslı gürültüyü kaldırmak veya azaltmak için Hoparlörden önce.
5. Farklı dalgadaki frekans şeklini değiştirme.
6. Tiz artırma filtreleri.