Aktif düşük geçiş filtresi

Daha önce pasif düşük geçiş filtresini tanımlamıştık, bu eğitimde Aktif Düşük Geçiş Filtresinin ne olduğunu keşfedeceğiz.

Nedir, Devre, formüller, eğri mi?

Önceki eğitimden bildiğimiz gibi, Pasif alçak geçiren filtre pasif bileşenlerle çalışır. Sadece iki pasif bileşen direnci ve kapasitör, pasif bir düşük geçişli filtre devresinin anahtarı veya kalbidir. Önceki eğitimlerde pasif alçak geçiren filtrenin herhangi bir dış kesinti veya aktif yanıt olmadan çalıştığını öğrendik. Ancak belirli sınırlamaları vardır.

Pasif Düşük geçiş filtresinin sınırlamaları aşağıdaki gibidir: -

1. Devrenin empedansı, genlik kaybına neden olur. Yani Vout her zaman Vin'den daha azdır.
2. Sadece pasif alçak geçiren filtre ile amplifikasyon yapılamaz.
3. Filtre özellikleri büyük ölçüde yük empedansına bağlıdır.
4. Kazanç her zaman birlik kazancına eşit veya daha azdır.
5. Eklenen filtre aşamaları veya filtre sırası, genlik kaybı daha az olur.

Bu sınırlamadan dolayı, Amplifikasyon gerekiyorsa, filtrelenmiş çıkışı güçlendirecek aktif bir bileşen eklemenin en iyi yolu. Bu Amplifikasyon, işlemsel amplifikatör veya op-amp ile yapılır. Bu voltaj kaynağı gerektirdiğinden, aktif bir bileşendir. Böylece Aktif alçak geçiren filtre adı.

Tipik bir Amplifikatör, gücü harici güç kaynağından çeker ve sinyali yükseltir, ancak frekans bant genişliğini daha esnek bir şekilde değiştirebildiğimiz için oldukça esnektir. Ayrıca, gereksinimlere bağlı olarak ne tür aktif bileşenlerin seçileceğini seçmek kullanıcının veya tasarımcının seçimidir. Çok fazla esneklik içeren Fet, Jfet, Transistör, Op-Amp olabilir. Bir seri üretim ürünü için tasarlanmışsa, bileşen seçimi de maliyet ve etkinliğe bağlıdır.

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

Bir Aktif düşük geçiş filtresi tasarlamak için neden seçip op-amp seçmemiz gerektiğini görelim: -

1. Yüksek giriş empedansı.

   Yüksek giriş empedansı nedeniyle giriş sinyali yok edilemez veya değiştirilemez. Genelde veya çoğu durumda, genliği çok düşük olan giriş sinyali, düşük empedans devresi olarak kullanılırsa, yok edilebilir. Op-Amp bu gibi durumlarda artı bir puan aldı.

2. Çok düşük bileşen sayısı. Yalnızca birkaç direnç gereklidir.
3. Kazanç, voltaj spesifikasyonuna bağlı olarak çeşitli tipte op-amp mevcuttur.
4. Düşük gürültü.
5. Tasarımı ve uygulaması daha kolay.

Ancak hiçbir şeyin tamamen mükemmel olmadığını bildiğimiz için, bu Aktif filtre tasarımının da belirli sınırlamaları vardır.

Çıkış kazancı ve bant genişliği ile frekans tepkisi, op-amp spesifikasyonuna bağlıdır.

Daha fazlasını keşfedelim ve bu konuda özel olanı anlayalım.

Amplifikasyonlu Aktif Düşük Geçişli Filtre:

Op-amp ile Aktif alçak geçiren filtre tasarımını anlamadan önce, Amplifikatörler hakkında biraz bilgi sahibi olmamız gerekir. Amplify bir büyüteçtir, gördüklerimizin bir kopyasını üretir, ancak onu daha iyi tanımak için daha büyük formda üretir.

Pasif alçak geçiren filtrenin ilk eğitiminde, Alçak Geçiren filtrenin ne olduğunu öğrenmiştik. Düşük geçiş filtresi, düşük frekansı filtreledi ve bir AC sinüzoidal sinyalden daha yüksek olanı bloke etti. Bu Aktif alçak geçiren filtre, Pasif alçak geçiren filtre ile aynı şekilde çalışır, tek fark burada fazladan bir bileşen eklenir, op-amp olarak bir amplifikatördür.

İşte basit Düşük geçişli filtre tasarımı: -

Bu, Aktif alçak geçiren filtrenin görüntüsüdür. Burada ihlal satırı bize önceki eğitimde gördüğümüz geleneksel pasif düşük geçişli RC filtresini gösteriyor.

Kesilmiş Frekans ve Gerilim kazancı:

Kesme frekansı formülü, pasif alçak geçiren filtrede kullanılanla aynıdır.

fc = 1 / 2πRC

Önceki öğreticide 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.

Aşağıdaki denklemleri kullanarak amplifikatörün kazancını kolayca hesaplayabiliriz; burada kazanca göre eşdeğer direnç değerini seçebiliriz veya tersi olabilir: -

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

Frekans Tepki Eğrisi:

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

Bu, op-amp ters çevirmeyen yapılandırmada Aktif Düşük geçiş filtresinin son çıktısıdır. Bir sonraki resimde detaylı açıklamayı göreceğiz.

Gördüğümüz gibi, bu Pasif düşük geçiş filtresi ile aynıdır. Başlangıç ​​frekansından Fc'ye veya frekans kesme noktasına veya köşe frekansı -3dB noktasından başlayacaktır. Bu görüntüde kazanç 20dB'dir, bu nedenle fc noktasının bulunduğu kesim frekansı 20dB - 3dB = 17dB'dir. Eğim, on yılda -20dB'dir.

Filtreden bağımsız olarak, başlangıç ​​noktasından kesme frekans noktasına kadar filtrenin bant genişliği ve bundan sonra geçiş frekansına izin verilen geçiş bandı olarak adlandırılır.

Op-amp Gerilim kazancını dönüştürerek büyüklük kazancını hesaplayabiliriz.

Hesaplama aşağıdaki gibidir

db = 20log (Af)

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

Ters Çevirmeyen ve Ters Çeviren Amplifikatör Filtre Devresi:

Başlangıçta gösterilen bu aktif düşük geçişli filtre devresinin de bir sınırlaması vardır. Sinyal kaynağı empedansı değiştirilirse kararlılığı tehlikeye girebilir. Örneğin, azaltın veya artırın.

Standart bir tasarım uygulaması, kondansatörü girişten çıkararak ve op-amp ikinci geri besleme direnci ile paralel bağlayarak kararlılığı artırabilir.

İşte devre Ters Çevirmeyen Aktif Düşük geçişli Filtre-

Bu şekilde, bunu başlangıçta açıklanan devre ile karşılaştırırsak, kondansatör konumunun empedansla ilgili kararlılık için değiştirildiğini görebiliriz. Bu konfigürasyonda, dış empedans, kapasitörlerin reaktansı üzerinde hiçbir etki yapmaz, dolayısıyla kararlılık geliştirilir.

Aynı konfigürasyonda, çıkış sinyalini ters çevirmek istiyorsak, op-amp'in ters çevirme sinyali konfigürasyonunu seçebilir ve filtreyi bu ters op-amp ile bağlayabiliriz.

Ters çevrilmiş aktif alçak geçiren filtrenin devre uygulaması şöyledir: -

Ters konfigürasyonda aktif bir düşük 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 konfigürasyonu denir ve çıkış sinyali giriş sinyalinden daha tersine çevrilir.

Birlik Kazanımı veya Gerilim İzleyici Aktif Düşük Geçiş Filtresi:

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

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

Bahsetmemek gerekirse, op-amp'in giriş sinyalinin tam 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 alçak geçiren filtre yapalım: -

Bu görüntüde, op-amp'in geri besleme dirençleri kaldırılmıştır. 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 alçak geçiren filtredir. Giriş sinyalinin tam bir kopyasını üretecektir.

Hesaplama ile pratik örnek

Ters çevirmeyen op-amp konfigürasyonunda bir aktif alçak geçiren filtre devresi tasarlayacağız.

Özellikler: -

1. Giriş Empedansı 10kohms
2. Kazanç 10x olacak
3. Kesme frekansı 320Hz olacak

Devreyi yapmadan önce değeri hesaplayalım: -

Amplifikatör Kazancı (DC genliği) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

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

Değeri bir araya getirerek elde ederiz

(10) = (1 + R3 / 1)

Üçüncü direncin değerinin 9k olduğunu hesapladık.

Şimdi direncin değerini kesme frekansına göre hesaplamamız gerekiyor. Aktif alçak geçiren filtre ve pasif alçak geçiren filtre aynı şekilde çalıştığından, frekans kesme formülü öncekiyle aynıdır.

Kesme frekansı 320Hz ise kondansatörün değerini kontrol edelim, direncin değerini 4.7k olarak seçtik.

fc = 1 / 2πRC

Tüm değerleri bir araya getirerek şunları elde ederiz: -

Bu denklemi çözerek kapasitörün değerini yaklaşık olarak 106nF elde ederiz.

Sonraki adım kazancı hesaplamaktır. Kazancın formülü, pasif alçak geçiren filtre ile aynıdır. DB cinsinden kazanç veya büyüklük formülü aşağıdaki gibidir: -

20log (Af)

Op-amp kazancı 10x olduğundan, dB'deki büyüklük 20log'dur (10). Bu 20dB'dir.

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 1500Hz için 10Hz frekans ve on yıl başına 10 puan aktif alçak geçiren filtrenin girişine ve kesme frekansı amplifikatörün çıkışında 320Hz olup olmadığını görmek için daha fazla araştıracaktır.

Bu, frekans yanıt eğrisidir. Giriş sinyali yalnızca bu frekans aralığı için sağlandığından, yeşil hat 10 Hz ile 1500 Hz arasında başlatılır.

Bildiğimiz gibi köşe frekansı Maksimum kazanç büyüklüğünden her zaman -3dB'de olacaktır. Burada kazanç 20dB'dir. Yani, -3dB noktasını bulursak, filtrenin daha yüksek frekansları durdurduğu kesin frekansı alacaktır.

Biz de imleci set (20dB-3dB = 17dB) olarak 17 db köşe frekansı ve almak 317.950Hz veya 318Hz yakın olmaktır 320Hz.

Kondansatör değerini 100nF olarak jenerik olana değiştirebiliriz ve köşe frekansının da birkaç Hz'den etkileneceğinden bahsetmiyoruz.

İkinci Dereceden Aktif Düşük Geçişli Filtre:

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

İkinci derece filtre devresinin nasıl yapıldığını görelim.

Bu, İkinci dereceden filtredir. Yukarıdaki şekilde iki filtrenin birbirine eklendiğini açıkça görebiliriz. Bu ikinci dereceden filtredir. Yaygın olarak kullanılan bir filtredir ve endüstriyel uygulaması Güç Amplifikasyonundan önce Amplifikatör, Müzik sistemi devresidir.

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

(Af) = (1 + R3 / R2)

Kesme frekansı

Hatırlanması gereken ilginç bir şey , birinci dereceden filtrelerden oluşan daha fazla op-amp eklemek istersek, kazanç her bir bireyle çarpılır. Şaşkın? Bir şematik olabilir bize yardımcı olacaktır.

Op-amp ne kadar çok eklenirse, o kadar çok kazanç çarpılır. Yukarıdaki şekle bakın, Bu görüntüde iki op-amp, ayrı op-amp ile basamaklandırılmıştır. Bu devrede Cascaded op amp, Birincisi 10x kazançlıysa ve ikincisi 5x kazanç içinse, toplam kazanç 5 x 10 = 50x kazanç olacaktır.

Dolayısıyla, iki op-amp durumunda kademeli op-amp alçak geçiren filtre devresinin büyüklüğü: -

dB = 20log (50)

Bu denklemi çözerek 34dB'dir. Dolayısıyla, basamaklı op-amp alçak geçiren filtre kazanç formülünün kazancı

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

TdB = Toplam Büyüklük

Aktif alçak geçiren filtre bu şekilde yapılır. Bir sonraki eğitimde, Aktif yüksek geçiş filtresinin nasıl inşa edilebileceğini göreceğiz. Ancak bir sonraki öğreticiden önce, Aktif düşük geçiş filtresi uygulamalarının neler olduğunu görelim: -

Başvurular

Aktif Alçak geçiren filtre, kazanım veya yükseltme prosedürü ile ilgili sınırlamalar nedeniyle pasif alçak geçiren filtrenin kullanılamadığı birden fazla yerde kullanılabilir. Bunun dışında aktif alçak geçiren filtre aşağıdaki yerlerde kullanılabilir: -

Alçak geçiren filtre elektronikte yaygın olarak kullanılan bir devredir.

Aktif Düşük Geçiş Filtresinin birkaç uygulaması şunlardır: -

1. Güç amplifikasyonundan önce bas eşitleme
2. Video ile ilgili filtreler.
3. Osiloskop
4. Müzik kontrol sistemi ve Bas frekans modülasyonunun yanı sıra bas çıkışı için woofer ve yüksek bas ses hoparlörlerinden önce.
5. Farklı voltaj seviyesinde değişken düşük frekans çıkışı sağlamak için Fonksiyon Üreteci.
6. Farklı dalgadaki frekans şeklini değiştirme.