Aktibong low pass filter

Dati inilarawan namin ang passive low pass filter, sa tutorial na ito ay matutuklasan namin kung ano ang isang Active Low Pass Filter.

Ano ito, Circuit, formula, curve?

Tulad ng alam natin mula sa nakaraang tutorial, gumagana ang Passive low pass filter na may mga passive na bahagi. Dalawang lamang na passive sangkap na risistor at capacitor ang susi o puso ng isang passive low pass filter circuit. Nalaman namin sa nakaraang mga tutorial na ang passive low pass filter ay walang mga panlabas na pagkagambala o aktibong tugon. Ngunit mayroon itong tiyak na mga limitasyon.

Ang mga limitasyon ng Passive Low pass filter ay ang mga sumusunod: -

Ang impedance ng circuit ay lumilikha ng pagkawala ng amplitude. Kaya't ang Vout ay laging mas mababa kaysa sa Vin.
Hindi magagawa ang pagpapalaki sa pamamagitan lamang ng passive low pass filter.
Ang mga katangian ng filter ay lubos na maaasahan sa impedance ng pag-load.
Ang kita ay palaging pantay o mas mababa kaysa sa nakuha ng pagkakaisa.
Higit pang mga yugto ng filter o pag-filter ng order ay nagdagdag ng pagkawala ng amplitude na naging mas mababa.

Dahil sa limitasyong ito, kung kailangan ang Paglaki, ang pinakamahusay na paraan upang magdagdag ng isang aktibong sangkap na magpapalakas sa na-filter na output. Ang Amplification na ito ay ginagawa ng pagpapatakbo ng amplifier o op-amp. Dahil nangangailangan ito ng mapagkukunan ng boltahe, ito ay isang aktibong sangkap. Sa gayon ang pangalang Aktibong mababang pumasa sa filter.

Ang isang tipikal na Amplifier ay kumukuha ng lakas mula sa panlabas na supply ng kuryente at pinalalakas ang signal ngunit ito ay lubos na may kakayahang umangkop dahil mas mababago natin ang frequency bandwidth nang mas may kakayahang umangkop. Gayundin, Ito ay pagpipilian ng gumagamit o taga-disenyo upang piliin kung anong uri ng mga aktibong sangkap ang pipiliin depende sa mga kinakailangan. Maaari itong maging Fet, Jfet, Transistor, Op-Amp na may kasamang maraming kakayahang umangkop. Ang pagpili ng sangkap ay maaasahan din sa gastos at pagiging epektibo kung ito ay dinisenyo para sa isang produktong produksyon ng masa.

Alang-alang sa pagiging simple, pagiging epektibo ng oras at pati na rin ng mga lumalaking teknolohiya sa op-amp na disenyo, sa pangkalahatan ang isang op-amp ay ginagamit para sa disenyo ng Aktibong Filter.

Tingnan natin kung bakit dapat nating piliin at op-amp upang mag-disenyo ng isang Aktibong mababang pass filter: -

Mataas na impedance sa pag-input.

Dahil sa mataas na impedance ng pag-input ang input signal ay hindi maaaring sirain o mabago. Sa pangkalahatan o sa karamihan ng mga kaso ang input signal na kung saan ay isang napakababa ng amplitude ay maaaring masira kung ito ay ginagamit bilang mababang impedance circuitry. Nakakuha ng plus point ang Op-Amp sa mga ganitong kaso.
Napakababang bilang ng bahagi. Ilang resistors lamang ang kinakailangan.
Ang iba't ibang uri ng op-amp ay magagamit depende sa pakinabang, pagtutukoy ng boltahe.
Mababang ingay.
Mas madaling mag-disenyo at magpatupad.

Ngunit sa alam naming walang ganap na perpekto, ang disenyo ng Aktibong filter na ito ay mayroon ding tiyak na limitasyon.

Ang output na nakuha at bandwidth pati na rin ang tugon sa dalas ay maaasahan sa op-amp na detalye.

Pag-aralan pa natin nang higit pa at unawain kung ano ang espesyal dito.

Aktibong Mababang Pass Filter na may Paglaki:

Bago maunawaan ang Aktibong mababang pumasa sa disenyo ng filter na may op-amp, kailangan nating malaman nang kaunti tungkol sa Mga Amplifier. Ang Amplify ay isang magnifying glass, gumagawa ito ng isang kopya ng nakikita natin ngunit sa mas malaking form upang makilala ito nang mas mabuti.

Sa unang tutorial ng Passive low pass filter, natutunan namin kung ano ang filter ng Low Pass. Nai-filter ng low pass filter ang mababang dalas at harangan ang mas mataas sa isa sa isang signal ng AC sinusoidal. Ang Aktibong low pass filter na ito ay gumagana sa parehong paraan tulad ng Passive low pass filter, ang pagkakaiba lamang ay narito isang dagdag na sangkap ang naidagdag, ito ay isang amplifier bilang op-amp.

Narito ang simpleng disenyo ng Low pass filter: -

Ito ang imahe ng Active low pass filter. Dito ipinapakita sa amin ng linya na lumabag ang tradisyunal na passive low pass RC filter na nakita natin sa nakaraang tutorial.

Putulin ang Frequency at Voltage gain:

Ang pormula ng cut off frequency ay kapareho ng ginamit sa passive low pass filter.

fc = 1 / 2πRC

Tulad ng inilarawan sa nakaraang tutorial fc ay cut-off frequency at ang R ay halaga ng Resistor at ang C ay halaga ng Capacitor.

Ang dalawang risistor na konektado sa positibong node ng op-amp ay mga resistors ng feedback. Kapag ang mga resistors na ito ay konektado sa positibong node ng op-amp tinatawag itong non-inverting config. Ang mga resistor na ito ay responsable para sa pagpapalaki o pakinabang.

Madali nating makakalkula ang nakuha ng amplifier gamit ang mga sumusunod na equation kung saan maaari naming piliin ang katumbas na halaga ng risistor ayon sa nakuha o maaari itong maging kabaligtaran: -

Amplifier Gain (DC amplitude) (Af) = (1 + R2 / R3)

Curve ng Tugon ng Dalas:

Tingnan natin kung ano ang magiging o utput ng Active Low pass filter o ang Bode plot / Frequency response curve: -

Ito ang pangwakas na output ng Active Low pass filter sa op-amp na hindi pag-inververt na pagsasaayos. Makikita natin nang detalyado ang paliwanag sa susunod na imahe.

Tulad ng nakikita natin na ito ay magkapareho sa Passive low pass filter. Mula sa panimulang dalas hanggang sa Fc o frequency cut-off point o ang dalas ng sulok ay magsisimula mula sa -3dB point. Ang nakuha ay 20dB sa imaheng ito, kaya ang dalas ng cut-off ay 20dB - 3dB = 17dB kung saan nakalagay ang fc point. Ang slope ay -20dB bawat dekada.

Hindi alintana ang filter, mula sa panimulang punto hanggang sa cut-off frequency point na ito ay tinatawag na Bandwidth ng filter at pagkatapos nito, tinatawag itong pass band na kung saan pinapayagan ang pagdaloy ng dalas.

Maaari nating kalkulahin ang nakuha sa lakas ng lakas sa pamamagitan ng pag-convert ng op-amp na Boltahe na nakuha.

Ang pagkalkula ay ang mga sumusunod

db = 20log (Af)

Ang Af na ito ay maaaring ang nakuha ng Dc na inilarawan namin dati sa pamamagitan ng pagkalkula ng halaga ng risistor o paghati sa Vout kay Vin.

Non-invertting at Inverting Amplifier Filter Circuit:

Ang aktibong mababang pumasa sa circuit ng filter na ipinapakita sa simula ay mayroon ding isang limitasyon. Ang katatagan nito ay maaaring makompromiso kung nagbago ang pinagmulan ng signal. Hal bawas o pagtaas.

Ang isang karaniwang kasanayan sa disenyo ay maaaring mapabuti ang katatagan, inaalis ang capacitor mula sa pag-input at kinokonekta ito kahanay sa op-amp pangalawang feedback risistor.

Narito ang circuit na Non-inverting Aktibong Mababang pumasa sa Filter-

Sa figure na ito, kung ihinahambing namin ito sa circuitry na inilarawan sa simula, maaari nating makita na ang posisyon ng capacitor ay binago para sa katatagan na nauugnay sa impedance. Sa pagsasaayos na ito ang panlabas na impedance ay walang epekto sa reaksyon ng mga capacitor, sa gayon ay napabuti ang katatagan.

Sa parehong pagsasaayos kung nais naming baligtarin ang output signal pagkatapos ay maaari naming piliin ang pagsasaayos ng inverting-signal ng op-amp at maaaring ikonekta ang filter sa na baligtad na op-amp.

Narito ang pagpapatupad ng circuitry ng inverted na aktibong mababang pass filter: -

Ito ay isang aktibong low pass filter na inverted na pagsasaayos. Ang op-amp ay konektado nang pabaliktad. Sa nakaraang seksyon ang input ay konektado sa positibong input pin ng op-amp at ang op-amp na negatibong pin ay ginagamit upang gawin ang circuitry ng feedback. Dito baligtad ang circuitry. Ang positibong pag-input ay konektado sa sanggunian sa lupa at ang capacitor at feedback risistor na konektado sa kabuuan ng op-amp na negatibong input pin. Ito ay tinatawag na inverted op-amp config at ang output signal ay mababaligtad kaysa sa input signal.

Pagkuha ng Unity o Sumusunod sa Boltahe na Aktibong Mababang Pass Filter:

Hanggang ngayon ang circuitry na inilarawan dito ay ginagamit para sa boltahe na makakuha at hangarin sa post-amplification.

Maaari nating gawin ito gamit ang isang unite gain amplifier, nangangahulugang ang output amplitude o makakuha ay magiging katulad ng input: 1x. Vin = Vout.

Hindi banggitin, ito rin ay isang pagsasaayos ng op-amp na madalas na inilarawan bilang pagsasaayos ng tagasunod ng boltahe kung saan nilikha ng op-amp ang eksaktong kopya ng input signal.

Tingnan natin ang disenyo ng circuit at kung paano i- configure ang op-amp bilang tagasunod ng boltahe at gawin ang pagkakaisa na makakuha ng aktibong mababang pass filter: -

Sa imaheng ito, ang mga resistors ng feedback ng op-amp ay aalisin. Sa halip na risistor ang negatibong input pin ng op-amp na konektado nang direkta sa output op-amp. Ang op-amp na pagsasaayos na ito ay tinawag bilang pagsasaayos ng tagasunod ng Boltahe. Ang nakuha ay 1x. Ito ay isang pagkakaisa na nakakuha ng aktibong mababang pass filter. Gumagawa ito ng eksaktong kopya ng input signal.

Praktikal na halimbawa sa Pagkalkula

Magdidisenyo kami ng isang circuitry ng aktibong mababang pass filter sa hindi inververt na op-amp config.

Mga pagtutukoy: -

Input Impedance 10kohms
Makakakuha ng 10x
Ang cutoff freq ay magiging 320Hz

Kalkulahin muna natin ang halaga bago gawin ang circuitry: -

Amplifier Gain (DC amplitude) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

R2 = 1k (Kailangan naming pumili ng isang halaga; pinili namin ang R2 bilang 1k para sa pagbawas ng pagiging kumplikado ng pagkalkula).

Sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng halagang nakukuha natin

(10) = (1 + R3 / 1)

Kinakalkula namin ang halaga ng pangatlong risistor ay 9k.

Ngayon kailangan naming kalkulahin ang halaga ng risistor ayon sa dalas ng cut-off. Tulad ng aktibong low pass filter at ang passive low pass filter ay gumagana sa parehong paraan ang frequency cut-off na pormula ay katulad ng dati.

Suriin natin ang halaga ng capacitor kung ang dalas ng cut-off ay 320Hz, pinili namin ang halaga ng risistor ay 4.7k.

fc = 1 / 2πRC

Sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng lahat ng halaga nakukuha namin: -

Sa pamamagitan ng paglutas ng equitation na ito nakukuha namin ang halaga ng capacitor ay 106nF tinatayang.

Susunod na hakbang ay upang makalkula ang nakuha. Ang pormula ng nakuha ay kapareho ng passive low pass filter. Ang pormula ng pagkakaroon o kalakihan sa dB ay ang mga sumusunod: -

20log (Af)

Tulad ng nakuha ng op-amp ay 10x ang lakas sa dB ay 20log (10). Ito ay 20dB.

Ngayon dahil nakalkula na namin ang mga halaga ngayon ay oras na upang itayo ang circuit. Idagdag natin ang lahat nang sama-sama at buuin ang circuit: -

Itinayo namin ang circuit batay sa mga halagang kinakalkula dati. Magbibigay kami ng 10Hz hanggang 1500Hz dalas at 10 puntos bawat dekada sa pag-input ng aktibong mababang pass filter at susisiyasat pa upang makita kung ang dalas ng cutoff ay 320Hz o hindi sa output ng amplifier.

Ito ang curve ng frequency response. Ang berdeng linya ay nagsimula mula 10Hz hanggang 1500Hz habang ang input signal ay ibinibigay para sa saklaw na iyon ng dalas lamang.

Tulad ng alam natin na ang dalas ng sulok ay palaging nasa -3dB mula sa Maximum na magnitude na makakuha. Narito ang nakuha ay 20dB. Kaya, kung malaman natin ang point na -3dB ay makakakuha ng eksaktong dalas kung saan pinahinto ng filter ang mas mataas na mga frequency.

Itinakda namin ang cursor sa 17 db bilang (20dB-3dB = 17dB) ang dalas ng sulok at makuha ang 317.950Hz o 318Hz na malapit sa 320Hz.

Maaari naming baguhin ang halaga ng capacitor sa isang generic bilang 100nF at hindi banggitin ang dalas ng sulok ay magagawa din ng ilang Hz.

Pangalawang Order na Aktibong Mababang Pass Filter:

Posibleng magdagdag ng higit pang mga filter sa isang op-amp tulad ng pangalawang order na aktibong mababang pass filter. Sa ganitong kaso tulad ng passive filter, idinagdag ang sobrang RC filter.

Tingnan natin kung paano itinayo ang ikalawang order filter circuit.

Ito ang Pangalawang filter ng order. Sa figure sa itaas maaari naming malinaw na makita ang dalawang mga filter na idinagdag magkasama. Ito ang pangalawang filter ng order. Ito ay isang malawakang ginamit na filter at pang-industriya na aplikasyon ay Amplifier, musical system circuitry bago ang Power Amplification.

Tulad ng nakikita mo mayroong isang op-amp. Ang nakuha ng boltahe ay pareho ng dati nang nakasaad gamit ang dalawang resistors.

(Af) = (1 + R3 / R2)

Ang dalas ng cut-off ay

Ang isang kagiliw-giliw na bagay na dapat tandaan kung nais naming magdagdag ng higit pang op-amp na binubuo ng unang mga filter ng pagkakasunud-sunod ng nakuha ay maparami ng bawat indibidwal. Naguguluhan? Maaaring maging isang iskema ay makakatulong sa amin.

Ang mas idinagdag ang op-amp mas maraming pakinabang ang pinarami. Tingnan ang nasa itaas na pigura, Sa larawang ito ang dalawang op-amp na cascaded na may indibidwal na op-amp. Sa circuit na ito ang Cascaded op amp, Kung ang una ay nagkakaroon ng 10x gain at ang pangalawa ay para sa 5x na nakuha pagkatapos ang kabuuang nakuha ay 5 x 10 = 50x makakuha.

Kaya, ang lakas ng cascaded op-amp low pass filter circuit sa kaso ng dalawang op-amp ay: -

dB = 20log (50)

Sa pamamagitan ng paglutas ng equation na ito ay 34dB ito. Kaya ang pagkakaroon ng cascading op-amp low pass filter gain formula ay

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

Kung saan TdB = Kabuuang Magnitude

Ganito itinayo ang Aktibong mababang pass filter. Sa susunod na tutorial, makikita natin kung paano maaring maitayo ang Aktibong high pass filter. Ngunit bago ang susunod na tutorial tingnan natin kung ano ang mga application ng Aktibong mababang pass filter ay: -

Mga Aplikasyon

Maaaring gamitin ang Active Low pass filter sa maraming lugar kung saan hindi magamit ang passive low pass filter dahil sa limitasyon tungkol sa makakuha o pamamaraang amplification. Maliban dito maaaring magamit ang aktibong low pass filter sa mga sumusunod na lugar: -

Ang low pass filter ay malawakang ginagamit circuit sa electronics.

Narito ang ilang mga application ng Active Low Pass Filter: -

Pagpapantay ng bass bago ang Power amplification
Mga filter na nauugnay sa video.
Oscilloscope
Sistema ng pagkontrol ng musika at modulasyon ng dalas ng Bass pati na rin bago ang woofer at mataas na mga audio speaker para sa bass out.
Function Generator upang magbigay ng variable na mababang dalas sa iba't ibang antas ng boltahe.
Ang pagbabago ng hugis ng dalas sa iba't ibang alon mula sa.