ตัวกรองความถี่ต่ำที่ใช้งานอยู่

ก่อนหน้านี้เราได้อธิบายไว้เรื่อย ๆ กรองผ่านต่ำในการกวดวิชานี้เราจะสำรวจสิ่งที่เป็นที่ใช้งานความถี่ต่ำกรอง

มันคืออะไรวงจรสูตรเส้นโค้ง?

ดังที่เราทราบจากบทช่วยสอนก่อนหน้า Passive low pass filter ทำงานร่วมกับส่วนประกอบแบบพาสซีฟ ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุของส่วนประกอบแบบพาสซีฟเพียงสองตัวเท่านั้นที่เป็นหัวใจสำคัญหรือหัวใจของวงจรกรองพาสซีฟโลว์พาสซีฟ เราได้เรียนรู้ในบทช่วยสอนก่อนหน้านี้ว่าการทำงานของตัวกรองความถี่ต่ำแบบพาสซีฟทำงานโดยไม่มีการหยุดชะงักจากภายนอกหรือการตอบสนองที่ใช้งานอยู่ แต่มันก็มีบางข้อ จำกัด

ข้อ จำกัด ของ Passive Low pass filterมีดังนี้: -

1. อิมพีแดนซ์ของวงจรสร้างการสูญเสียแอมพลิจูด ดังนั้น Vout จึงน้อยกว่า Vin เสมอ
2. การขยายไม่สามารถทำได้ด้วยตัวกรองความถี่ต่ำแบบพาสซีฟเท่านั้น
3. ลักษณะของตัวกรองขึ้นอยู่กับอิมพีแดนซ์ของโหลด
4. กำไรจะเท่ากันหรือน้อยกว่าค่าเอกภาพเสมอ
5. ขั้นตอนการกรองหรือลำดับตัวกรองมากขึ้นทำให้การสูญเสียแอมพลิจูดน้อยลง

เนื่องจากข้อ จำกัด นี้หากจำเป็นต้องมีการขยายสัญญาณวิธีที่ดีที่สุดในการเพิ่มส่วนประกอบที่ใช้งานอยู่ซึ่งจะขยายเอาต์พุตที่กรองแล้ว การขยายนี้ทำได้โดยแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานหรือออปแอมป์ เนื่องจากต้องใช้แหล่งจ่ายแรงดันจึงเป็นส่วนประกอบที่ใช้งานอยู่ ดังนั้นชื่อตัวกรองผ่านที่ใช้งานอยู่ในระดับต่ำ

เครื่องขยายเสียงทั่วไปจะดึงพลังงานจากแหล่งจ่ายไฟภายนอกและขยายสัญญาณ แต่มีความยืดหยุ่นสูงเนื่องจากเราสามารถเปลี่ยนแบนด์วิดท์ความถี่ได้อย่างยืดหยุ่นมากขึ้น นอกจากนี้ยังเป็นตัวเลือกของผู้ใช้หรือผู้ออกแบบในการเลือกประเภทของส่วนประกอบที่ใช้งานอยู่เพื่อเลือกขึ้นอยู่กับความต้องการ อาจเป็น Fet, Jfet, Transistor, Op-Amp ซึ่งมีความยืดหยุ่นมากมาย การเลือกส่วนประกอบยังขึ้นอยู่กับต้นทุนและประสิทธิผลหากออกแบบมาสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีการผลิตจำนวนมาก

เพื่อความเรียบง่ายประสิทธิภาพของเวลาและเทคโนโลยีที่เพิ่มมากขึ้นในการออกแบบ op-amp โดยทั่วไปแล้ว op-amp จะใช้สำหรับการออกแบบ Active Filter

มาดูกันว่าทำไมเราจึงควรเลือกและ op-amp เพื่อออกแบบ Active low pass filter: -

1. อิมพีแดนซ์อินพุตสูง

   เนื่องจากความต้านทานอินพุตสูงสัญญาณอินพุตจึงไม่สามารถทำลายหรือเปลี่ยนแปลงได้ โดยทั่วไปหรือในกรณีส่วนใหญ่สัญญาณอินพุตซึ่งมีแอมพลิจูดต่ำมากอาจถูกทำลายได้หากใช้เป็นวงจรอิมพีแดนซ์ต่ำ Op-Amp มีจุดบวกในกรณีเช่นนี้

2. จำนวนส่วนประกอบต่ำมาก ต้องการตัวต้านทานเพียงไม่กี่ตัว
3. มี op-amp ประเภทต่างๆขึ้นอยู่กับอัตราขยายข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้า
4. เสียงเบา.
5. ออกแบบและใช้งานได้ง่ายขึ้น

แต่อย่างที่เรารู้ว่าไม่มีอะไรสมบูรณ์แบบการออกแบบตัวกรอง Active นี้ยังมีข้อ จำกัด บางประการ

อัตราขยายเอาต์พุตและแบนด์วิดท์ตลอดจนการตอบสนองความถี่ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของ op-amp

มาสำรวจเพิ่มเติมและทำความเข้าใจว่ามีอะไรพิเศษเกี่ยวกับเรื่องนี้

ตัวกรองความถี่ต่ำที่ใช้งานพร้อมการขยาย:

ก่อนที่จะทำความเข้าใจกับการออกแบบตัวกรองความถี่ต่ำแบบแอคทีฟด้วย op-amp เราจำเป็นต้องทราบข้อมูลเล็กน้อยเกี่ยวกับแอมป์ Amplify เป็นแว่นขยายซึ่งสร้างแบบจำลองของสิ่งที่เราเห็น แต่ในรูปแบบที่ใหญ่กว่าเพื่อให้จดจำได้ดีขึ้น

ในบทช่วยสอนแรกของ Passive low pass filter เราได้เรียนรู้ว่าตัวกรอง Low Pass คืออะไร ตัวกรองความถี่ต่ำจะกรองความถี่ต่ำออกและบล็อกสัญญาณไซน์ไซน์ AC ที่สูงกว่า นี้กรองความถี่ต่ำผ่านการใช้งานคือการทำงานในลักษณะเดียวกันเป็นตัวกรองแบบ Passive ต่ำผ่านเพียงความแตกต่างอยู่ที่นี่ส่วนหนึ่งเสริมเพิ่มก็เป็นเครื่องขยายเสียงเป็น op-amp

นี่คือการออกแบบตัวกรองความถี่ต่ำที่เรียบง่าย: -

นี่คือภาพของ Active low pass filter บรรทัดการละเมิดแสดงให้เราเห็นตัวกรอง RC passive low pass แบบดั้งเดิมที่เราเห็นในบทช่วยสอนก่อนหน้านี้

ตัดความถี่และแรงดันที่เพิ่มขึ้น:

สูตรความถี่ในการตัดจะเหมือนกับที่ใช้ในตัวกรองความถี่ต่ำแบบพาสซีฟ

fc = 1 / 2πRC

ตามที่อธิบายไว้ในบทช่วยสอนก่อนหน้านี้ fc คือความถี่ตัดและ R คือค่าตัวต้านทานและ C คือค่าตัวเก็บประจุ

ตัวต้านทานสองตัวที่เชื่อมต่อในโหนดบวกของ op-amp คือตัวต้านทานแบบป้อนกลับ เมื่อตัวต้านทานเหล่านี้เชื่อมต่อในโหนดบวกของ op-amp จะเรียกว่าการกำหนดค่าแบบไม่กลับด้าน ตัวต้านทานเหล่านี้มีหน้าที่ในการขยายหรือการขยาย

เราสามารถคำนวณกำไรของแอมพลิฟายเออร์ได้อย่างง่ายดายโดยใช้สมการต่อไปนี้ซึ่งเราสามารถเลือกค่าตัวต้านทานที่เท่ากันได้ตามอัตราขยายหรืออาจกลับกันได้

แอมป์ขยาย (แอมพลิจูด DC) (Af) = (1 + R2 / R3)

เส้นโค้งตอบสนองความถี่:

มาดูกันว่า o utput ของ Active Low pass filter หรือ Bode plot / Frequency response curveคืออะไร: -

นี่คือผลลัพธ์สุดท้ายของการใช้งานตัวกรองผ่านต่ำในสหกรณ์แอมป์ไม่ใช่ inverting การกำหนดค่า เราจะดูคำอธิบายโดยละเอียดในภาพถัดไป

อย่างที่เราเห็นนี้เหมือนกับ Passive low pass filter จากความถี่เริ่มต้นไปยัง Fc หรือจุดตัดความถี่หรือความถี่มุมจะเริ่มจากจุด-3dB อัตราขยายคือ 20dB ในภาพนี้ดังนั้นความถี่ตัดคือ20dB - 3dB = 17dBที่จุด fc ตั้งอยู่ ความชันคือ -20dB ต่อทศวรรษ

โดยไม่คำนึงถึงตัวกรองตั้งแต่จุดเริ่มต้นไปจนถึงจุดตัดความถี่จะเรียกว่าแบนด์วิดท์ของตัวกรองและหลังจากนั้นจะเรียกว่าพาสแบนด์ซึ่งอนุญาตให้ใช้ความถี่ในการส่งผ่าน

เราสามารถคำนวณขนาดเกนได้โดยการแปลงค่าแรงดันไฟฟ้าของ op-amp

การคำนวณมีดังนี้

db = 20log (Af)

Af นี้สามารถเป็น Dc Gain ที่เราอธิบายไว้ก่อนหน้านี้โดยการคำนวณค่าตัวต้านทานหรือหาร Vout ด้วย Vin

วงจรกรองแอมพลิฟายเออร์แบบไม่กลับด้านและกลับด้าน:

วงจรกรองความถี่ต่ำแบบแอคทีฟที่แสดงในตอนต้นยังมีข้อ จำกัด ประการหนึ่ง ความเสถียรอาจลดลงได้หากอิมพีแดนซ์ของแหล่งสัญญาณเปลี่ยนไป เช่นลดลงหรือเพิ่มขึ้น

การปฏิบัติมาตรฐานการออกแบบสามารถปรับปรุงความมั่นคงเอาตัวเก็บประจุจากการป้อนข้อมูลและการเชื่อมต่อมันขนานกับ op-amp ต้านทานความคิดเห็นที่สอง

นี่คือวงจรไม่กลับด้าน Active Low pass Filter-

ในรูปนี้ถ้าเราเปรียบเทียบกับวงจรที่อธิบายไว้ในจุดเริ่มต้นเราจะเห็นว่าตำแหน่งของตัวเก็บประจุมีการเปลี่ยนแปลงเพื่อความมั่นคงที่เกี่ยวข้องกับความต้านทานในการกำหนดค่านี้ความต้านทานภายนอกทำให้ไม่มีผลกระทบต่อตัวเก็บประจุปฏิกิริยา, จึงมีเสถียรภาพดีขึ้น

ในการกำหนดค่าเดียวกันหากเราต้องการกลับสัญญาณเอาต์พุตเราสามารถเลือกการกำหนดค่าสัญญาณกลับด้านของ op-amp และสามารถเชื่อมต่อฟิลเตอร์กับ op-amp แบบกลับด้านได้

นี่คือการใช้วงจรของตัวกรองความถี่ต่ำที่ใช้งานกลับด้าน: -

เป็นตัวกรองความถี่ต่ำที่ใช้งานอยู่ในการกำหนดค่ากลับด้าน สหกรณ์แอมป์เชื่อมต่อผกผันในส่วนก่อนหน้านี้อินพุตถูกเชื่อมต่อผ่านพินอินพุตบวกของ op-amp และใช้พินลบของ op-amp เพื่อสร้างวงจรป้อนกลับ ที่นี่วงจรกลับหัว อินพุตบวกที่เชื่อมต่อกับการอ้างอิงกราวด์และตัวเก็บประจุและตัวต้านทานป้อนกลับที่เชื่อมต่อผ่านพินอินพุตเชิงลบของ op-amp นี้เรียกว่าการกำหนดค่า op-amp คว่ำและสัญญาณจะถูกคว่ำกว่าสัญญาณอินพุต

Unity Gain หรือ Voltage Follower Active Low Pass Filter:

จนถึงตอนนี้วงจรที่อธิบายไว้ที่นี่ใช้สำหรับการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าและวัตถุประสงค์หลังการขยายสัญญาณ

เราสามารถทำให้มันโดยใช้เครื่องขยายเสียงกำไรสามัคคีที่หมายถึงความกว้างการส่งออกหรือได้รับจะเป็นเช่นเดียวกับการป้อนข้อมูล: 1xVin = Vout

ไม่ต้องพูดถึงนอกจากนี้ยังเป็นการกำหนดค่า op-amp ซึ่งมักอธิบายว่าเป็นการกำหนดค่าตัวติดตามแรงดันไฟฟ้าที่ op-amp สร้างแบบจำลองที่แน่นอนของสัญญาณอินพุต

มาดูการออกแบบวงจรและวิธีกำหนดค่า op-amp เป็นตัวติดตามแรงดันไฟฟ้าและทำให้ตัวกรองความถี่ต่ำที่ใช้งานได้รับเอกภาพ: -

ในภาพนี้ตัวต้านทานแบบป้อนกลับของ op-amp จะถูกลบออก แทนที่จะเป็นตัวต้านทานขาอินพุตเชิงลบของ op-amp ที่เชื่อมต่อโดยตรงกับเอาต์พุต op-amp การกำหนดค่า op-amp นี้จะเรียกว่าเป็นการกำหนดค่าติดตามแรงดันไฟฟ้ากำไรคือ 1x เป็นตัวกรองความถี่ต่ำที่ได้รับเอกภาพ มันจะสร้างแบบจำลองที่แน่นอนของสัญญาณอินพุต

ตัวอย่างการปฏิบัติด้วยการคำนวณ

เราจะออกแบบวงจรของตัวกรองความถี่ต่ำแบบแอคทีฟในการกำหนดค่า op-amp แบบไม่กลับด้าน

ข้อมูลจำเพาะ: -

1. Input Impedance 10kohms
2. กำไรจะเท่ากับ 10x
3. ความถี่การตัดจะเป็น 320Hz

มาคำนวณค่ากันก่อนสร้างวงจร: -

แอมพลิจูดที่ได้รับ (แอมพลิจูด DC) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

R2 = 1k (เราต้องเลือกหนึ่งค่าเราเลือกR2 เป็น 1kเพื่อลดความซับซ้อนของการคำนวณ)

เราจะได้รับคุณค่าด้วยการใส่มูลค่าเข้าด้วยกัน

(10) = (1 + R3 / 1)

เราคำนวณค่าของตัวต้านทานที่สามคือ 9k

ตอนนี้เราต้องคำนวณค่าของตัวต้านทานตามความถี่ตัด เนื่องจากตัวกรองความถี่ต่ำที่ใช้งานอยู่และตัวกรองความถี่ต่ำแบบพาสซีฟทำงานในลักษณะเดียวกับสูตรการตัดความถี่จะเหมือนเดิม

ลองตรวจสอบค่าของตัวเก็บประจุถ้าความถี่ตัดเป็น 320Hz ที่เราเลือกค่าของตัวต้านทานเป็น4.7k

fc = 1 / 2πRC

โดยการรวมมูลค่าทั้งหมดเข้าด้วยกันเราจะได้รับ: -

โดยการแก้ equitation นี้เราได้รับค่าของตัวเก็บประจุเป็น 106nF ประมาณ

ขั้นตอนต่อไปคือการได้รับการคำนวณสูตรของอัตราขยายจะเหมือนกับตัวกรองความถี่ต่ำแบบพาสซีฟ สูตรการได้รับหรือขนาดเป็น dB มีดังนี้: -

20log (Af)

เนื่องจากอัตราขยายของ op-amp เท่ากับ 10x ขนาดใน dB คือ 20log (10) นี่คือ 20dB

ตอนนี้เมื่อเราคำนวณค่าเรียบร้อยแล้วก็ถึงเวลาสร้างวงจร มารวมกันและสร้างวงจร: -

เราสร้างวงจรตามค่าที่คำนวณก่อนหน้านี้ เราจะให้ความถี่10Hz ถึง 1500Hzและ10 จุดต่อทศวรรษที่อินพุตของตัวกรองความถี่ต่ำที่ใช้งานอยู่และจะตรวจสอบเพิ่มเติมเพื่อดูว่าความถี่คัตออฟคือ 320Hz หรือไม่ที่เอาต์พุตของเครื่องขยายเสียง

นี่คือเส้นโค้งตอบสนองความถี่เส้นสีเขียวเริ่มต้นจาก 10Hz ถึง 1500Hz เนื่องจากสัญญาณอินพุตถูกส่งมาสำหรับช่วงความถี่นั้นเท่านั้น

อย่างที่เราทราบกันดีว่าความถี่ของมุมจะอยู่ที่ -3dB จาก Maximum gain magnitude เสมอ ที่นี่กำไรคือ 20dB ดังนั้นหากเราหาจุด -3dB จะได้ความถี่ที่แน่นอนที่ตัวกรองหยุดความถี่ที่สูงขึ้น

เราตั้งเคอร์เซอร์ที่17 เดซิเบลเป็น (20dB-3dB = 17dB)ความถี่มุมและได้รับการ317.950Hz หรือ 318Hzซึ่งอยู่ใกล้กับ320Hz

เราสามารถเปลี่ยนค่าตัวเก็บประจุเป็นค่าทั่วไปเป็น100nFและไม่ได้กล่าวถึงความถี่ของมุมจะได้รับผลกระทบเพียงไม่กี่ Hz

ลำดับที่สอง Active Low Pass Filter:

เป็นไปได้ที่จะเพิ่มตัวกรองใน op-amp เช่นลำดับที่สองที่ใช้งาน low pass filter ในกรณีเช่นเดียวกับตัวกรองแบบพาสซีฟจะมีการเพิ่มตัวกรอง RC เพิ่มเติม

มาดูกันว่าวงจรกรองลำดับที่สองถูกสร้างขึ้นอย่างไร

นี่คือตัวกรองลำดับที่สอง ในรูปด้านบนเราจะเห็นตัวกรองสองตัวที่เพิ่มเข้าด้วยกัน นี่คือตัวกรองลำดับที่สอง เป็นตัวกรองที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมคือเครื่องขยายเสียงวงจรระบบดนตรีก่อนการขยายกำลัง

อย่างที่คุณเห็นมี op-amp หนึ่งตัว แรงดันไฟฟ้าที่ได้รับจะเหมือนกับที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้โดยใช้ตัวต้านทานสองตัว

(Af) = (1 + R3 / R2)

ความถี่ในการตัดคือ

สิ่งหนึ่งที่น่าสนใจที่จะจำได้ว่าถ้าเราต้องการที่จะเพิ่มมากขึ้นสหกรณ์แอมป์ซึ่งประกอบด้วยลำดับแรกกรองกำไรจะถูกคูณด้วยแต่ละคนสับสน? อาจเป็นแผนผังจะช่วยเราได้

ยิ่งเพิ่ม op-amp มากเท่าไหร่กำไรก็จะมากขึ้นเท่านั้น ดูรูปด้านบนในภาพนี้ op-amp สองตัวเรียงซ้อนกันโดยมี op-amp ในวงจรนี้แอมป์ Cascaded op ถ้าอันแรกมีกำไร 10x และอันที่สองคือกำไร 5x กำไรรวมจะเป็น 5 x 10 = 50x gain

ดังนั้นขนาดของวงจรกรองความถี่ต่ำของ op-amp แบบเรียงซ้อนในกรณีของ op-amp สองตัวคือ: -

dB = 20log (50)

โดยการแก้สมการนี้คือ 34dB ดังนั้นผลกำไรของสูตรอัตราขยายตัวกรองความถี่ต่ำของ op-amp แบบเรียงซ้อนคือ

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

โดยที่ TdB = ขนาดรวม

นี่คือวิธีสร้างตัวกรองความถี่ต่ำที่ใช้งานอยู่ ในบทช่วยสอนถัดไปเราจะมาดูกันว่าสามารถสร้าง Active high pass filter ได้อย่างไร แต่ก่อนการสอนครั้งต่อไปเรามาดูกันว่าแอปพลิเคชันของ Active low pass filter คืออะไร: -

การใช้งาน

สามารถใช้ตัวกรองความถี่ต่ำแบบแอคทีฟได้ในหลาย ๆ ที่ซึ่งไม่สามารถใช้ฟิลเตอร์พาสซีฟโลว์พาสได้เนื่องจากข้อ จำกัด เกี่ยวกับอัตราขยายหรือขั้นตอนการขยาย นอกจากนี้ยังสามารถใช้ตัวกรองความถี่ต่ำที่ใช้งานได้ในสถานที่ต่อไปนี้: -

วงจรกรองความถี่ต่ำเป็นวงจรที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

แอพพลิเคชั่นบางตัวของ Active Low Pass Filter มีดังนี้: -

1. การปรับเสียงเบสก่อนการขยายกำลัง
2. ตัวกรองที่เกี่ยวข้องกับวิดีโอ
3. ออสซิลโลสโคป
4. ระบบควบคุมเพลงและการมอดูเลตความถี่เสียงเบสเช่นเดียวกับก่อนวูฟเฟอร์และลำโพงเสียงเบสสูงสำหรับเสียงเบสออก
5. ฟังก์ชั่น Generator เพื่อให้ความถี่ต่ำแปรผันที่ระดับแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน
6. การเปลี่ยนรูปร่างความถี่ที่คลื่นต่างจาก.