Filtros activos de paso bajo: ¿buenos para qué frecuencias?

14

El Apéndice E de The Art of Electronics, 3ª edición (filtros LC Butterworth) comienza diciendo que " los filtros activos son convenientes a bajas frecuencias pero poco prácticos a frecuencias más altas ". Van y dicen que " a frecuencias de 100kHz y superiores, el mejor enfoque son los filtros LC pasivos " (parafraseados en ambos casos).

Mi primera pregunta: ¿en serio? ¿Un mero 100 kHz ya es demasiado alto para que los filtros activos sean prácticos?

Entiendo que los amplificadores operacionales con alto ancho de banda y ALTA velocidad de respuesta pueden ser costosos, lo que lo hace "poco práctico" en el caso general --- sin embargo, un filtro LC de paso bajo con, por ejemplo, corte de 1MHz, topología T con 1kΩ la carga termina requiriendo inductores del orden de cientos de μH --- si necesito evitar la distorsión (saturación del núcleo magnético e histéresis), un inductor de núcleo de aire en ese rango hace que todo sea bastante poco práctico.

La pregunta 2 sería: ¿es una frecuencia de corte de, digamos, menos de 10MHz demasiado alta para un filtro de paso bajo de segundo orden Sallen-Key?

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Analizándolo desde la perspectiva del caso ideal (suponiendo que el amplificador operacional siempre esté dentro de la operación lineal), los tres pines del amplificador operacional estarán sujetos a la señal de salida de paso bajo --- a una frecuencia de corte <10MHz que ciertamente no es un problema (ni ancho de banda ni velocidad de respuesta). La capacitancia de entrada no debería ser un gran problema --- con R del orden de 1k, los condensadores están en el orden de unas pocas decenas de pF a unos pocos cientos de pF --- lo suficientemente alto como para hacer que la entrada del amplificador operacional capacitancia despreciable.

¿Hay otros problemas prácticos que estoy pasando por alto? ¿Soy realista si quiero un filtro tan activo con un corte del orden de unos pocos MHz? (el precio no es un problema --- si necesito un amplificador operacional en el rango de $ 10 o $ 20, está bien)

Cal-linux
fuente
1
¿Puedes definir la fuente R y la carga R y la capacitancia del cable? y si es posible, cambio de fase a 10MHz @ -3dB y rechazo -dB @ 20MHz. Fase lineal, máximamente plana o ?? Por lo general, GBW debe ser mucho mayor que la señal BW para reducir 200 Ohm o menos por ganancia. Hay una razón por la cual es limitada y depende de estos parámetros. ¿Cuál es el propósito?
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
3
La razón principal es la inestabilidad de ganancia unitaria con> = 100GBW en cargas de cable capacitivo, alta impedancia de salida a menos que la impedancia coincida con una capacitancia parásita de 1pF puede causar un pico.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
2
Walt Jung, de ADI, nos advierte: "Para lograr un rendimiento de banda de detención de -40 dB en un filtro de paso bajo activo, el amplificador operacional debe tener un excedente de ganancia de 40 dB en todas partes de la banda de detención". Además, los opamps a menudo tienen Zout inductivo (resistencia ascendente y un desplazamiento de fase de 90 grados proporcionado por el rolloff opamp), y los condensadores en el filtro proporcionan una ruta de alta frecuencia ALREDEDOR del opamp; Con el aumento de Zout, el opamp no puede atenuar esa energía de alta frecuencia. Por lo tanto, si REALMENTE necesita un excelente rendimiento de banda de detención, tenga un RC LPF pasivo como primer polo y sea generoso con las especificaciones opamp.
analogsystemsrf
55
El libro probablemente sea correcto si equiparas "op amp" con "741". Pero no si realmente usas un amplificador operacional :)
alephzero
1
@analogsystemsrf - buen punto; Estaba pensando precisamente que no estaría de más hacer un Butterworth de tercer orden (1 / H (s) = (s + 1) (s² + s + 1) si no recuerdo mal). En cualquier caso, el filtro obtiene una etapa de entrada inicial que es solo un RC.
Cal-linux

Respuestas:

31

Creo que su análisis es bueno. He creado filtros sallen-key de cuarto orden que se cortan alrededor de 3 MHz sin preocuparse por el rendimiento. No veo que 10 MHz sea inalcanzable.

Se trata de la elección del amplificador operacional. Para una etapa de ganancia unitaria, es fácil determinar dónde comienza a caer la ganancia por debajo de (por ejemplo) 0,99 y considerarla como la frecuencia límite. Por otro lado, la impedancia de salida de un amplificador operacional generalmente empeora a medida que ingresa a las regiones de MHz, por lo que debe asegurarse de que pueda entregar la corriente máxima sin recorte o ir demasiado descuidada.

También debe tener en cuenta las limitaciones de velocidad de respuesta pero, hasta donde yo sé, eso es todo.

Es muy posible que The Art of Electronics, 3rd Editionno haya realizado ninguna actualización en esa sección desde que salió por primera vez en 1980.

Andy alias
fuente
2
Ese es el séptimo voto negativo de hoy, ¿alguna idea para alguien?
Andy alias
3
Yo también obtengo lo mismo. Deben ser novatos que no aprecian la experiencia gratuita y no saben cómo escribir un comentario
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
55
@Andyaka. Los votos negativos tienen que ser frustrantes. Pero sus respuestas siempre obtienen votos positivos al final.
Marla
3
De hecho, 10MHz es perfectamente posible. Recientemente hice un paso bajo activo para 10 MHz e incluso dejé que el OpAmp manejara una carga de 50 Ohm. Funciona bien, sin embargo, estos OpAmps son caros y también producen un poco de calor.
T. Pluess
44
A menudo es muy frustrante lidiar con publicaciones que se calientan en el intercambio de pila. Todo tipo de comportamientos no deseados se arrastra. Me gustaría que no lo hiciera.
joojaa
8

Mi primera pregunta: ¿en serio? ¿Un mero 100 kHz ya es demasiado alto para que los filtros activos sean prácticos?

No, 100 kHz no es nada, pero todo depende del opamp. En algún momento, el producto Gain Bandwidth causará problemas. Si tuvieras un amplificador operacional con un GBWP de 1MHz o 10MHz (lo que puede haber sido típico en el momento de la primera edición de AofE, tal vez no lo actualizaron, creo, así que compararía las ediciones), entonces 100kHz no suena demasiado irrazonable, porque solo obtendría una magnitud o dos de filtrado y luego el ancho de banda va por debajo de la ganancia de la unidad. Entonces su filtro de paso bajo se parece más a un paso de banda.

¿Hay otros problemas prácticos que estoy pasando por alto? ¿Soy realista si quiero un filtro tan activo con un corte del orden de unos pocos MHz? (el precio no es un problema --- si necesito un amplificador operacional en el rango de $ 10 o $ 20, está bien)

Si realmente necesita filtrar más allá de 50MHz, entonces los parásitos deben modelarse ya que ESR y ESL en los condensadores comenzarán a afectar los polos del filtro y crearán sus propios polos de filtro a altas frecuencias. Use un paquete de especias si es posible. Asegúrese de que el GBWP sea lo suficientemente alto, en estos días no es difícil obtener amplificadores operacionales que funcionen en el rango de + 100MHz.

Pico de voltaje
fuente
1
Esto es correcto al punto. Los amplificadores operacionales de alto GBWP no eran tan eficaces, rentables o incluso disponibles en 1980 cuando AoE se publicó por primera vez. En 1980, el 8086 era de vanguardia y 10MHz en un IC era increíblemente rápido. Ahora podemos comprar un LMH6881 por $ 3 con un ancho de banda de 2.4GHz, o el LMH5401 por $ 7 con un GBWP de 8GHz, eso habría sido impensable en 1980. El libro simplemente no se ha actualizado.
J ...
4

El principal problema con esa topología de Sallen Key a alta frecuencia es que la impedancia de salida de los amplificadores operacionales aumenta, por lo que no puede controlar la alimentación de la señal de entrada a través del condensador 2C, destruyendo la banda de parada.

Neil_UK
fuente
2

TI tiene una nota de aplicación de diseño de 10MHz. Se basa en su amplificador operacional THS4001 de bajo costo 270 MHz -3dB.

Los amplificadores operacionales tienen una impedancia de salida de bucle abierto mucho mayor que su generador de señal de 50 Ω. Esto los hace estables con su protección contra cortocircuitos. El GBW más alto se usa para bajar el Zout = Zoc / GBW. El ESL de la placa de prueba (0.5nH / mm) y la capacitancia parásita deberán minimizarse.

Con 150 MHz GBW puede usar 1k R's con 5 pf, 10pF.

No leí su diseño.

http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/sloa032/sloa032.pdf

Para diseñar cualquier filtro, debe considerar estas especificaciones primero;

Source impedance \$Z_S(f)\$   
Load Impedance \$Z_L(f)\$   
Gain   -3 dB passband \$f_p\$    
Loss   @ \$f_s\$stop band edge   e.g. \$  ~-dB~ @ ~2*f_p, 10*f_p\$    
 ..  or order of filter    
% load regulation error = % Output/Load impedance ratio ( for low % )    
Phase shift in passband, group delay  
Noise, supply power  
Output swing and slew rate limit  
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
fuente