פילטר נמוך לעבור פעיל

בעבר תיארנו פילטר פסיבי נמוך לעבור, במדריך זה נחקור מהו מסנן פעיל נמוך לעבור.

מה זה, מעגל, נוסחאות, עקומה?

כידוע מההדרכה הקודמת, מסנן פסיבי נמוך לעבור עובד עם רכיבים פסיביים. רק שני רכיבים פסיביים נגד וקבל הם המפתח או הלב של מעגל מסנן פסיבי נמוך. למדנו בהדרכות הקודמות כי עבודות מסנן פסיבי נמוך עוברות ללא הפרעה חיצונית או תגובה אקטיבית. אבל יש לזה מגבלות מסוימות.

המגבלות של פילטר פסיבי נמוך עוברות הן כדלקמן: -

1. עכבת המעגל יוצרת אובדן משרעת. אז ה- Vout הוא תמיד פחות מ- Vin.
2. לא ניתן לבצע הגברה באמצעות מסנן פסיבי נמוך בלבד.
3. מאפייני המסנן תלויים מאוד בעכבת העומס.
4. הרווח תמיד שווה או פחות מרווח האחדות.
5. יותר שלבי הסינון או סדר הסינון הוסיפו שאובדן המשרעת נעשה פחות.

בשל מגבלה זו, אם יש צורך בהגברה, הדרך הטובה ביותר להוסיף רכיב פעיל אשר יגביר את הפלט המסונן. הגברה זו נעשית על ידי מגבר תפעולי או מגבר אופ. מכיוון שזה דורש מקור מתח, זהו רכיב פעיל. כך השם פעיל מסנן נמוך לעבור.

מגבר טיפוסי שואב את הכוח מאספקת החשמל החיצונית ומגביר את האות אך הוא גמיש מאוד מכיוון שנוכל לשנות את רוחב הפס של התדרים בצורה גמישה יותר. כמו כן, באפשרות המשתמש או המעצב לבחור איזה סוג של רכיבים פעילים לבחור בהתאם לדרישות. זה יכול להיות Fet, Jfet, טרנזיסטור, Op-Amp הכוללים הרבה גמישות. בחירת הרכיב תלויה גם בעלות וביעילות אם הוא מיועד למוצר ייצור המוני.

למען הפשטות, יעילות הזמן וגם הטכנולוגיות הגוברות בעיצוב מגברים, בדרך כלל משתמשים במגבר לתכנון פעיל פילטר.

בואו נראה מדוע עלינו לבחור ולהגביר את התכנון לעצב מסנן פעיל נמוך לעבור: -

1. עכבת קלט גבוהה.

   בגלל עכבת קלט גבוהה לא ניתן היה להרוס או לשנות את אות הקלט. באופן כללי או ברוב המקרים אות הקלט שהוא בעל משרעת נמוכה מאוד יכול להיהרס אם הוא משמש כמעגל עכבה נמוכה. Op-Amp קיבלה נקודת פלוס במקרים כאלה.

2. ספירת רכיבים נמוכה מאוד. יש צורך בנגדים מעטים בלבד.
3. ניתן להשיג סוג שונה של מגבר-על בהתאם לרווח, למפרט המתח.
4. רעש חלש.
5. קל יותר לתכנן וליישם.

אך כידוע שום דבר אינו מושלם לחלוטין, לעיצוב המסנן הפעיל הזה יש גם מגבלה מסוימת.

רווח הרוחב ורוחב הפס, כמו גם תגובת התדרים, תלויים במפרט המגבר.

בואו נחקור הלאה ונבין מה מיוחד בכך.

מסנן נמוך לעבור פעיל עם הגברה:

לפני שנבין תכנון פעיל של פילטר נמוך לעבור עם מגבר-על, עלינו לדעת מעט על מגברים. Amplify היא זכוכית מגדלת, היא מייצרת העתק של מה שאנחנו רואים אבל בצורה גדולה יותר כדי לזהות אותו טוב יותר.

בהדרכה הראשונה של פילטר פסיבי נמוך לעבור, למדנו מהו פילטר נמוך לעבור. מסנן מעבר נמוך מסנן תדר נמוך וחוסם אות גבוה יותר של אות סינוסי. זה מסנן מעביר נמוכים פעיל הוא העבודה באותו אופן כמו מסנן מעביר נמוכים פסיבית, רק ההבדל הוא כאן מרכיב אחד נוסף מתווסף, זה מגבר כמו-מגבר השרת.

להלן עיצוב פשוט של מסנן נמוך לעבור: -

זו התמונה של מסנן פעיל נמוך לעבור. כאן השורה המפרה מראה לנו את המסנן המסורתי נמוך לעבור פסיבי RC שראינו במדריך הקודם.

ניתוק תדר ורווח מתח:

נוסחת התדרים Cut Off זהה לזו המשמשת במסנן פסיבי נמוך לעבור.

fc = 1 / 2πRC

כמתואר במדריך הקודם fc הוא תדר מנותק ו- R הוא ערך הנגד ו- C הוא ערך הקבל.

שני הנגדים המחוברים בצומת החיובי של המגבר הם נגדי משוב. כאשר נגדים אלה מחוברים בצומת חיובי של המגבר-על זה נקרא תצורה לא הפוכה. נגדים אלה אחראים להגברה או לרווח.

אנו יכולים לחשב בקלות את הרווח של המגבר באמצעות המשוואות הבאות, שם נוכל לבחור את ערך הנגד המקביל בהתאם לרווח או שהוא יכול להיות להפך: -

רווח מגבר (משרעת DC) (Af) = (1 + R2 / R3)

עקומת תגובת תדרים:

בואו נראה מה יהיה הפלט של מסנן המעבר הפעיל נמוך או עקומת תגובת התגובה / Bode: -

זהו הפלט הסופי של מסנן Active Low Pass לעבור בתצורה שאינה הפוכה של מגבר. נראה הסבר מפורט בתמונה הבאה.

כפי שאנחנו רואים זה זהה למסנן פסיבי נמוך לעבור. מתדר ההתחלה לנקודת Fc או לניתוק התדר או לתדר הפינתי יתחיל מנקודת -3dB. הרווח הוא 20dB בתמונה זו, לכן תדר הניתוק הוא 20dB - 3dB = 17dB במקום בו נמצאת נקודת fc. השיפוע הוא -20dB לעשור.

ללא קשר למסנן, מנקודת ההתחלה לנקודת התדר המנותקת הוא נקרא רוחב הפס של המסנן ולאחריו, זה נקרא פס מעבר שממנו מותרת תדר המעבר.

אנו יכולים לחשב את העלייה בגודל על ידי המרת רווח המתח המגבר.

החישוב הוא כדלקמן

db = 20log (Af)

Af זה יכול להיות הרווח Dc שתיארנו קודם על ידי חישוב ערך הנגד או חלוקת ה- Vout עם Vin.

מעגל מסנן מגבר שאינו הופך והופך:

למעגל סינון פעיל נמוך זה שהוצג בהתחלה יש גם מגבלה אחת. ניתן לפגוע ביציבותו אם עכבת מקור האות משתנה. למשל ירידה או עלייה.

תרגול תכנון סטנדרטי יכול לשפר את היציבות, להסיר את הקבל מהכניסה ולחבר אותו במקביל לנגד המשוב השני של המגבר.

הנה המעגל לא פעיל היפוך מסנן נמוך לעבור-

באיור זה, אם נשווה זאת למעגלים שתוארו בהתחלה, אנו יכולים לראות כי מיקום הקבל משתנה ליציבות הקשורה לאי עכבה. בתצורה זו העכבה החיצונית אינה משפיעה על תגובת הקבלים, ולכן היציבות השתפרה.

באותה תצורה אם אנו רוצים להפוך את אות הפלט, נוכל לבחור בתצורת אות ההיפוך של המגבר-על ויכול לחבר את המסנן לאותו מגבר-הפוך.

להלן יישום המעגלים של מסנן מעברים נמוך פעיל הפוך: -

זהו מסנן נמוך לעבור פעיל בתצורה הפוכה. מגבר ה- OP מחובר הפוך. בחלק הקודם הקלט היה מחובר על פני סיכת הקלט החיובית של המגבר והסיכה השלילית של המגבר משמש להכנת מעגלי המשוב. כאן המעגל הפוך. קלט חיובי המחובר עם הפניה קרקעית וקבל ונגד המשוב מחוברים על פני סיכת כניסה שלילית של מגבר. זה נקרא תצורת מגבר אופטי הפוך ואת אות הפלט יהיה הפוך מאשר אות הקלט.

אחדות רווח או מתח פעיל פעיל מסנן נמוך לעבור:

עד עכשיו המעגלים המתוארים כאן משמשים למגמת מתח ולפיגום הגברה.

אנחנו יכולים לעשות את זה באמצעות מגבר רווח אחדות, כלומר משרעת הפלט או הרווח יהיו זהים לקלט: פי 1. Vin = Vout.

שלא לדבר על זה, זוהי גם תצורת מגבר אופ-מתאר המתארת ​​לעתים קרובות כתצורה של מתח מתח כאשר המגבר-על יצר את ההעתק המדויק של אות הקלט.

בואו נראה את תכנון המעגל וכיצד להגדיר את המגבר כמגביר מתח ולהפוך את המסנן לרווחיות פעילה נמוכה יותר:

בתמונה זו מוסרים נגדי המשוב של המגבר. במקום הנגד, סיכת הקלט השלילית של מגבר ה- OP מחוברת ישירות למגבר ה- OP. תצורת מגבר Op זה נקראת כתצורת עוקב מתח. הרווח הוא פי 1. זהו מסנן פעיל לרווחיות של אחדות. זה יפיק העתק מדויק של אות הקלט.

דוגמה מעשית עם חישוב

אנו נעצב מעגלים של פילטר נמוך לעבור פעיל בתצורת מגבר אופטי שאינו הופך.

מפרטים:-

1. עכבת קלט 10 קמ"ש
2. הרווח יהיה פי 10
3. קיצוץ התדר יהיה 320 הרץ

בואו נחשב את הערך קודם לפני ביצוע המעגלים: -

רווח מגבר (משרעת DC) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

R2 = 1k (עלינו לבחור ערך אחד; בחרנו R2 כ -1k להפחתת מורכבות החישוב).

על ידי חיבור הערך שאנו מקבלים

(10) = (1 + R3 / 1)

חישבנו את ערך הנגד השלישי הוא 9k.

כעת עלינו לחשב את ערך הנגד על פי תדר הניתוק. כמסנן פעיל נמוך לעבור ומסנן נמוך לעבור פסיבי עובד באותה צורה הנוסחה לניתוק תדרים זהה לקודם.

בואו נבדוק את הערך של הקבל אם תדר הניתוק הוא 320 הרץ, בחרנו שער הנגד הוא 4.7k.

fc = 1 / 2πRC

על ידי חיבור כל הערך אנו מקבלים:

על ידי פתרון משוואה זו אנו מקבלים את ערך הקבל הוא 106nF בערך.

השלב הבא הוא חישוב רווח. הנוסחה של הרווח זהה למסנן פסיבי נמוך. הנוסחה של רווח או גודל ב- dB היא כדלקמן: -

20log (Af)

מכיוון שהרווח של המגבר-על הוא פי 10, הגודל ב- dB הוא 20log (10). זהו 20dB.

עכשיו, כפי שכבר חישבנו את הערכים, זה הזמן לבנות את המעגל. בואו נוסיף את הכל ונבנה את המעגל: -

בנינו את המעגל על ​​סמך הערכים שחושבו קודם. אנו מספקים תדרים של 10 הרץ עד 1500 הרץ ו -10 נקודות בעשור בכניסה של פילטר המעבר הנמוך הפעיל ונבדוק עוד האם תדר הניתוק הוא 320 הרץ או לא ביציאת המגבר.

זוהי עקומת תגובת התדרים. הקו הירוק מתחיל מ 10 הרץ עד 1500 הרץ מכיוון שאות הקלט מסופק לטווח תדרים זה בלבד.

כידוע שתדירות הפינה תהיה תמיד -3dB מגודל הרווח המרבי. כאן הרווח הוא 20dB. לכן, אם נגלה שנקודת -3dB תקבל את התדר המדויק שבו המסנן עוצר את התדרים הגבוהים יותר.

הגדרנו את הסמן ב- 17 db כמו (20dB-3dB = 17dB) בתדירות הפינה וקיבלנו 317.950Hz או 318Hz שקרוב ל- 320Hz.

אנו יכולים לשנות את ערך הקבל לזה הגנרי כ- 100nF ולא להזכיר כי תדר הפינה יבוצע גם בכמה הרץ.

מסנן מעבר נמוך נמוך מסדר שני:

אפשר להוסיף פילטרים נוספים על מגבר אחד אחד כמו מסנן נמוך לעבור פעיל מסדר שני. במקרה כזה בדיוק כמו הפילטר הפסיבי, נוסף מסנן RC נוסף.

בואו נראה כיצד בנוי מעגל המסנן מסדר שני.

זהו המסנן מסדר שני. באיור לעיל אנו יכולים לראות בבירור את שני המסננים המתווספים יחד. זהו המסנן מסדר שני. זהו מסנן בשימוש נרחב ויישום תעשייתי הוא מגבר, מעגלי מערכת מוסיקלית לפני הגברת הכוח.

כפי שאתה יכול לראות יש מגבר אחד. רווח המתח זהה לאמור בעבר באמצעות שני נגדים.

(Af) = (1 + R3 / R2)

תדירות הניתוק היא

דבר מעניין אחד שכדאי לזכור אם נרצה להוסיף עוד מגבר-על שמורכב מסננים מהסדר הראשון הרווח יוכפל בכל אחד מהאנשים. מְבוּלבָּל? יכול להיות סכמטי שיעזור לנו.

ככל שמגבר ה- Op הוסיף יותר כפול הרווח רב יותר. ראה את האיור לעיל, בתמונה זו שני מגברים אופטיים מדורגים עם מגבר מגבר בודד. במעגל זה מגבר ה- Cascaded, אם הראשון בעל רווח פי 10 והשני הוא עבור רווח פי 5, הרווח הכולל יהיה 5 x 10 = רווח של 50x.

אז גודל המעגל המסנן נמוך לעבור מגבר אופ-מגבר במקרה של שני מגברים אופניים הוא: -

dB = 20log (50)

על ידי פתרון משוואה זו הוא 34dB. אז הרווח של נוסחת רווח עלייה של פילטר אופ-מגבר מדורג הוא

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

איפה TdB = גודל כולל

כך בנוי מסנן פעיל נמוך לעבור. במדריך הבא נראה כיצד ניתן לבנות מסנן High Pass High Passive. אבל לפני המדריך הבא בואו נראה מה היישומים של מסנן פעיל נמוך לעבור: -

יישומים

ניתן להשתמש במסנן פעיל נמוך לעבור במספר מקומות בהם לא ניתן להשתמש בפילטר נמוך לעבור פסיבי בגלל המגבלה לגבי הליך רווח או הגברה. מלבד זאת ניתן להשתמש במסנן המעבר הנמוך פעיל במקומות הבאים: -

מסנן נמוך לעבור נמצא בשימוש נרחב במוצרי אלקטרוניקה.

להלן מספר יישומים של מסנן פעיל מעברים נמוך:

1. השוואת בס לפני הגברת כוח
2. פילטרים הקשורים לווידאו.
3. אוֹסְצִילוֹסקוּפּ
4. מערכת בקרת מוסיקה ואפנון תדרים בס וכן לפני וופר ורמקולי אודיו בס גבוהים לבס.
5. מחולל פונקציות לספק תדרים נמוכים משתנים ברמת מתח שונה.
6. שינוי צורת התדר בגל שונה מ-.