与普通二阶滤波器相比,Sallen-Key 滤波器有什么优势?

电器工程 筛选 低通 有源滤波器
2022-01-28 21:00:36

Wikipedia 链接到 Sallen-Key 滤波器作为主动低通滤波器,因此我使用 LTSpice 进行了尝试。

频率响应和相位响应不是线性的,相反,频率响应甚至在 10kHz 之后变得更高。为什么会这样,为什么我要使用 Sallen-Key 滤波器而不是“普通”低通滤波器?

Sallen-Key 在蓝线上。

电路

频率响应

3个回答

你所说的“正常”是一个简单的两级 RC 滤波器,选择性非常差(只有两个实极点)。相比之下。Sallen-Key 拓扑能够产生具有更好选择性(更高极点 Qp)和各种可能近似值(Butterworth、Chebyshev、Thomson-Bessel...)的二阶低通响应。

但是,Sallen-Key 结构有一个很大的缺点 - 如果与其他有源滤波器拓扑(多反馈、GIC 滤波器、状态变量......)相比:有一条直接路径(在您的示例中:C4 ) 从输入网络到运算放大器输出。

这意味着:对于远大于截止频率的频率,来自运算放大器的输出电压 - 根据需要 - 非常低。然而,有一个信号直接通过 C4 路径在运算放大器的有限输出电阻处产生一个输出信号。而且这种阻力随着频率的增加而增加!

因此,该滤波器的阻尼特性不如它应该/可能的那么好。这就是您所观察到的:幅度显示出较大频率的上升特性。(这种不需要的阻尼衰减不是由增益带宽积的限制引起的)。

改进:可以通过缩放部件值来改善这种情况:更小的电容器和更大的电阻器值。

注释 1:对于经典的 MILLER 积分器,也可以观察到任何带有反馈电容器(在输出和输入电路之间)的运算放大器电路的这种不良特性。

评论 2:那么 - Sallen-Key 滤波器与其他有源滤波器结构相比有什么优势吗?是的 - 有。让我们比较两个最常用的拓扑:

(1) Sallen-Key 的“主动灵敏度”数值非常低(对运算放大器非理想的灵敏度)和相当高的“被动灵敏度”数值(对被动容差的灵敏度)。

(2) 多反馈滤波器 (MF):高“主动灵敏度”和低“被动灵敏度”数字。

这两种灵敏度都是所有过滤器相当重要的属性,因为它们决定了所需过滤器响应和实际过滤器响应之间的偏差(在理想条件下,所有过滤器类型都将具有相同的性能属性)。

在非常高的频率下,例如高于 UnityGainBandWidth,运算放大器失去了对其 Vout 的控制。注意这个反相单极低通如何对快速输入脉冲进行非反相响应。Cfeedback 允许输入电荷直接出现在输出上。

在此处输入图像描述

这是电路和运算放大器参数: 在此处输入图像描述

BODE(第二个屏幕截图)在较高频率下衰减的唯一原因是 'CL' 15pF 形成低通与 2 个电阻进入 VirtualGround。[如果您想要更好的高频衰减,请在 2 个输入电阻的中间安装 470pF 电容接地。]

通过编辑放大器 ROUT,您将获得乐趣。并通过启用该输入滤波电容器。并编辑掉那个 15pF 的 Cload。

此示例是 Signal Wave Explorer 的 BUILTIN(无需 SPICE 知识)之一,可从 robustcircuitdesign.com 免费下载 19 天使用。

Analog Devices 的 Walt Jung 几十年前就讨论了 LPF 的这种脆弱性。

以下是运算放大器的 MEASURED Zout 示例(接近 500MHz,看起来像 10pF。31 欧姆),用于活动和关闭模式: 在此处输入图像描述

您可以根据您的群延迟、Q、带通纹波、带阻衰减、裙边陡度的规格从多种配置中进行选择。

Sallen-Key 和多反馈都可以达到相同的结果。

见下文。

在此处输入图像描述

两者都可以实现受您选择的 OP 的 GBW 限制的高增益。

该 TI 软件可以设计任何有源滤波器,并允许您从任一配置中进行选择,并选择电阻容差以选择适当的值。它不允许您指定输入阻抗,因此您可以缩放所有 RC 值以适应此情况。

我选择了贝塞尔响应,所以群延迟是平坦的。

添加

另一个答案暴露了运算放大器 BW 的限制,其中任何运算放大器的开环输出电阻或电流限制(轨到轨类型更糟),我建议 Sallen-Keys 滤波器对于 BW 以上的衰减更差和运算放大器的开环高频 (> GBW) 衰减取决于高于 GBW 阈值的输入/输出阻抗比,其中 Zout 的负反馈减少由于缺乏增益而没有影响。

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图