Penapis lulus rendah aktif

Sebelum ini kami menerangkan penapis pas rendah, pasif dalam tutorial ini kita akan meneroka apakah itu Penapis Lulus Rendah Aktif.

Apa itu, Litar, formula, lengkung?

Seperti yang kita ketahui dari tutorial sebelumnya, penapis lulus rendah pasif berfungsi dengan komponen pasif. Hanya dua komponen perintang dan kapasitor pasif yang merupakan kunci atau nadi litar penapis pas pasif rendah. Kami mengetahui dalam tutorial sebelumnya bahawa penapis lulus rendah pasif berfungsi tanpa gangguan luar atau tindak balas aktif. Tetapi ia mempunyai batasan tertentu.

Batasan penapis Pass Passive Low adalah seperti berikut: -

1. Impedans litar menimbulkan kehilangan amplitud. Jadi Vout selalu kurang daripada Vin.
2. Pengukuhan tidak dapat dilakukan hanya dengan penapis pas rendah rendah.
3. Ciri-ciri penapis sangat bergantung pada impedans beban.
4. Keuntungan selalu sama atau lebih rendah daripada keuntungan perpaduan.
5. Semakin banyak peringkat penapis atau susunan penuras, kehilangan amplitud menjadi lebih kecil.

Kerana batasan ini, jika Amplifikasi diperlukan, cara terbaik untuk menambahkan komponen aktif yang akan memperkuat output yang disaring. Amplifikasi ini dilakukan oleh penguat operasi atau op-amp. Oleh kerana ini memerlukan sumber voltan, ia adalah komponen aktif. Oleh itu nama Active low pass filter.

Amplifier khas menarik kuasa dari bekalan kuasa luaran dan menguatkan isyarat tetapi sangat fleksibel kerana kita dapat mengubah lebar jalur frekuensi dengan lebih fleksibel. Juga, Ini adalah pilihan pengguna atau pereka untuk memilih jenis komponen aktif yang akan dipilih bergantung pada keperluan. Ia boleh menjadi Fet, Jfet, Transistor, Op-Amp yang merangkumi banyak fleksibiliti. Pemilihan komponen juga bergantung pada kos dan keberkesanannya jika ia dirancang untuk produk pengeluaran besar-besaran.

Demi kesederhanaan, keberkesanan masa dan juga teknologi yang berkembang dalam reka bentuk op-amp, umumnya op-amp digunakan untuk reka bentuk Penapis Aktif.

Mari lihat mengapa kita harus memilih dan op-amp untuk merancang penapis low pass Aktif: -

1. Impedans input tinggi.

   Kerana impedansi input yang tinggi, isyarat input tidak dapat dihancurkan atau diubah. Secara umum atau dalam kebanyakan kes sinyal input yang amplitudo sangat rendah dapat musnah jika digunakan sebagai litar impedans rendah. Op-Amp mendapat nilai tambah dalam kes seperti itu.

2. Kiraan komponen yang sangat rendah. Hanya sedikit perintang yang diperlukan.
3. Pelbagai jenis op-amp tersedia bergantung pada keuntungan, spesifikasi voltan.
4. Bunyi rendah.
5. Lebih mudah untuk merancang dan melaksanakan.

Tetapi seperti yang kita tahu tidak ada yang sempurna, reka bentuk penapis Aktif ini juga mempunyai batasan tertentu.

Peningkatan output dan lebar jalur serta tindak balas frekuensi bergantung pada spesifikasi op-amp.

Mari Jelajah lebih jauh dan fahami apa yang istimewa mengenainya.

Penapis Lulus Rendah Aktif dengan Penguat:

Sebelum memahami reka bentuk penapis lorong rendah yang aktif dengan op-amp, kita perlu mengetahui sedikit sebanyak mengenai Penguat. Amplify adalah kaca pembesar, ia menghasilkan replika dari apa yang kita lihat tetapi dalam bentuk yang lebih besar untuk mengenalinya dengan lebih baik.

Dalam tutorial pertama penapis lulus rendah Pasif, kami telah mengetahui apa itu penapis Lulus Rendah. Penapis lulus rendah menyaring frekuensi rendah dan menyekat salah satu isyarat sinusoidal AC yang lebih tinggi. Ini Active penapis laluan rendah yang kerja dengan cara yang sama seperti penapis lulus pasif rendah, hanya perbezaan adalah di sini salah satu komponen tambahan ditambah, ia adalah penguat sebagai op-amp.

Berikut adalah reka bentuk penapis lulus rendah: -

Ini adalah gambar penapis lulus rendah Aktif. Di sini garis pelanggaran menunjukkan kepada kita penapis RC pasif rendah biasa yang kita lihat dalam tutorial sebelumnya.

Potong keuntungan Frekuensi dan Voltan:

Rumus pemotongan frekuensi sama seperti yang digunakan dalam penapis lulus rendah pasif.

fc = 1 / 2πRC

Seperti yang dijelaskan dalam tutorial sebelumnya fc adalah frekuensi pemotongan dan R adalah nilai Resistor dan C adalah nilai Kapasitor.

Dua perintang yang disambungkan dalam nod positif op-amp adalah perintang maklum balas. Apabila perintang ini disambungkan dalam simpul positif op-amp, ia dipanggil konfigurasi tidak terbalik. Perintang ini bertanggungjawab untuk penguatan atau kenaikan.

Kita dapat mengira keuntungan penguat dengan mudah menggunakan persamaan berikut di mana kita boleh memilih nilai perintang yang setara mengikut gandaan atau sebaliknya: -

Keuntungan Penguat (amplitud DC) (Af) = (1 + R2 / R3)

Keluk Respons Kekerapan:

Mari kita lihat apakah output dari penapis lulus Active Low atau keluk respons Bode plot / Frekuensi: -

Ini adalah keluaran akhir penapis lulus Active Low dalam konfigurasi bukan pembalik op-amp. Kami akan melihat penjelasan secara terperinci pada gambar seterusnya.

Seperti yang kita lihat ini sama dengan penapis lulus rendah Pasif. Dari frekuensi permulaan hingga Fc atau titik pemotongan frekuensi atau frekuensi sudut akan bermula dari titik -3dB. Keuntungan adalah 20dB dalam gambar ini, jadi frekuensi pemotongan adalah 20dB - 3dB = 17dB di mana titik fc berada. Cerunnya adalah -20dB setiap dekad.

Tanpa mengira penapis, dari titik permulaan hingga titik frekuensi pemotongan ia dipanggil Lebar jalur penapis dan selepas itu, ia dipanggil jalur lulus dari mana frekuensi lulus dibenarkan.

Kita boleh mengira kenaikan magnitud dengan menukar keuntungan Voltan op-amp.

Pengiraannya adalah seperti berikut

db = 20log (Af)

Af ini boleh menjadi keuntungan Dc yang telah kita jelaskan sebelumnya dengan mengira nilai perintang atau membahagikan Vout dengan Vin.

Litar Penapis Penguat Tidak Membalikkan dan Membalikkan:

Litar penapis lulus rendah aktif yang ditunjukkan pada awalnya juga mempunyai satu batasan. Kestabilannya dapat dikompromikan jika impedans sumber isyarat berubah. Cth penurunan atau kenaikan.

Amalan reka bentuk standard dapat meningkatkan kestabilan, mengeluarkan kapasitor dari input dan menghubungkannya selari dengan perintang maklum balas kedua op-amp.

Berikut adalah litar Penapis lulus Aktif Rendah Bukan Pembalik-

Dalam gambar ini, jika kita membandingkannya dengan litar yang dijelaskan pada awalnya, kita dapat melihat bahawa kedudukan kapasitor diubah untuk kestabilan yang berkaitan dengan impedans. Dalam konfigurasi ini impedans luaran tidak mempengaruhi reaktansi kapasitor, sehingga kestabilan bertambah baik.

Pada konfigurasi yang sama jika kita ingin membalikkan isyarat output maka kita dapat memilih konfigurasi isyarat terbalik op-amp dan dapat menghubungkan penapis dengan op-amp terbalik itu.

Berikut adalah pelaksanaan litar penapis lulus rendah aktif terbalik: -

Ia adalah penapis lulus rendah aktif dalam konfigurasi terbalik. Op-amp disambungkan secara terbalik. Pada bahagian sebelumnya input dihubungkan melalui pin input positif op-amp dan pin negatif op-amp digunakan untuk membuat litar maklum balas. Di sini litar terbalik. Input positif dihubungkan dengan rujukan tanah dan kapasitor dan perintang maklum balas disambungkan merentasi pin input negatif op-amp. Ini disebut konfigurasi op-amp terbalik dan isyarat output akan terbalik daripada isyarat input.

Penapis Lorong Rendah Aktif Unity Gain atau Voltage Follower:

Hingga kini litar yang dijelaskan di sini digunakan untuk tujuan kenaikan voltan dan pasca penguatan.

Kita dapat membuatnya dengan menggunakan penguat untung kesatuan, yang bermaksud amplitud atau keuntungan output akan sama dengan input: 1x. Vin = Vout.

Tidak ketinggalan, ini juga merupakan konfigurasi op-amp yang sering digambarkan sebagai konfigurasi pengikut voltan di mana op-amp membuat replika isyarat input yang tepat.

Mari lihat reka bentuk litar dan cara mengkonfigurasi op-amp sebagai pengikut voltan dan menjadikan penyatuan lulus penapis lulus rendah aktif: -

Dalam gambar ini, perintang maklum balas op-amp dikeluarkan. Daripada perintang, pin input negatif op-amp dihubungkan terus dengan op-amp output. Konfigurasi op-amp ini disebut sebagai konfigurasi pengikut Voltan. Keuntungannya adalah 1x. Ia adalah penapis lulus rendah yang mendapat kesatuan. Ia akan menghasilkan replika isyarat input yang tepat.

Contoh praktikal dengan Pengiraan

Kami akan merancang litar penapis lulus rendah aktif dalam konfigurasi op-amp yang tidak terbalik.

Spesifikasi: -

1. Input Impedance 10kohms
2. Keuntungan akan menjadi 10x
3. Frekuensi pemotongan akan menjadi 320Hz

Mari hitung nilainya terlebih dahulu sebelum membuat litar: -

Keuntungan Penguat (amplitud DC) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

R2 = 1k (Kita perlu memilih satu nilai; kita memilih R2 sebagai 1k untuk mengurangkan kerumitan pengiraan).

Dengan meletakkan nilai bersama-sama kita dapat

(10) = (1 + R3 / 1)

Kami mengira nilai perintang ketiga ialah 9k.

Sekarang kita perlu mengira nilai perintang mengikut frekuensi pemotongan. Sebagai penapis lulus rendah aktif dan penuras lulus rendah pasif berfungsi dengan cara yang sama formula pemotongan frekuensi sama seperti sebelumnya.

Mari kita periksa nilai kapasitor jika frekuensi pemotongan adalah 320Hz, kami memilih nilai perintang adalah 4.7k.

fc = 1 / 2πRC

Dengan menyatukan semua nilai kita dapat: -

Dengan menyelesaikan persamaan ini, kita dapati nilai kapasitor adalah 106nF lebih kurang.

Langkah seterusnya adalah mengira keuntungan. Rumus keuntungan sama dengan penapis lulus rendah pasif. Rumus kenaikan atau magnitud dalam dB adalah seperti berikut: -

20log (Af)

Oleh kerana keuntungan op-amp adalah 10x magnitud dalam dB adalah 20log (10). Ini ialah 20dB.

Sekarang kerana kita sudah mengira nilainya sekarang adalah masa untuk membina litar. Mari tambah semua dan bina litar: -

Kami membina litar berdasarkan nilai yang dikira sebelumnya. Kami akan memberikan frekuensi 10Hz hingga 1500Hz dan 10 titik setiap dekad pada input penapis low pass aktif dan akan menyiasat lebih lanjut untuk melihat sama ada frekuensi pemotongan adalah 320Hz atau tidak pada output penguat.

Ini adalah keluk tindak balas frekuensi. Garis hijau dimulakan dari 10Hz hingga 1500Hz kerana isyarat input dibekalkan untuk jarak frekuensi itu sahaja.

Seperti yang kita ketahui bahawa frekuensi sudut sentiasa berada pada -3dB dari magnitud keuntungan maksimum. Di sini keuntungannya ialah 20dB. Jadi, jika kita mengetahui titik -3dB akan mendapat frekuensi tepat di mana penapis berhenti frekuensi yang lebih tinggi.

Kami menetapkan kursor pada 17 db sebagai (20dB-3dB = 17dB) frekuensi sudut dan mendapat 317.950Hz atau 318Hz yang hampir dengan 320Hz.

Kita boleh menukar nilai kapasitor menjadi yang generik sebagai 100nF dan tidak menyebutkan frekuensi sudut juga akan berlaku oleh beberapa Hz.

Penapis Pas Rendah Aktif Pesanan Kedua:

Ada kemungkinan untuk menambah lebih banyak penapis di satu op-amp seperti penapis lulus rendah pesanan kedua aktif. Dalam kes sedemikian seperti penapis pasif, penapis RC tambahan ditambahkan.

Mari lihat bagaimana litar penapis pesanan kedua dibina.

Ini adalah penapis pesanan Kedua. Dalam gambar di atas kita dapat melihat dengan jelas kedua-dua penapis tersebut. Ini adalah penapis pesanan kedua. Ia adalah penapis yang banyak digunakan dan aplikasi industri adalah Amplifier, litar sistem Musikal sebelum Penguat Daya.

Seperti yang anda lihat ada satu op-amp. Penambahan voltan sama seperti yang dinyatakan sebelumnya menggunakan dua perintang.

(Af) = (1 + R3 / R2)

Kekerapan pemotongan adalah

Satu perkara yang menarik untuk diingat jika kita mahu menambahkan lebih banyak op-amp yang terdiri daripada penapis pesanan pertama, keuntungan akan digandakan oleh setiap individu. Keliru? Mungkin skema akan membantu kita.

Semakin banyak op-amp ditambahkan, semakin banyak keuntungan berlipat kali ganda. Lihat gambar di atas, Dalam gambar ini dua op-amp diselaraskan dengan op-amp individu. Dalam rangkaian ini Cascaded op amp, Jika yang pertama mempunyai keuntungan 10x dan yang kedua adalah untuk keuntungan 5x maka jumlah keuntungan akan menjadi 5 x 10 = keuntungan 50x.

Oleh itu, besarnya litar penapis lulus rendah op-amp lata jika dua op-amp adalah: -

dB = 20log (50)

Dengan menyelesaikan persamaan ini ialah 34dB. Oleh itu, keuntungan dari formula keuntungan penapis lulus rendah op-amp adalah

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

Di mana TdB = Jumlah Magnitud

Ini adalah bagaimana penapis lorong rendah aktif dibina. Pada tutorial seterusnya, kita akan melihat bagaimana penapis lorong tinggi Aktif dapat dibina. Tetapi sebelum tutorial seterusnya mari kita lihat apa aplikasi penapis lulus rendah Aktif: -

Permohonan

Penapis lulus rendah aktif boleh digunakan di beberapa tempat di mana penapis lulus rendah pasif tidak dapat digunakan kerana keterbatasan mengenai prosedur penguatan atau penguatan. Selain itu penapis low pass aktif boleh digunakan di tempat-tempat berikut: -

Penapis lulus rendah digunakan litar dalam elektronik.

Berikut adalah beberapa aplikasi Active Low Pass Filter: -

1. Penyamaan bass sebelum Penguatan kuasa
2. Penapis berkaitan video.
3. Osiloskop
4. Sistem kawalan muzik dan modulasi frekuensi Bass serta sebelum woofer dan pembesar suara audio bass tinggi untuk keluar bass.
5. Fungsi Generator untuk memberikan frekuensi rendah berubah pada tahap voltan yang berbeza.
6. Menukar bentuk frekuensi pada gelombang yang berbeza dari.