Filtru Sallen-Key: circuit, funcționare, avantaje, dezavantaje și aplicațiile sale

Filtrele joacă un rol cheie în domeniul comunicațiilor, deoarece elimină zgomotul și ajută la optimizarea performanței. Aplicațiile filtrelor în sistemele de telecomunicații vor diferi de la frecvență înaltă la foarte joasă. Selectarea canalelor în cadrul serviciilor de telefonie este o sarcină principală pentru BPF-urile de înaltă frecvență; în timp ce achiziția datelor depinde de LPF-uri anti-aliasing. Pentru efectuarea filtru trece-jos circuit și filtru activ trece-jos, este foarte important să cunoaștem frecvența de tăiere a circuitului și performanța de înaltă frecvență pentru proiectarea filtrului activ, filtrul pasiv trece-jos și filtrul RC trece-jos. Filtrele trece-jos care sunt identificate simplu cu componente active și pasive sunt cunoscute sub denumirea de filtre trece-jos active. Acest articol oferă informații scurte despre filtrul Sallen-Key, circuit și aplicațiile sale.

Ce este filtrul Sallen-Key?

Cea mai populară topologie activă de filtru analogic de ordinul doi este un filtru Sallen Key, numit și sursă de tensiune de control al tensiunii. Acestea sunt foarte populare deoarece configurația lor va arăta că nu depinde foarte mult de performanța amplificatorului operațional. Acest lucru se datorează, în principal, că amplificator operațional este conectat ca un amplificator care reduce nevoile de amplificare-lățime de bandă ale amplificatorului operațional. Filtrul Sallen-Key are o răspândire scăzută a componentelor, impedanță de intrare mare și impedanță de ieșire scăzută, ceea ce permite conectarea diferitelor filtre fără buffer-uri intermediare.

Circuitul de filtru Sallen Key

Un filtru de cheie Sallen este un circuit electronic, folosit pentru a filtra frecvențele inutile dintr-un semnal audio. Acest circuit este conceput pur și simplu cu două rezistențe, un amplificator operațional și doi condensatori care formează o buclă de feedback. Pe baza valorilor componentelor, acest circuit poate acționa ca un filtru trece-jos și a filtru trece-înalt . Aici este discutat mai jos circuitul de filtru trece-jos cheie Sallen.

Filtru trece jos Sallen Key

În Sallen-Key LPF, o performanță mai bună a filtrului poate fi obținută prin selectarea corectă a componentelor RC. Principalele caracteristici ale acestui filtru sunt; amplificarea tensiunii și controlul câștigului de tensiune cu funcționare stabilă a filtrului. Diagrama schematică a filtrului trece jos Sallen Key pentru câștigul unitar este prezentată mai jos. Acest circuit are două secțiuni de filtru RC efectiv în serie; cu toate acestea, cu prima etapă condensatorul este bootstrapped prin ieșire.

Funcția generală de transfer (T.F) pentru un LPS de ordinul doi este

H(s) = Kω ² 0/S ² + (ω0/Q)S+ ω ² 0 —–(1)

Unde:

„K” este factorul de câștig,

„ω0” este frecvența caracteristică în radiani/s.

„Q” este factorul de calitate.

S = jω.

Funcția de transfer al filtrului trece-jos Sallen-Key de ordinul 2 poate fi scrisă în aceeași formă ca ecuația generală de mai sus.

H(s) = (K/ R1R2 C1C2)/ S ² +[( 1/R1+1/R2) 1/ C1 +(1- K/ R2C2]S + 1/ R1R2C1C2 —–(2)

Echivalând cele două ecuații de mai sus, putem obține ecuațiile de frecvență de tăiere și factor de calitate.

Frecvența de tăiere a ecuației filtrului cheie Sallen este fc = 1/2π√ R1R2 C1C2.

Factorul Q al filtrului Sallen Key „Q” este √R1R2 C1C2/ R1C1+R2C1+ R1C2 (1-K).

Ecuația câștigului este similară cu un amplificator neinversător.

K = 1+ R3/R4

În mod similar, un filtru trece-înalt cu cheie Salen poate fi proiectat prin înlocuire condensatoare in locul rezistențe .

Cum funcționează un filtru Sallen Key?

Topologia Sallen–Key funcționează prin implementarea filtrelor active de ordinul doi pentru îmbunătățirea factorului Q al filtrului cu feedback pozitiv controlat. Această topologie este foarte simplă în comparație cu alte topologii de filtre active. Acesta este un design de filtru activ bazat pe un singur amplificator operațional fără inversare cu două rezistențe.

Avantajele filtrului Sallen-Key

Avantajele filtrului Sallen Key includ următoarele.

• Designul filtrului Sallen-Key este foarte simplu, incluzând un singur amplificator operațional și componente RC.
• Aceste filtre sunt capabile să crească tensiunea de ieșire mai mare decât tensiunea de intrare.
• Impedanța mare de intrare și ieșire scăzută face ca filtrele Sallen-Key să fie mult mai ușoară.
• Op-amp-ul din filtrul Sallen-Key ajută la cucerirea efectului componentei RC asupra caracteristicilor filtrului.
• Gama de frecvență a acestor filtre este largă.
• Op-amp-ul din acest filtru poate fi aranjat fie ca un amplificator non-inversător, fie ca un tampon de amplificare unitară.
• Aceste filtre au diferite etape și câștiguri diferite.
• Stabilitatea filtrului Sallen-Key este bună.
• Înțelegerea acestui design de filtru este simplă.
• Utilizarea a amplificator neinversător poate crește câștigul de tensiune.
• Atât filtrele de ordinul întâi, cât și cele de ordinul doi pot fi conectate cu ușurință împreună.
• Fiecare etapă RC poate include un câștig de tensiune diferit.

The dezavantajele filtrului Sallen Key includ următoarele.

• Filtrul Sallen-Key nu este ușor de reglat din cauza interacțiunii valorilor componentelor pe F0 și Q.
• Valoarea „Q” maximă scăzută poate fi obținută.
• Filtrul cheie Sallen este foarte sensibil la variațiile și toleranțele componentelor, ceea ce înseamnă că valorile reale ale rezistențelor și condensatoarelor vor fi diferite de valorile ideale și se pot schimba în cele din urmă din cauza diferiților factori precum îmbătrânirea, umiditatea și temperatura. Acest lucru poate afecta stabilitatea și precizia filtrului.
• Este susceptibil la distorsiuni și zgomot de la amplificator operațional . Deci, caracteristicile și calitatea amplificatorului operațional pot afecta performanța, precum și ieșirea filtrului cheie Sallen.
• În designul filtrului Sallen-key, câștigul de tensiune și factorul de mărire sunt strâns legate din cauza utilizării unui amplificator operațional în acest design.
• Aproape orice valoare a factorului de calitate mai mare de 0,5 poate fi realizată deoarece utilizând o configurație de amplificator operațional fără inversare, câștigul de tensiune va fi întotdeauna mai mare decât 1, dar trebuie să fie sub 3, altfel va deveni instabil.

Aplicații de filtrare Sallen-Key

Aplicațiile filtrului Sallen Key includ următoarele.

• Un filtru Sallen-Key este preferat, de obicei, ori de câte ori este necesar un factor Q mic, respingerea zgomotului este prioritizată, iar câștigul neinversător al etapei de filtru este necesar.
• Acest filtru este folosit ca bloc de bază pentru implementarea circuitelor de filtru de ordin superior, cum ar fi LPF, HPF și BPF circuite.
• Acest filtru poate fi utilizat pentru diferite aplicații în procesarea semnalului audio, cum ar fi controlul tonului, egalizarea, sinteza, modulare , și reducerea zgomotului.
• Acest filtru este utilizat pentru modularea/sinteza unui semnal audio prin simpla schimbare a factorului Q sau a frecvenței de tăiere în mod dinamic printr-un semnal suplimentar, cum ar fi un plic, o tensiune de control sau un oscilator.

Astfel, aceasta este o prezentare generală a filtrului Sallen-Key (topologia cheii Sallen) sau Filtrul Sallen și Key, care este unul dintre LPF-urile active de ordinul doi foarte populare care pot fi configurate ca LPS, HPS, BPS și BSF. Această topologie Sallen-Key ajută la implementarea diferitelor reglaje ale filtrelor, cum ar fi Butterworth, Chebyshev și Bessel. Acest filtru este similar cu VCVS (sursă de tensiune controlată de tensiune), inclusiv caracteristici ale filtrului cum ar fi; stabilitate bună, impedanță scăzută de ieșire și impedanță mare de intrare. Filtrul trece-jos Sallen-Key este folosit din mai multe motive, cum ar fi; design simplu, cascada de filtru, o gamă largă de frecvență, control al câștigului de tensiune, mai multe etape, design de filtru de ordin înalt, stabilitate și câștiguri diferite. Iată o întrebare pentru tine, care este funcția unui filtru trece-jos?