В чем преимущество фильтра Sallen-Key по сравнению с обычным фильтром второго порядка?

Википедия ссылается на фильтр Sallen-Key в качестве активного нижнего прохода, поэтому я попробовал его с LTSpice.

Частотная характеристика и фазовая характеристика не являются линейными, вместо этого частотная характеристика даже становится выше после 10 кГц. Почему, и почему я бы использовал фильтр Sallen-Key вместо «нормального» фильтра нижних частот?

Ключ Sallen находится на синей линии.

То, что вы называете «нормальным», представляет собой простой двухступенчатый RC-фильтр с очень плохой селективностью (только два реальных полюса). В отличие. топология Sallen-Key способна создавать низкочастотный отклик второго порядка с гораздо лучшей избирательностью (более высокий полюс Qp) и различными возможными приближениями (Баттерворт, Чебышев, Томсон-Бессель, ...).

Тем не менее, есть один большой недостаток структуры Sallen-Key - по сравнению с другими активными топологиями фильтров (множественная обратная связь, GIC-фильтры, переменная состояния, ...): есть прямой путь (в вашем примере: C4 ) от входной сети до выхода операционного усилителя.

Это означает: для частот, намного превышающих частоту среза, выходное напряжение операционного усилителя - по желанию - очень низкое. Однако есть сигнал, поступающий непосредственно через канал C4, который создает выходной сигнал при конечном выходном сопротивлении операционного усилителя. И это сопротивление увеличивается с частотой!

Как следствие, характеристика демпфирования этого фильтра не так хороша, как должна / могла бы быть. И это то, что вы наблюдали: величина показывает возрастающую характеристику для больших частот. (Это нежелательное ухудшение демпфирования не вызвано ограничениями продукта с полосой усиления).

Улучшение: Ситуацию можно улучшить, масштабируя значения деталей: меньшие конденсаторы и большие значения резисторов.

Комментарий 1 : Это нежелательное свойство любой схемы операционного усилителя с конденсатором обратной связи (между выходной и входной цепями) можно наблюдать и для классического интегратора MILLER.

Комментарий 2: Итак, есть ли какие-либо преимущества у фильтров Sallen-Key по сравнению с другими активными структурами фильтров? Да это так. Давайте сравним две наиболее часто используемые топологии:

(1) Sallen-Key имеет очень низкие показатели «активной чувствительности» (чувствительность к неидеальности операционного усилителя) и довольно высокие показатели «пассивной чувствительности» (чувствительность к пассивным допускам).

(2) Фильтры множественной обратной связи (MF): высокие показатели «активной чувствительности» и низкой «пассивной чувствительности».

Обе чувствительности являются довольно важными свойствами всех фильтров, поскольку они определяют отклонения между желаемым и фактическим откликом фильтра (в условиях IDEAL все типы фильтров будут иметь одинаковые рабочие характеристики).

На очень высоких частотах, таких как UnityGainBandWidth, операционный усилитель потерял контроль над своим Vout. Обратите внимание, что этот инвертирующий однополюсный низкочастотный сигнал имеет НЕВЕРТИРУЮЩУЮ реакцию на быстрые входные импульсы. Cfeedback позволяет входному заряду появляться непосредственно на выходе.

Вот схема и параметры OpAmp:

Единственная причина, по которой BODE (2-й снимок экрана) имеет ослабление на более высоких частотах, - это «CL» 15 пФ, образующий LowPass с двумя резисторами в VirtualGround. [Если вы хотите лучшего затухания в высоких частотах, установите крышку 470 пФ на землю в середине 2 входных резисторов.]

Вам будет весело, отредактировав ROUT усилителей. И включив этот конденсатор входного фильтра. И редактирование этого 15pF Cload.

Этот пример является одним из тех, которые ПОСТРОЕНЫ (не требуются знания SPICE) для Signal Wave Explorer, которые можно бесплатно загрузить с robustcircuitdesign.com в течение 19 уникальных дней использования.

А Уолт Юнг из Analog Devices обсуждал эту слабость LPF несколько десятилетий назад.

Вот пример MEASURED Zout операционного усилителя (около 500 МГц, выглядит как 10 пФ. 31 Ом) для режимов Active и ShutDown:

Вы можете выбрать одну из многих конфигураций в зависимости от ваших характеристик для групповой задержки, Q, пульсаций полосы пропускания, затухания полосы, крутизны юбки.

Как Sallen-Key, так и Multiple Feedback могут достичь одинаковых результатов.

Смотри ниже.

Оба могут достичь высокого усиления, ограниченного GBW выбранного вами OP.

Это программное обеспечение TI может спроектировать любой активный фильтр и позволяет выбрать любую конфигурацию и выбрать допуски резистора, которые выбирают подходящее значение. Он не позволяет вам указать входное сопротивление, поэтому вы можете масштабировать все значения RC, чтобы соответствовать этому.

Я выбрал ответ Бесселя, поэтому групповая задержка не изменилась.

добавленной

Из другого ответа, который выставляет ограничение Op Amp BW, где выходное сопротивление разомкнутого контура или ограничение тока любого Op Amp (Rail-to Rail типы намного хуже), я предлагаю, чтобы фильтр Sallen-Keys был хуже для ослабления выше BW операционного усилителя и того, что затухание высокочастотного (> GBW) разомкнутого контура зависит от отношения импеданса входа / выхода выше порогового значения GBW, где уменьшение отрицательной обратной связи на Zout не влияет из-за отсутствия усиления.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}