Активные фильтры нижних частот - хорошо для каких частот?

Приложение E «Искусство электроники», 3-е издание (фильтры LC Butterworth) начинается с того, что « активные фильтры удобны на низких частотах, но нецелесообразны на высоких частотах ». Они говорят и говорят, что « на частотах 100 кГц и выше лучший подход - это пассивные LC-фильтры » (перефразированный в обоих случаях).

Мой первый вопрос: правда? Просто 100 кГц уже слишком высоко для активных фильтров, чтобы быть практичными?

Я понимаю, что операционные усилители с высокой пропускной способностью и высокой скоростью нарастания могут быть дорогостоящими, что делает их «непрактичными» в общем случае - однако, низкочастотный LC-фильтр с, скажем, частотой среза 1 МГц, топологией T с 1 кОм нагрузка в конечном итоге требует индукторов порядка сотен мкГн - если мне нужно избежать искажений (насыщения магнитного сердечника и гистерезиса), индуктор с воздушным сердечником в этом диапазоне делает все это довольно непрактичным.

Вопрос 2: будет ли частота отсечки, скажем, менее 10 МГц слишком высокой для фильтра низких частот второго порядка Sallen-Key?

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

Анализируя его с точки зрения идеального случая (при условии, что операционный усилитель всегда находится в линейном режиме), на все три вывода операционного усилителя будет распространяться выходной сигнал нижних частот - с частотой среза <10 МГц, которая, безусловно, не является проблема (ни пропускная способность, ни скорость нарастания). Входная емкость не должна быть большой проблемой - с R порядка 1 кОм, конденсаторы имеют порядок от нескольких десятков пФ до нескольких сотен пф - достаточно высоко, чтобы сделать вход операционного усилителя емкость пренебрежимо мала.

Есть ли другие практические вопросы, которые я пропускаю? Реалистичен ли я, если мне нужен такой активный фильтр с частотой среза порядка нескольких МГц? (цены не проблема - если мне нужен операционный усилитель в диапазоне 10 или 20 долларов, это нормально)

Я считаю, что ваш анализ будет хорошим. Я сделал фильтры 4-го порядка с ключом Sallen Key, которые срезают около 3 МГц, абсолютно не беспокоясь о производительности. Я не вижу, что 10 МГц недостижимо.

Все дело в выборе операционного усилителя. Для ступени с единичным усилением легко определить, где усиление начинает падать ниже (скажем) 0,99, и считать это предельной частотой. С другой стороны, выходной импеданс операционного усилителя обычно ухудшается по мере того, как он входит в области МГц, поэтому вы должны быть уверены, что он может выдавать пиковый ток без ограничения или слишком слабого тока.

Вы также должны учитывать ограничения скорости нарастания, но, насколько я знаю, это все.

Вполне возможно, что The Art of Electronics, 3rd Editionне делали никаких обновлений в этом разделе, так как он впервые появился в 1980 году.

Мой первый вопрос: правда? Просто 100 кГц уже слишком высоко для активных фильтров, чтобы быть практичными?

Нет, 100 кГц это ничего, но все зависит от операционного усилителя. В какой-то момент продукт Gain Bandwidth Product может вызвать проблемы. Если у вас был операционный усилитель с полосой пропускания 1 МГц или 10 МГц (что могло быть типичным во время первого выпуска AofE, возможно, они не обновляли это, я думаю, поэтому я бы сравнил редакции), тогда 100 кГц не звучит слишком неразумно, потому что вы получите только одну или две величины фильтрации, и тогда полоса пропускания упадет ниже единичного усиления. Тогда ваш фильтр нижних частот больше похож на полосовой.

Есть ли другие практические вопросы, которые я пропускаю? Реалистичен ли я, если мне нужен такой активный фильтр с частотой среза порядка нескольких МГц? (цены не проблема - если мне нужен операционный усилитель в диапазоне 10 или 20 долларов, это нормально)

Если вам действительно нужна фильтрация за 50 МГц, тогда необходимо смоделировать паразитные параметры, поскольку ESR и ESL в конденсаторах начнут влиять на полюса фильтра и создавать свои собственные полюса фильтра на высоких частотах. Используйте пакет специй, если это возможно. Убедитесь, что GBWP достаточно высок, в наши дни несложно приобрести операционные усилители, работающие в диапазоне + 100 МГц.

Основная проблема с топологией Sallen Key на высокой частоте заключается в том, что выходной импеданс операционных усилителей возрастает, поэтому он не может управлять прямой связью входного сигнала через конденсатор 2C, разрушая полосу пропускания.

TI имеет дизайн приложения с тактовой частотой 10 МГц. Он основан на недорогом операционном усилителе THS4001 270 МГц -3 дБ.

Операционные усилители имеют выходной импеданс разомкнутого контура намного выше, чем ваш генератор сигналов 50 Ом. Это делает их устойчивыми с их защитой от короткого замыкания. Чем выше значение GBW, тем ниже значение Zout = Zoc / GBW. ESL макета (0,5 нГн / мм) и паразитная емкость должны быть минимизированы.

С 150 МГц GBW вы можете использовать 1K R с 5 пф, 10 пФ.

Я не читал их дизайн.

http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/sloa032/sloa032.pdf

Чтобы спроектировать любой фильтр, вы должны рассмотреть эти спецификации в первую очередь;

Source impedance \$Z_S(f)\$   
Load Impedance \$Z_L(f)\$   
Gain   -3 dB passband \$f_p\$    
Loss   @ \$f_s\$stop band edge   e.g. \$  ~-dB~ @ ~2*f_p, 10*f_p\$    
 ..  or order of filter    
% load regulation error = % Output/Load impedance ratio ( for low % )    
Phase shift in passband, group delay  
Noise, supply power  
Output swing and slew rate limit