Apa yang salah dengan filter butterworth ini, bagaimana cara ditingkatkan?

8

Saya telah merancang filter pass rendah Butterworth urutan ke-6 dengan frekuensi terputus 20KHz menggunakan topologi Sallen Key (terima kasih Andy Aka). Filter berperilaku seperti yang diharapkan dengan frekuensi cut-off dan roll-off namun, beberapa urutan besarnya di atas frekuensi cut-off terjadi dengan respon frekuensi yang tidak saya harapkan.

Mengapa redaman mengurangi 110KHz dan kemudian menjadi stabil setelah 1MHz?

masukkan deskripsi gambar di sini

EDIT: Hari ini saya melakukan beberapa simulasi lagi. Saya menggunakan 2 opamp nonideal dan itu memberi saya hasil yang sama. Lalu saya menggunakan apa yang saya anggap sebagai op amp ideal di LTSpice. Simbol ini disebut "opamp" dan membutuhkan arahan rempah agar bisa digunakan. Hasilnya di bawah ini:

masukkan deskripsi gambar di sini

Saya awalnya berpikir bahwa opamp ideal tidak menderita masalah yang saya lihat dengan op amp nyata. Memang benar tidak. Namun, antara 0,6GHz dan 0,7GHz saya perhatikan perilaku aneh. Ini berbeda dari apa yang dilihat sebelumnya.

Saya telah menskalakan nilai dengan 10. Semua R dibagi 10 dan semua C dikalikan dengan 10.

masukkan deskripsi gambar di sini

Saya sekarang telah menskalakan nilai dengan 10 dengan cara lain, yaitu membuat resistor lebih besar.

masukkan deskripsi gambar di sini

Edit II:

Seperti yang diminta oleh Guru, saya sekarang memiliki lebih banyak grafik:

Plot dengan op amp ideal dengan penskalaan impedansi; hingga batas 10MHz. masukkan deskripsi gambar di sini

Plot dari sirkuit asli dengan RC tambahan di akhir: masukkan deskripsi gambar di sini

Plot dengan OP275 seperti yang dipersyaratkan oleh Guru: masukkan deskripsi gambar di sini

Akhirnya plot dari desain asli tetapi dengan buffer di loop umpan balik: masukkan deskripsi gambar di sini

quantum231
sumber
1
Anda mungkin menemukan bahwa filter urutan ke-7, yang dibentuk di atas ditambah RC pasif satu kutub memenuhi tujuan Anda dengan lebih baik. Tahap pasif menghilangkan ketergantungan pada impedansi keluaran opamp. Lagipula percobaan murah. (RC untuk -3dB sekitar 100-200kHz)
Brian Drummond
quantum231, untuk menjelaskan perilaku di app. 0.7GHz akan sangat membantu (a) untuk melihat deskripsi model opamp "ideal" (ada ketergantungan frekuensi?) Dan (b) untuk mengganti model ideal ini dengan sumber tegangan yang dikendalikan tegangan (VCVS) dengan aplikasi lagi. 1E5. Hasil simulasi yang berbeda?
LvW

Jawaban:

8

Saya khawatir, mengubah jenis opamp tidak akan membantu. Efek yang diamati (kurang redaman untuk frekuensi meningkat) adalah kelemahan khas dari topologi Sallen-Key lowpass .

Alasannya adalah sebagai berikut: Untuk frekuensi yang meningkat, sinyal keluaran "klasik" dari opamp berkurang (seperti yang diinginkan) - namun, pada saat yang sama ada sinyal yang tiba di keluaran melalui kapasitor umpan balik (sinyal mem-bypass opamp). Sinyal ini menghasilkan tegangan keluaran melintasi impedansi keluaran terbatas dari opamp (impedansi keluaran bahkan meningkat untuk frekuensi yang meningkat). Oleh karena itu, sinyal yang tidak diinginkan ini mendominasi frekuensi tinggi dan membatasi redaman pada nilai tetap.

Jika Anda membutuhkan lebih banyak redaman untuk frekuensi yang sangat besar satu-satunya solusi adalah dengan menggunakan topologi filter lain (Sallen-Key / negatif, MFB multi-umpan balik, GIC, ..).

Efek yang sama dapat diamati untuk integrator Miller pembalik klasik (kapasitor di jalur umpan balik).

EDIT / KOMENTAR : Tentu saja, efek yang tidak diinginkan ini dapat ditekan menggunakan penguat buffer lain dalam jalur umpan balik positif (mengarahkan kapasitor umpan balik). Namun, metode ini membutuhkan opamp lain.

EDIT2: Tergantung pada persyaratan redaman Anda - mungkin cukup untuk menggunakan topologi filter lain (MFB) untuk yang terakhir dari tiga tahap filter saja. Sebagai alternatif lain, Anda bisa menambahkan lowpass RC pasif dan dan tahap buffer setelah tahap filter ketiga.

EDIT3 : Ini adalah "trik" sederhana untuk meningkatkan atenuasi dari rangkaian filter yang ada di stop band: Memodifikasi tingkat impedansi dari bagian yang digunakan. Sebagai contoh: Tambah semua resistor dengan faktor k (misalnya: k = 10) dan kurangi semua kapasitor dengan faktor yang sama. Dengan demikian, semua konstanta waktu dan seluruh filter tetap tidak berubah, tetapi cara langsung ke keluaran opamp sekarang mengandung resistor yang lebih besar (R2, R4, R6) dan kapasitor yang lebih kecil. Ini akan mengurangi tegangan yang tersisa pada output untuk frekuensi yang sangat besar ke nilai aplikasi. ** r, out / (r, out + RX) ** dengan RX = R2, R4, R6, masing-masing.

LvW
sumber
Ok, saya minggu mencobanya ketika saya sampai di rumah. Saya punya pertanyaan lain. Filter low pass Sallen Key dianggap memiliki draw dari Q rendah. Tetapi filter Butterworth selalu memiliki Q sebesar 0,7071. Juga, persamaan Q untuk Sallen Key memiliki R1, R2, C1, C2 di dalamnya. Lalu mengapa orang mengatakan bahwa itu menderita Q rendah seolah-olah itu masalah? Tentu saja Q menjadi sangat penting untuk lintasan band dan takik
quantum231
1
Tidak - pada prinsipnya, Anda dapat menyadari setiap nilai-Q. Apa artinya "pada prinsipnya"? Jawaban: Anda harus membedakan antara beberapa alternatif Sallen-Key: Pendekatan unity-gain (desain Anda) membutuhkan rasio kapasitor yang relatif besar untuk nilai-Q yang tinggi. Itu saja dan ini - mungkin - kelemahan kecil. Situasi lebih baik untuk mendapatkan nilai "2" atau lebih besar. Komentar umum: Tidak mudah untuk memilih topologi filter tertentu dan alternatif tertentu (dengan topologi yang sama) untuk aplikasi tertentu. Itu selalu merupakan trade-off antara persyaratan yang saling bertentangan (nilai komponen, sensitivitas,.)
LvW
1
Saya suka ide untuk mengubah level impedansi, itu cara mudah untuk melihat bahwa itu adalah efek impedansi keluaran yang terbatas.
George Herold
6

Desain Sallen-Key standar mengasumsikan Anda menggunakan opamps sempurna.

Sebuah LM324 sangat lambat saat opamps pergi, saya terkejut itu menunjukkan filter berfungsi dengan baik.

Lakukan beberapa simulasi lagi, ubah jenis opamp yang Anda gunakan. Gunakan opamp yang lebih cepat, yang lebih lambat, dan yang sempurna. Saya tidak tahu LTSpice secara khusus, tetapi sebagian besar simulator memiliki opamp generik yang dapat Anda atur parameternya, atau gagal hanya karena blok sumber tegangan yang dapat Anda atur gain tinggi.

Apa yang terjadi adalah peningkatan fasa yang tidak berubah dari penguat mengubah respons ideal komponen filter.

Sebenarnya bukan ide yang baik untuk mencoba 'memprakarsai' desain Sallen-Key untuk mengimbangi kecepatan amplifier ke frekuensi masalah pada 1MHz di mana responsnya terangkat. Pertama, dengan nilai-nilai komponen dan amplifier ini, passband dan pita transisi benar. Kedua, batas bandwidth opamps tidak terkontrol dengan baik, jadi mungkin sedikit berbeda dengan setiap build baru.

Ada dua cara untuk meningkatkan respons filter. Yang pertama adalah menggunakan opamps yang lebih cepat. Namun, ini hanya cenderung meningkatkan masalah dalam frekuensi daripada menghilangkannya sama sekali. Menggunakan opamps lebih cepat dari yang Anda butuhkan juga menyebabkan masalah lain. Lambat opamps membuat Anda pergi dengan tata letak yang buruk atau decoupling, opamps cepat menghukum Anda dengan ketidakstabilan.

Cara kedua untuk menangani benjolan di stopband, jika pelemahan stopband yang terus menerus penting bagi Anda, adalah dengan menggunakan filter 'atap' pasif rendah, dalam kasus Anda memotong sekitar 300kHz.

EDIT dilakukan dengan baik untuk mengeksplorasi simulasi dengan pilihan penguat lainnya.

1) Dengan opamp yang ideal. Passband dan transisi band terlihat cukup ideal.

Apa itu kerutan kecil di 650MHz? Lihat amplitudo, di bawah garis -640dB. Sekarang menurut jumlah saya, real 64 bit kehabisan tenaga pada 16 angka desimal ~ 320dB. Saya akan berharap untuk melihat hanya sampah dan kebisingan di bawah -320dB. Tapi mungkin petunjuknya adalah fakta bahwa 640 = 2x 320. Apakah LTSpice menggunakan 128 bit real? Jika demikian, saya tidak akan percaya apa pun di bawah -640dB, sama seperti saat pemrograman, Anda tidak akan mengharapkan tes if (float == 0,0) bekerja secara konsisten.

Kebisingan termal berada pada level -174dBm. PA 1kW memiliki kekuatan + 60dBm. Itu rentang dinamis 234dB.

Jadi apa yang terjadi pada 650MHz? Spice tidak / tidak seharusnya memiliki presisi untuk mewakilinya, dan dunia audio tidak dapat mulai menggunakan rentang dinamis yang jelas itu. Saya pikir kita bisa mengabaikannya.

Ini menggambarkan kekuatan dan kelemahan menggunakan dB untuk sumbu y. Kekuatan - ini memungkinkan Anda untuk mewakili rentang dinamis kolosal secara kompak. Kelemahan - jika Anda tidak berhati-hati dan mengawasi apa yang dimaksud angka-angka tersebut, Anda dapat mengarahkan mata Anda ke beberapa detail yang tidak relevan dalam kebisingan.

2) Dengan meningkatnya level impedansi.

Tangkapan yang bagus dari LvW, dan analisisnya bahwa umpan maju dari kapasitor kecil langsung menuju ke output. Ini menunjukkan non-idealitas opamps lainnya, impedansi keluarannya yang terbatas. Hasil yang lebih baik dengan impedansi yang lebih tinggi menunjukkan bahwa ini adalah penyebab.

Di sini saya tidak setuju bahwa opamp yang lebih cepat tidak akan membantu. Biasanya impedansi keluaran opamp dipertahankan pada bandwidth yang lebih luas dengan opamp yang lebih cepat. Sementara kurva impedansi keluaran jarang disajikan untuk amplifier tipe LM324 frekuensi rendah, itu umum untuk amplifier kelas video, dan mereka cenderung datar ke beberapa frekuensi yang sangat rendah, kemudian mulai naik pada 6dB per oktaf, karena loop tertutup kehabisan gain .

Tentu saja opamp yang lebih cepat tidak menyembuhkan masalah, itu masih akan kehabisan output kaku pada beberapa frekuensi, tetapi itu akan mendorong masalah ke frekuensi yang lebih tinggi, yang membuatnya lebih mudah untuk menangani filter atap.

Brian mengambil poin bahwa filter pesanan aneh bermanfaat karena kutub asli. Ketika Anda melakukan bagian Sallen-Key urutan ke-3, ada bagian RC nyata pada input, yang akan memberikan redaman 6dB ke dalam stopband jauh, terlepas dari opamp.

Permintaan plot selanjutnya

a) plot pada grafik yang sama dari urutan ke-6 asli dan filter urutan ke-7 baru, menggunakan LM324 dengan komponen filter impedansi asli. Ini untuk melihat seberapa baik RC nyata meningkatkan lift 1MHz.

b) plot pada grafik yang sama kurva untuk LM324 dengan komponen impedansi lebih tinggi, dan kurva untuk opamp 'ideal', hanya sampai 10MHz. Ini untuk melihat berapa banyak yang masih dapat diperoleh dari opamp yang lebih baik, setelah melakukan peningkatan ke level impedansi.

c) amplifier 'pergi ke' saya untuk pekerjaan audio adalah OP275. LTSpice harus memiliki model untuk itu. Akan menarik untuk melihat LM324 vs OP275 dengan komponen impedansi asli pada grafik yang sama.

Sketsa tata letak - hanya untuk komunikasi karena saya tidak dapat memberikan sketsa dalam komentar, menggambarkan bagaimana Rs dan Cs dikonfigurasikan sebagai bagian urutan ketiga, dan bagaimana buffer mungkin dimasukkan ke dalam umpan balik (sesuatu yang saya tidak akan menyarankan untuk desain nyata , hanya untuk percobaan yang menarik)

skema

mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab

Neil_UK
sumber
1
Masalah dengan urutan ketiga Sallen Key Anda adalah bahwa kutub ke-3 akan menjadi kutub nyata, yang tidak akan cocok dengan kutub mana pun dalam filter Butterworth yang teratur.
The Photon
Juga, untuk OP, ingatlah bahwa bahkan setelah Anda menemukan op-amp yang lebih cepat, Anda perlu khawatir tentang parasitics ... pada beberapa frekuensi resistor Anda akan berubah menjadi kapasitor, kapasitor Anda akan berubah menjadi induktor, dll. Jika Anda memerlukan filter untuk bekerja lebih dari mungkin 3 dekade di atas cut-off, Anda perlu mencari tahu apa parasitics utama Anda dan memasukkannya ke dalam model Anda.
The Photon
Ada enam kutub, semuanya kompleks. Ini seharusnya digunakan untuk sinyal audio.
quantum231
1
Perilaku yang diamati adalah efek sistematis yang tipikal untuk struktur kunci rendah lowpass. Ini tidak ada hubungannya dengan laju perubahan tegangan atau efek parasit lainnya. Ini adalah harga yang harus dibayar untuk kesederhanaan satu tahap filter urutan kedua yang hanya membutuhkan 4 bagian. Efek ter menghilang untuk model simulasi ideal (impedansi keluaran nol).
LvW
1
Redaman tahap filter yang ada dapat ditingkatkan dengan memodifikasi level impedansi, lihat jawaban terperinci saya.
LvW