Филтър Sallen-Key: верига, работа, предимства, недостатъци и приложенията му

Филтрите играят ключова роля в областта на комуникацията, защото премахват шума и помагат за оптимизиране на производителността. Приложенията на филтри в рамките на телекомуникационните системи ще се различават от висока до много ниска честота. Изборът на канали в рамките на телефонните услуги е основна задача за високочестотните BPF; докато събирането на данни зависи от анти-алиасинг LPF. За изпълнението на нискочестотен филтър верига и активен нискочестотен филтър, много е важно да знаете граничната честота на веригата и високочестотната производителност за проектиране на активен филтър, пасивен нискочестотен филтър и RC нискочестотен филтър. Нискочестотните филтри, които се идентифицират просто с активни и пасивни компоненти, са известни като активни нискочестотни филтри. Тази статия предоставя кратка информация за филтъра Sallen-Key, веригата и нейните приложения.

Какво представлява филтърът Sallen-Key?

Най-популярната активна аналогова филтърна топология от втори ред е ключов филтър Sallen, който също се нарича източник на напрежение за контрол на напрежението. Те са много популярни, защото тяхната конфигурация ще покаже, че не зависи много от производителността на операционния усилвател. Това е главно защото операционен усилвател е свързан като усилвател, което намалява необходимостта от усилване и честотна лента на операционния усилвател. Филтърът Sallen-Key има ниско разпространение на компонентите, висок входен импеданс и нисък изходен импеданс, което позволява свързването на различни филтри без междинни буфери.

Филтърна верига Sallen Key

Ключовият филтър Sallen е електронна схема, използвана за филтриране на ненужни честоти от аудио сигнал. Тази схема е просто проектирана с два резистора, операционен усилвател и два кондензатора, които образуват верига за обратна връзка. Въз основа на стойностите на компонентите, тази верига може да действа като нискочестотен филтър и a високочестотен филтър . Тук веригата на нискочестотния филтър на Sallen е разгледана по-долу.

Нискочестотен филтър Sallen Key

В Sallen-Key LPF може да се постигне по-добра производителност на филтъра чрез правилно избиране на RC компонентите. Основните характеристики на този филтър са; усилване на напрежението и контрол на усилването на напрежението със стабилна работа на филтъра. Схематичната диаграма на нискочестотния филтър на Sallen Key за единичното усилване е показана по-долу. Тази схема има две RC филтърни секции ефективно последователно; но с първия етап кондензаторът се зарежда през изхода.

Общата трансферна функция (T.F) за LPS от втори ред е

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

Където:

„K“ е коефициентът на усилване,

„ω0“ е характеристичната честота в радиани/s.

„Q“ е качественият фактор.

S = jω.

Трансферната функция на нискочестотния филтър Sallen-Key от 2-ри ред може да бъде написана в същата форма като горното общо уравнение.

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

Като приравним горните две уравнения, можем да получим уравненията за граничната честота и фактора на качеството.

Граничната честота на уравнението на ключовия филтър на Sallen е fc = 1/2π√ R1R2 C1C2.

Q факторът на Sallen Key Filter ‘Q’ е √R1R2 C1C2/ R1C1+R2C1+ R1C2 (1-K).

Уравнението на усилването е подобно на неинвертиращ усилвател.

K = 1+ R3/R4

По подобен начин, високочестотен филтър със Сален ключ може да бъде проектиран чрез замяна кондензатори на мястото на резистори .

Как работи филтърът Sallen Key?

Топологията Sallen–Key работи чрез прилагане на активни филтри от втори ред за подобряване на Q фактора на филтъра с контролирана положителна обратна връзка. Тази топология е много проста в сравнение с други активни филтърни топологии. Това е дизайн на активен филтър, базиран на единичен неинвертиращ операционен усилвател с два резистора.

Предимства на филтъра Sallen-Key

Предимствата на Sallen Key Filter включват следното.

• Дизайнът на филтъра Sallen-Key е много прост, включващ единични операционни усилватели и RC компоненти.
• Тези филтри са в състояние да увеличат изходното напрежение по-високо от входното напрежение.
• Високият входен и нисък изходен импеданс прави каскадирането на филтрите Sallen-Key много по-лесно.
• Операционният усилвател във филтъра Sallen-Key подпомага завладяването на ефекта на RC компонента върху характеристиките на филтъра.
• Честотният диапазон на тези филтри е широк.
• Операционният усилвател в рамките на този филтър може да бъде подреден или като неинвертиращ усилвател, или като буфер с единично усилване.
• Тези филтри имат различни етапи и различни печалби.
• Стабилността на филтъра Sallen-Key е добра.
• Разбирането на този филтърен дизайн е лесно.
• Използването на a неинвертиращ усилвател може да увеличи усилването на напрежението.
• Филтрите, базирани на първи и втори ред, могат лесно да бъдат каскадно свързани заедно.
• Всяко RC ниво може да включва различно усилване на напрежението.

The недостатъци на Sallen Key Filter включват следното.

• Филтърът Sallen-Key не се настройва лесно поради взаимодействието на стойностите на компонентите на F0 & Q.
• Ниската максимална стойност „Q“ може да се получи.
• Ключовият филтър Sallen е много чувствителен към вариациите и допустимите отклонения на компонентите, което означава, че действителните стойности на резисторите и кондензаторите ще бъдат различни от идеалните стойности и те могат да се променят в крайна сметка поради различни фактори като стареене, влажност и температура. Това може да повлияе на стабилността и точността на филтъра.
• Той е податлив на изкривяване и шум от операционен усилвател . Така че характеристиките и качеството на операционния усилвател могат да повлияят на производителността, както и на изхода на ключовия филтър Sallen.
• В дизайна на филтъра Sallen-key, усилването на напрежението и коефициентът на увеличение са тясно свързани поради използването на операционен усилвател в този дизайн.
• Почти всяка стойност на качествен фактор, по-голяма от 0,5, може да бъде реализирана, тъй като при използване на конфигурация на неинвертиращ операционен усилвател, усилването на напрежението винаги ще бъде по-голямо от 1, но трябва да бъде под 3, или в противен случай ще стане нестабилно.

Приложения за филтриране на Sallen-Key

Приложенията на Sallen Key Filter включват следното.

• Филтър Sallen-Key обикновено се предпочита, когато се изисква малък Q фактор, отхвърлянето на шума е с приоритет и е необходимо неинвертиращо усилване на филтърния етап.
• Този филтър се използва като основен градивен елемент, използван за внедряване на филтърни вериги от по-висок порядък като LPF, HPF и БНФ вериги.
• Този филтър може да се използва за различни приложения в рамките на обработката на аудио сигнали като контрол на тона, изравняване, синтез, модулация , и намаляване на шума.
• Този филтър се използва за модулиране/синтезиране на аудио сигнал чрез просто динамична промяна на Q фактора или граничната честота чрез допълнителен сигнал като обвивка, управляващо напрежение или осцилатор.

По този начин, това е преглед на филтъра Sallen-Key (ключова топология Sallen) или филтър Sallen and Key, който е един от много популярните активни LPF от втори ред, който може да бъде конфигуриран като LPS, HPS, BPS и BSF. Тази топология на Sallen-Key помага при прилагането на различни настройки на филтъра като Butterworth, Chebyshev & Bessel. Този филтър е подобен на VCVS (източник на напрежение, управляван от напрежение), включително характеристики на филтъра като; добра стабилност, нисък изходен импеданс и висок входен импеданс. Нискочестотният филтър Sallen-Key се използва по много причини като; опростен дизайн, каскадно филтриране, широк диапазон от честоти, контрол на усилването на напрежението, множество етапи, дизайн на филтър от висок ред, стабилност и различни усилвания. Ето един въпрос към вас, каква е функцията на нискочестотен филтър?