Qual è il vantaggio di un filtro Sallen-Key rispetto a un normale filtro del secondo ordine?

Wikipedia si collega a un filtro Sallen-Key come passa basso attivo, quindi l'ho provato con LTSpice.

La risposta in frequenza e la risposta di fase non sono lineari, ma la risposta in frequenza aumenta anche dopo 10kHz. Perché e perché dovrei usare un filtro Sallen-Key invece di un filtro "passa basso" normale?

Il Sallen-Key è sulla linea blu.

Quello che tu chiami "normale" è un semplice filtro RC a due stadi con una selettività pessima (solo due poli reali). In contrasto. la topologia Sallen-Key è in grado di produrre una risposta passa-basso di secondo ordine con una selettività molto migliore (Qp del polo superiore) e varie possibili approssimazioni (Butterworth, Chebyshev, Thomson-Bessel, ...).

Tuttavia, c'è un grosso svantaggio della struttura Sallen-Key - se confrontata con altre topologie di filtri attivi (multi-feedback, filtri GIC, variabili di stato, ...): Esiste un percorso diretto (nel tuo esempio: C4 ) dalla rete di ingresso all'uscita opamp.

Ciò significa: per frequenze molto superiori alla frequenza di taglio, la tensione di uscita dall'opamp è - se lo si desidera - molto bassa. Tuttavia, vi è un segnale che passa direttamente attraverso il percorso C4 che crea un segnale di uscita alla resistenza di uscita finita dell'opamp. E questa resistenza aumenta con la frequenza!

Di conseguenza, le caratteristiche smorzanti di questo filtro non sono buone come dovrebbero / potrebbero essere. Ed è quello che hai osservato: la grandezza mostra una caratteristica crescente per le frequenze più grandi. (Questo indesiderato degrado dello smorzamento non è causato dalle limitazioni del prodotto della larghezza di banda del guadagno).

Miglioramento: la situazione può essere migliorata ridimensionando i valori delle parti: condensatori più piccoli e valori di resistenza più grandi.

Commento 1 : questa proprietà indesiderata di qualsiasi circuito opamp con un condensatore di feedback (tra i circuiti di uscita e di ingresso) può essere osservata anche per il classico integratore MILLER.

Commento 2: Quindi - ci sono dei vantaggi rispetto ai filtri Sallen-Key rispetto ad altre strutture di filtro attive? Si ci sono. Confrontiamo le due topologie più utilizzate:

(1) Sallen-Key ha cifre di "sensibilità attiva" molto basse (sensibilità contro non idealità di opamp) e cifre di "sensibilità passiva" piuttosto alte (sensibilità contro tolleranze passive).

(2) Filtri multi-feedback (MF): cifre ad alta "sensibilità attiva" e bassa "sensibilità passiva".

Entrambe le sensibilità sono proprietà piuttosto importanti di tutti i filtri perché determinano le deviazioni tra la risposta desiderata e quella effettiva del filtro (in condizioni IDEAL tutti i tipi di filtro avrebbero proprietà di prestazione identiche).

A frequenze molto alte, come più alte di UnityGainBandWidth, l'opamp ha perso il controllo del suo Vout. Notare come questo passa-basso unipolare invertito abbia una risposta NON INVERTENTE agli impulsi di ingresso veloci. Il Cfeedback consente alla carica in ingresso di apparire direttamente sull'uscita.

Ecco il circuito e i parametri di OpAmp:

L'unico motivo per cui BODE (seconda schermata) ha attenuazione alle frequenze più alte è 'CL' 15pF che forma LowPass con i 2 resistori in VirtualGround. [Se si desidera una migliore attenuazione della frequenza elevata, installare il cappuccio 470pF a terra al centro delle 2 resistenze di ingresso.]

Ti divertirai modificando ROUT degli Amplificatori. E abilitando quel condensatore del filtro di ingresso. E modificando quel Cload da 15pF.

Questo esempio è uno di quelli BUILTIN (nessuna conoscenza SPICE necessaria) a Signal Wave Explorer, scaricabile gratuitamente da robustcircuitdesign.com per 19 giorni unici di utilizzo.

E Walt Jung, di Analog Devices, ha discusso questa fragilità di LPF decenni fa.

Ecco un esempio di Zout MEASURED di un opamp (vicino a 500MHz, sembra 10pF. 31 Ohm), per le modalità Active e ShutDown:

Puoi scegliere tra molte configurazioni a seconda delle tue specifiche per ritardo di gruppo, Q, ondulazione del passa-banda, attenuazione del limite di banda, pendenza della gonna.

Sia Sallen-Key che Multiple Feedback possono ottenere gli stessi risultati.

vedi sotto.

Entrambi possono ottenere un elevato guadagno limitato dal GBW dell'OP scelto.

Questo software TI può progettare qualsiasi filtro attivo e consente di scegliere tra entrambe le configurazioni e scegliere tolleranze di resistenza che selezionano il valore appropriato. Non consente di specificare l'impedenza di ingresso in modo da poter ridimensionare tutti i valori RC per adattarli a questo.

Ho scelto la risposta di Bessel, quindi il ritardo del gruppo è piatto.

aggiunto

Dall'altra risposta che espone la limitazione di Op Amp BW in cui la resistenza di uscita ad anello aperto o il limite di corrente di qualsiasi Amp Op (tipi Rail-to Rail molto peggio), propongo che il filtro Sallen-Keys sia peggiore per l'attenuazione sopra il BW dell'amplificatore operazionale e che l'attenuazione ad alta frequenza ad anello aperto (> GBW) dipende dal rapporto di impedenza di ingresso / uscita al di sopra della soglia GBW in cui la riduzione del feedback negativo su Zout non ha alcun impatto a causa della mancanza di guadagno.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}