Sallen-Key-Filter: Schaltung, Funktionsweise, Vorteile, Nachteile und seine Anwendungen

Filter spielen im Kommunikationsbereich eine Schlüsselrolle, da sie Rauschen entfernen und zur Optimierung der Leistung beitragen. Die Anwendungen von Filtern in Telekommunikationssystemen variieren von Hochfrequenz bis hin zu sehr Niederfrequenz. Die Auswahl von Kanälen innerhalb von Telefondiensten ist eine Hauptaufgabe für Hochfrequenz-BPFs; während die Datenerfassung von Anti-Aliasing-LPFs abhängt. Für die Leistung der Tiefpassfilter Schaltung und aktivem Tiefpassfilter ist es sehr wichtig, die Grenzfrequenz der Schaltung und die Hochfrequenzleistung zu kennen, um aktive Filter, passive Tiefpassfilter und RC-Tiefpassfilter zu entwerfen. Tiefpassfilter, die einfach mit aktiven und passiven Komponenten identifiziert werden, werden als aktive Tiefpassfilter bezeichnet. Dieser Artikel enthält kurze Informationen zum Sallen-Key-Filter, zur Schaltung und seinen Anwendungen.

Was ist der Sallen-Key-Filter?

Die beliebteste aktive analoge Filtertopologie zweiter Ordnung ist ein Sallen-Key-Filter, der auch als Spannungssteuerspannungsquelle bezeichnet wird. Diese sind sehr beliebt, da ihre Konfiguration zeigt, dass sie nicht sehr stark von der Leistung des Operationsverstärkers abhängt. Dies liegt vor allem daran, dass Operationsverstärker ist als Verstärker geschaltet, was die Anforderungen an die Verstärkungsbandbreite des Operationsverstärkers reduziert. Der Sallen-Key-Filter verfügt über eine geringe Komponentenstreuung, eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz, wodurch verschiedene Filter ohne Zwischenpuffer angeschlossen werden können.

Sallen-Key-Filterschaltung

Ein Sallen-Key-Filter ist eine elektronische Schaltung, die dazu dient, unnötige Frequenzen aus einem Audiosignal herauszufiltern. Diese Schaltung besteht einfach aus zwei Widerständen, einem Operationsverstärker und zwei Kondensatoren, die eine Rückkopplungsschleife bilden. Basierend auf den Werten der Komponenten kann diese Schaltung als Tiefpassfilter fungieren Hochpassfilter . Nachfolgend wird die Sallen-Key-Tiefpassfilterschaltung erläutert.

Sallen Key Tiefpassfilter

Beim Sallen-Key LPF kann durch die richtige Auswahl der RC-Komponenten eine bessere Filterleistung erreicht werden. Die Hauptmerkmale dieses Filters sind: Spannungsverstärkung und Spannungsverstärkungsregelung mit stabilem Filterbetrieb. Das schematische Diagramm des Sallen-Key-Tiefpassfilters für die Einheitsverstärkung ist unten dargestellt. Diese Schaltung verfügt über zwei RC-Filterabschnitte, die praktisch in Reihe geschaltet sind. Bei der ersten Stufe wird der Kondensator jedoch über den Ausgang gebootstrappt.

Die allgemeine Übertragungsfunktion (T.F) für ein LPS zweiter Ordnung ist

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

Wo:

„K“ ist der Verstärkungsfaktor,

„ω0“ ist die charakteristische Frequenz im Bogenmaß/s.

„Q“ ist der Qualitätsfaktor.

S = jω.

Die Übertragungsfunktion des Sallen-Key-Tiefpassfilters 2. Ordnung kann in der gleichen Form wie die obige allgemeine Gleichung geschrieben werden.

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

Indem wir die beiden obigen Gleichungen gleichsetzen, können wir die Gleichungen für die Grenzfrequenz und den Qualitätsfaktor erhalten.

Die Grenzfrequenz der Sallen-Schlüsselfiltergleichung beträgt fc = 1/2π√ R1R2 C1C2.

Der Q-Faktor des Sallen-Schlüsselfilters „Q“ beträgt √R1R2 C1C2/ R1C1+R2C1+ R1C2 (1-K).

Die Verstärkungsgleichung ähnelt einem nichtinvertierenden Verstärker.

K = 1+ R3/R4

In ähnlicher Weise kann durch Ersetzen ein Hochpassfilter mit Sallen-Taste entworfen werden Kondensatoren anstelle von Widerstände .

Wie funktioniert ein Sallen-Key-Filter?

Die Sallen-Key-Topologie funktioniert durch die Implementierung aktiver Filter zweiter Ordnung zur Verbesserung des Q-Faktors des Filters mit kontrollierter positiver Rückkopplung. Diese Topologie ist im Vergleich zu anderen aktiven Filtertopologien sehr einfach. Dies ist ein aktives Filterdesign, das auf einem einzelnen nichtinvertierenden Operationsverstärker mit zwei Widerständen basiert.

Vorteile des Sallen-Key-Filters

Zu den Vorteilen des Sallen Key Filters gehören die folgenden.

• Das Design des Sallen-Key-Filters ist sehr einfach und umfasst einzelne Operationsverstärker und RC-Komponenten.
• Diese Filter sind in der Lage, die Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung zu erhöhen.
• Die hohe Eingangs- und niedrige Ausgangsimpedanz erleichtert die Kaskadierung der Sallen-Key-Filter erheblich.
• Der Operationsverstärker im Sallen-Key-Filter hilft dabei, den Einfluss der RC-Komponente auf die Filtereigenschaften zu überwinden.
• Der Frequenzbereich dieser Filter ist breit.
• Der Operationsverstärker in diesem Filter kann entweder als nichtinvertierender Verstärker oder als Puffer mit Einheitsverstärkung angeordnet werden.
• Diese Filter haben verschiedene Stufen und unterschiedliche Verstärkungen.
• Die Stabilität des Sallen-Key-Filters ist gut.
• Das Verständnis dieses Filterdesigns ist einfach.
• Die Nutzung von a nichtinvertierender Verstärker kann die Spannungsverstärkung erhöhen.
• Sowohl die Filter erster als auch zweiter Ordnung können problemlos miteinander kaskadiert werden.
• Jede RC-Stufe kann eine andere Spannungsverstärkung enthalten.

Der Nachteile des Sallen Key Filters das Folgende einschließen.

• Der Sallen-Key-Filter lässt sich aufgrund der Wechselwirkung der Komponentenwerte von F0 und Q nicht einfach anpassen.
• Der niedrige maximale „Q“-Wert ist erreichbar.
• Der Sallen-Schlüsselfilter reagiert sehr empfindlich auf Komponentenschwankungen und -toleranzen, was bedeutet, dass die tatsächlichen Widerstands- und Kondensatorwerte von den Idealwerten abweichen und sich aufgrund verschiedener Faktoren wie Alterung, Feuchtigkeit und Temperatur schließlich ändern können. Dies kann die Stabilität und Genauigkeit des Filters beeinträchtigen.
• Es ist anfällig für Verzerrungen und Rauschen Operationsverstärker . Daher können die Eigenschaften und die Qualität des Operationsverstärkers sowohl die Leistung als auch die Ausgabe des Sallen-Key-Filters beeinflussen.
• Beim Design des Sallen-Key-Filters hängen Spannungsverstärkung und Vergrößerungsfaktor eng zusammen, da in diesem Design ein Operationsverstärker verwendet wird.
• Fast jeder Qualitätsfaktorwert größer als 0,5 kann realisiert werden, da bei Verwendung einer Konfiguration mit nicht invertierendem Operationsverstärker die Spannungsverstärkung immer größer als 1 ist, aber unter 3 liegen muss, sonst wird sie instabil.

Sallen-Key-Filteranwendungen

Zu den Anwendungen des Sallen-Schlüsselfilters gehören die folgenden.

• Ein Sallen-Key-Filter wird in der Regel immer dann bevorzugt, wenn ein kleiner Q-Faktor erforderlich ist, die Rauschunterdrückung Vorrang hat und die nichtinvertierende Verstärkung der Filterstufe erforderlich ist.
• Dieser Filter wird als Grundbaustein zur Implementierung von Filterschaltungen höherer Ordnung wie LPF, HPF usw. verwendet BPF Schaltkreise.
• Dieser Filter kann für verschiedene Anwendungen innerhalb der Audiosignalverarbeitung wie Klangregelung, Entzerrung, Synthese usw. verwendet werden. Modulation und Geräuschreduzierung.
• Dieser Filter wird zur Modulation/Synthetisierung eines Audiosignals verwendet, indem einfach der Q-Faktor oder die Grenzfrequenz dynamisch durch ein zusätzliches Signal wie eine Hüllkurve, eine Steuerspannung oder einen Oszillator geändert wird.

Das ist also so eine Übersicht über den Sallen-Key-Filter (Sallen-Key-Topologie) oder der Sallen- und Key-Filter, einer der sehr beliebten aktiven LPFs zweiter Ordnung, der als LPS, HPS, BPS und BSF konfiguriert werden kann. Diese Sallen-Key-Topologie hilft bei der Implementierung verschiedener Filterabstimmungen wie Butterworth, Chebyshev und Bessel. Dieser Filter ähnelt VCVS (spannungsgesteuerte Spannungsquelle) und umfasst Filtereigenschaften wie: gute Stabilität, niedrige Ausgangsimpedanz und hohe Eingangsimpedanz. Der Sallen-Key-Tiefpassfilter wird aus vielen Gründen verwendet, z. Einfaches Design, Filterkaskadierung, großer Frequenzbereich, Spannungsverstärkungsregelung, mehrere Stufen, Filterdesign höherer Ordnung, Stabilität und unterschiedliche Verstärkungen. Hier ist eine Frage an Sie: Welche Funktion hat ein Tiefpassfilter?