ตัวกรอง Sallen-Key: วงจร การทำงาน ข้อดี ข้อเสีย และการใช้งาน

ตัวกรองมีบทบาทสำคัญในด้านการสื่อสารเนื่องจากจะขจัดเสียงรบกวนและช่วยในการเพิ่มประสิทธิภาพ การใช้งานตัวกรองภายในระบบโทรคมนาคมจะแตกต่างกันไปตั้งแต่ความถี่สูงไปจนถึงความถี่ต่ำมาก การเลือกช่องสัญญาณภายในบริการโทรศัพท์เป็นงานหลักสำหรับ BPF ความถี่สูง ในขณะที่การรับข้อมูลขึ้นอยู่กับการต่อต้านนามแฝง LPF สำหรับการปฏิบัติงานของ กรองผ่านต่ำ วงจรและฟิลเตอร์กรองความถี่ต่ำแบบแอคทีฟ เป็นสิ่งสำคัญมากที่จะต้องทราบความถี่คัตออฟของวงจรและประสิทธิภาพความถี่สูงสำหรับการออกแบบฟิลเตอร์แบบแอคทีฟ ฟิลเตอร์กรองความถี่ต่ำแบบพาสซีฟ และฟิลเตอร์กรองความถี่ต่ำผ่าน RC ตัวกรองความถี่ต่ำผ่านซึ่งระบุได้ง่ายด้วยส่วนประกอบแบบแอคทีฟและพาสซีฟเรียกว่าตัวกรองความถี่ต่ำผ่านแบบแอคทีฟ บทความนี้ให้ข้อมูลโดยย่อเกี่ยวกับตัวกรอง Sallen-Key วงจร และการใช้งาน

ตัวกรอง Sallen-Key คืออะไร

โทโพโลยีตัวกรองอะนาล็อกลำดับที่สองที่ได้รับความนิยมมากที่สุดคือ Sallen Key Filter ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าควบคุมแรงดันไฟฟ้า สิ่งเหล่านี้ได้รับความนิยมอย่างมากเนื่องจากการกำหนดค่าจะแสดงให้เห็นว่าไม่ได้ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของออปแอมป์มากนัก ทั้งนี้สาเหตุหลักมาจากการที่ เครื่องขยายเสียงในการดำเนินงาน เชื่อมต่อเป็นเครื่องขยายเสียงซึ่งจะช่วยลดความต้องการแบนด์วิธเกนของเครื่องขยายเสียงในการดำเนินงาน ตัวกรอง Sallen-Key มีการกระจายองค์ประกอบต่ำ อิมพีแดนซ์อินพุตสูง และอิมพีแดนซ์เอาต์พุตต่ำ ซึ่งช่วยให้สามารถเชื่อมต่อตัวกรองต่างๆ ได้โดยไม่ต้องมีบัฟเฟอร์ตัวกลาง

วงจรกรองคีย์ Sallen

ตัวกรองคีย์ Sallen คือวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ที่ใช้ในการกรองความถี่ที่ไม่จำเป็นออกจากสัญญาณเสียง วงจรนี้ได้รับการออกแบบอย่างเรียบง่ายด้วยตัวต้านทานสองตัว ได้แก่ ออปแอมป์หนึ่งตัว และตัวเก็บประจุสองตัวซึ่งสร้างวงจรป้อนกลับ ขึ้นอยู่กับค่าของส่วนประกอบ วงจรนี้สามารถทำหน้าที่เป็นตัวกรองความถี่ต่ำผ่านและ a ตัวกรองผ่านสูง . ที่นี่วงจรกรองความถี่ต่ำผ่านคีย์ Sallen มีการกล่าวถึงด้านล่าง

ตัวกรองความถี่ต่ำผ่าน Sallen Key

ใน Sallen-Key LPF ประสิทธิภาพของตัวกรองที่ดีขึ้นสามารถทำได้โดยการเลือกส่วนประกอบ RC อย่างเหมาะสม คุณสมบัติหลักของตัวกรองนี้คือ การขยายแรงดันไฟฟ้าและการควบคุมแรงดันไฟฟ้าด้วยการทำงานของตัวกรองที่เสถียร แผนผังไดอะแกรมตัวกรองความถี่ต่ำผ่าน Sallen Key สำหรับอัตราขยายแบบเอกภาพแสดงอยู่ด้านล่าง วงจรนี้มีส่วนตัวกรอง RC สองส่วนในอนุกรมอย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม เมื่อตัวเก็บประจุขั้นแรกถูกบู๊ตผ่านเอาท์พุต

ฟังก์ชันถ่ายโอนทั่วไป (T.F) สำหรับ LPS ลำดับที่สองคือ

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

ที่ไหน:

'K' คือปัจจัยกำไร

'ω0' คือความถี่ลักษณะเฉพาะภายในเรเดียน/วินาที

'Q' คือปัจจัยด้านคุณภาพ

ส = จω.

ฟังก์ชันถ่ายโอนตัวกรองผ่านความถี่ต่ำ Sallen-Key ลำดับที่ 2 สามารถเขียนได้ในรูปแบบเดียวกับสมการทั่วไปข้างต้น

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

เมื่อเทียบสมการทั้งสองข้างต้น เราจะได้สมการความถี่คัตออฟและตัวประกอบคุณภาพ

ความถี่คัตออฟของสมการตัวกรองคีย์ Sallen คือ fc = 1/2π√ R1R2 C1C2

ปัจจัย Q ของตัวกรอง Sallen Key 'Q' คือ √R1R2 C1C2/ R1C1+R2C1+ R1C2 (1-K)

สมการเกนจะคล้ายกับแอมพลิฟายเออร์ที่ไม่กลับด้าน

K = 1+ R3/R4

ในทำนองเดียวกัน ตัวกรองความถี่สูงผ่านคีย์แซลเลนสามารถออกแบบได้โดยการเปลี่ยน ตัวเก็บประจุ แทนที่ ตัวต้านทาน .

ตัวกรอง Sallen Key ทำงานอย่างไร

โทโพโลยี Sallen–Key ทำงานโดยการใช้ตัวกรองที่ใช้งานอยู่ในลำดับที่สองเพื่อเพิ่มปัจจัย Q ของตัวกรองด้วยผลตอบรับเชิงบวกที่มีการควบคุม โทโพโลยีนี้เรียบง่ายมากเมื่อเทียบกับโทโพโลยีตัวกรองอื่นๆ ที่ใช้งานอยู่ นี่คือการออกแบบฟิลเตอร์แบบแอคทีฟโดยใช้ออปแอมป์ตัวเดียวที่ไม่กลับด้านพร้อมตัวต้านทานสองตัว

ข้อดีของตัวกรอง Sallen-Key

ข้อดีของตัวกรอง Sallen Key มีดังต่อไปนี้

• การออกแบบตัวกรอง Sallen-Key นั้นเรียบง่ายมาก รวมถึงส่วนประกอบ op-amp และ RC ตัวเดียว
• ตัวกรองเหล่านี้สามารถเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขาออกให้สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าได้
• อินพุตสูงและอิมพีแดนซ์เอาต์พุตต่ำทำให้ตัวกรอง Sallen-Key เรียงซ้อนได้ง่ายขึ้นมาก
• op-amp ในฟิลเตอร์ Sallen-Key ช่วยในการพิชิตผลกระทบของส่วนประกอบ RC ต่อคุณลักษณะของฟิลเตอร์
• ช่วงความถี่ของตัวกรองเหล่านี้กว้าง
• ออปแอมป์ภายในตัวกรองนี้สามารถจัดเรียงเป็นแอมพลิฟายเออร์ที่ไม่กลับด้านหรือบัฟเฟอร์เกนแบบเอกภาพ
• ตัวกรองเหล่านี้มีขั้นตอนที่หลากหลายและมีกำไรที่แตกต่างกัน
• ความเสถียรของตัวกรอง Sallen-Key นั้นดี
• การทำความเข้าใจการออกแบบตัวกรองนี้เป็นเรื่องง่าย
• การใช้ประโยชน์จากก แอมพลิฟายเออร์ที่ไม่กลับด้าน สามารถเพิ่มแรงดันไฟฟ้าได้
• ตัวกรองทั้งลำดับที่หนึ่งและลำดับที่สองสามารถต่อเรียงกันได้อย่างง่ายดาย
• ทุกระยะ RC สามารถรวมแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับที่แตกต่างกันได้

ที่ ข้อเสียของตัวกรอง Sallen Key รวมสิ่งต่อไปนี้

• ตัวกรอง Sallen-Key ไม่สามารถปรับได้ง่ายเนื่องจากการโต้ตอบของค่าส่วนประกอบบน F0 & Q
• สามารถหาค่า 'Q' สูงสุดที่ต่ำได้
• ตัวกรองหลัก Sallen มีความไวต่อความแปรผันและความคลาดเคลื่อนของส่วนประกอบ ซึ่งหมายความว่าค่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุตามจริงจะแตกต่างจากค่าในอุดมคติ และสามารถเปลี่ยนได้ในที่สุดเนื่องจากปัจจัยที่แตกต่างกัน เช่น อายุ ความชื้น และอุณหภูมิ ซึ่งอาจส่งผลต่อความเสถียรและความแม่นยำของตัวกรอง
• อาจเกิดการบิดเบือนและเสียงรบกวนจาก เครื่องขยายเสียงในการดำเนินงาน . ดังนั้นคุณลักษณะและคุณภาพของแอมพลิฟายเออร์สำหรับการดำเนินงานอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพและเอาต์พุตของตัวกรองคีย์ Sallen
• ในการออกแบบตัวกรอง Sallen-key แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นและปัจจัยการขยายมีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิดเนื่องจากการใช้ op-amp ในการออกแบบนี้
• เกือบทุกค่าปัจจัยด้านคุณภาพที่มากกว่า 0.5 สามารถรับรู้ได้ เนื่องจากการใช้การกำหนดค่าของ op-amp ที่ไม่กลับด้าน แรงดันไฟฟ้าที่ได้รับจะมากกว่า 1 เสมอ แต่ต้องต่ำกว่า 3 ไม่เช่นนั้นจะทำให้ไม่เสถียร

การใช้งานตัวกรอง Sallen-Key

การใช้งานของ Sallen Key Filter มีดังต่อไปนี้

• โดยปกติแล้วจะแนะนำให้ใช้ตัวกรอง Sallen-Key เมื่อใดก็ตามที่จำเป็นต้องใช้ปัจจัย Q เล็กน้อย การปฏิเสธสัญญาณรบกวนจะถูกจัดลำดับความสำคัญ และจำเป็นต้องมีอัตราขยายแบบไม่กลับด้านของระยะตัวกรอง
• ตัวกรองนี้ใช้เป็นองค์ประกอบพื้นฐานที่ใช้ในการสร้างวงจรตัวกรองลำดับสูง เช่น LPF, HPF และ บีพีเอฟ วงจร
• ตัวกรองนี้สามารถใช้กับแอปพลิเคชันต่างๆ ภายในการประมวลผลสัญญาณเสียง เช่น การควบคุมโทนเสียง การปรับสมดุล การสังเคราะห์ การปรับ และลดเสียงรบกวน
• ตัวกรองนี้ใช้สำหรับมอดูเลต/สังเคราะห์สัญญาณเสียงโดยเพียงแค่เปลี่ยนปัจจัย Q หรือความถี่คัตออฟแบบไดนามิกผ่านสัญญาณเพิ่มเติม เช่น Envelope แรงดันไฟฟ้าควบคุม หรือออสซิลเลเตอร์

อย่างนี้นี่เอง ภาพรวมของตัวกรอง Sallen-Key (โทโพโลยีคีย์ Sallen) หรือตัวกรอง Sallen และ Key ซึ่งเป็นหนึ่งใน LPF ลำดับที่สองที่ใช้งานอยู่ซึ่งได้รับความนิยมอย่างมาก ซึ่งสามารถกำหนดค่าเป็น LPS, HPS, BPS และ BSF โทโพโลยี Sallen-Key นี้ช่วยในการปรับใช้การปรับแต่งตัวกรองต่างๆ เช่น Butterworth, Chebyshev และ Bessel ตัวกรองนี้คล้ายกับ VCVS (แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่ควบคุมแรงดันไฟฟ้า) รวมถึงคุณลักษณะของตัวกรองเช่น; เสถียรภาพที่ดี, ความต้านทานเอาต์พุตต่ำ & ความต้านทานอินพุตสูง ตัวกรองความถี่ต่ำผ่าน Sallen-Key ถูกใช้ด้วยเหตุผลหลายประการ เช่น; การออกแบบที่เรียบง่าย การเรียงซ้อนตัวกรอง ช่วงความถี่ที่หลากหลาย การควบคุมแรงดันไฟฟ้าเกน หลายขั้นตอน การออกแบบตัวกรองระดับสูง ความเสถียร และเกนที่แตกต่างกัน นี่คือคำถามสำหรับคุณ ฟังก์ชั่นของตัวกรองความถี่ต่ำผ่านคืออะไร?