Lavpassfilter: LPF ved bruk av Op-Amp og applikasjoner

Lavpassfilter: LPF ved bruk av Op-Amp og applikasjoner

Et filter kan defineres som det er en slags krets som brukes til å omforme, modifisere og ellers avvise alle uønskede frekvenser i et signal. Et ideelt RC-filter vil dele og tillate overføring av inngangssignaler (sinusformet) avhengig av frekvens. Vanligvis i lavfrekvente (<100 kHz) applications, passive filtre er konstruert ved hjelp av motstands- og kondensatorkomponenter. Så det er kjent som en passivt RC-filter . På samme måte kan passive filtre for høyfrekvente (> 100 kHz) signaler utformes med motstand-induktorkondensatorkomponenter. Så disse kretsene blir kalt passive RLC-kretser . Disse filtrene er såkalte basert på frekvensområdet til signalet som de lar passere dem. Det er vanligvis tre filterdesign som brukes som lavpassfilter, høypassfilter , og båndpassfilter . Denne artikkelen diskuterer en oversikt over lavpasfilteret.



Hva er et lavpassfilter?

De definisjon av lavpassfilter eller LPF er en type filter som brukes til å sende signaler med lav frekvens så vel som dempes med høy frekvens enn en foretrukket avskjæringsfrekvens. De lavpassfilterfrekvensrespons avhenger hovedsakelig av Lav passering filterdesign . Disse filtrene finnes i flere former og gir en jevnere type signal. Designerne vil ofte bruke disse filtrene som et prototypefilter med impedans så vel som enhetsbåndbredde.


Det foretrukne filteret er hentet fra prøven ved å balansere den foretrukne impedansen, og båndbredden, og endringene i den foretrukne båndtypen som low-pass (LPF), high-pass (HPF) , band-pass (BPSF) eller band-stop (BSF).





Første ordens lavpassfilter

En førsteordens LPF er vist i figuren. Hva er denne kretsen? En enkel integrator. Merk at integrator er den grunnleggende byggesteinen for LPF-er.

Første ordens lavpassfilter

Første ordens lavpassfilter



Anta Z1 = 1 / 𝑗⍵𝐶1

V1 = Vi * 𝑍1 / 𝑅1 + 𝑍1 = Vi (1 / 𝑗⍵𝐶1) / 𝑅1 + (1 / 𝑗⍵𝐶1)


= Vi 1 / 𝑗𝜔𝐶1𝑅1 + 1

= Vi 1 / 𝑠𝐶1𝑅1 + 1

Her s = j⍵

lavpassfilteroverføringsfunksjon er

𝑉1 / 𝑉𝑖 = 1 / 𝑠𝐶1𝑅1 + 1

Utgangen reduserer (dempes) omvendt som frekvensen. Hvis frekvens dobler, er utgangen halvparten (-6 dB for hver dobling av frekvensen ellers - 6 dB per oktav). Dette er en LPF av første ordre og avrullingen er på -6 dB per oktav.

Andre ordens lavpassfilter

De andre ordens lavpasfilter er vist i figuren.

Andre ordens lavpassfilter

Andre ordens lavpassfilter

Anta Z1 = 1 / 𝑗⍵𝐶1

V1 = Vi 𝑍1 / 𝑅1 + 𝑍1

Vi * (1 / 𝑗⍵𝐶1) / 𝑅1 + (1 / 𝑗⍵𝐶1)

Vi 1 / 𝑗𝜔𝐶1𝑅1 + 1

= Vi 1 / 𝑠𝐶1𝑅1 + 1

Her s = j⍵

Lavpassfilteroverføringsfunksjon

𝑉1 / 𝑉𝑖 = 1 / 𝑠𝐶1𝑅1 + 1

Anta Z2 = 1 / 𝑗⍵𝐶1

V1 = Vi 𝑍2 / 𝑅2 + 𝑍2

Vi*(1/𝑗⍵𝐶2)/𝑅2+(1/𝑗⍵𝐶2)

Vi 1 / 𝑗𝜔𝐶2𝑅2 + 1

= Vi 1 / 𝑠𝐶2𝑅2 + 1

Vi (1 / 𝑠𝐶1𝑅1 + 1) * (1 / 𝑠𝐶2𝑅2 + 1)

= 1 / (𝑠2𝑅1𝑅2𝐶1𝐶2 + 𝑠 (𝑅1𝐶1 + 𝑅2𝐶2) +1)

Derfor er overføringsfunksjonen en annenordens ligning.

𝑉𝑜 / 𝑉𝑖 = 1 / (𝑠2𝑅1𝑅2𝐶1𝐶2 + 𝑠 (𝑅1𝐶1 + 𝑅2𝐶2) +1)

Output reduserer (dempes) omvendt som frekvensenes kvadrat. Hvis frekvensen dobler, er utgang isc1 / 4th. (- 12 dB for hver dobling av frekvensen eller - 12 dB per oktav). Dette er et lavpassfilter av andre orden, og rullen er på -12 dB per oktav.

De lavpassfilter bode tomt er vist nedenfor. Generelt er frekvensresponsen til et lavpassfilter betegnet ved hjelp av et Bode-plot, og dette filteret skiller seg ut med sin avskjæringsfrekvens så vel som frekvensen for avrulling

Lavpassfilter ved bruk av Op Amp

Op-forsterkere eller operasjonelle forsterkere leverer svært effektive lavpass-filtre uten å bruke induktorer. Tilbakemeldingssløyfen til en op-amp kan innlemmes med de grunnleggende elementene i et filter, slik at LPF-ene med høy ytelse lett dannes ved å bruke de nødvendige komponentene bortsett fra induktorer. De applikasjoner av op-amp LPF brukes i forskjellige områder av strømforsyninger til utgangene fra DAC (digitale til analoge omformere) for å eliminere alias-signaler så vel som andre applikasjoner.

Første ordens aktive LPF-krets ved hjelp av Op-Amp

De kretsskjema av enkeltpolen eller første ordre aktivt lavpassfilter er vist nedenfor. Kretsen til lavpasfilter ved bruk av op-amp bruker en kondensator på tvers av tilbakemotstanden. Denne kretsen har en effekt når frekvensen øker for å forbedre tilbakemeldingsnivået, da faller kondensatorens reaktive impedans.

Førsteordens lavpassfilter ved bruk av forsterkere

Første ordens lavpassfilter ved bruk av op-amp

Beregningen av dette filteret kan gjøres ved å jobbe med frekvensen der kondensatorreaktansen kan være lik motstanden til motstanden. Dette kan oppnås ved å bruke følgende formel.

Xc = 1 / π f C

Der ‘Xc’ er den kapasitive reaktansen i ohm

‘Π’ er standardbokstaven og verdien av denne er 3.412

‘F’ er frekvensen (Enheter-Hz)

‘C’ er kapasitansen (Units-Farads)

In-band forsterkningen til disse kretsene kan beregnes på en enkel måte ved å eliminere kondensatorens effekt.

Siden disse kretsene er nyttige for å gi en reduksjon innen forsterkning ved høye frekvenser, så vel som gir den ultimate hastigheten for avrulling på 6 dB for hver oktav, noe som betyr at o / p-spenningen deler seg for hver repetisjon i frekvens. Så, denne typen filter er oppkalt som førsteordens eller enkeltpolig lavpasfilter.

Second Order Active LPF Circuit ved hjelp av Op-Amp

Ved å bruke en operasjonsforsterker , er det mulig å designe filtre i et bredt spekter med forskjellige forsterkningsnivåer samt avrullingsmodeller. Dette filteret gir båndbreddesvar samt enhetsgevinst.

Second Order Active LPF Circuit ved hjelp av Op-Amp

Second Order Active LPF Circuit ved hjelp av Op-Amp

Beregningene av kretsverdiene er ukompliserte for responsen til Butterworth lavpassfilter & enhet gevinst. Betydelig demping er nødvendig for disse kretsene og forholdsverdiene til kondensatoren og motstanden konkluderer med dette.

R1 = R2

C1 = C2

f = 1 - √4 π R C2

Når du velger verdiene, må du sørge for at motstandens verdier vil falle i området mellom 10 kilo ohm til 100 kilo-ohm. Dette er verdt ettersom kretsens o / p-impedans øker med frekvensen og ytre verdier i dette avsnittet kan endre handlingen.

Kalkulator for lavpassfilter

For en RC lavpassfilterkrets , den kalkulator for lavpassfilter beregner delefrekvensen og plotter Lavpassfiltergraf som er kjent som et bodeplott.

For eksempel:

Lavpassfilteroverføringsfunksjonen kan beregnes ved å bruke følgende formel hvis vi kjenner verdiene til motstanden og kondensatoren i kretsen.

Vout (s) / Vin (s) + 1 / CR / s + 1 / CR

Beregn frekvensverdien for den gitte motstanden samt kondensatorverdiene

fc = 1/2 πRC

LPF bølgeform

LPF bølgeform

Lavpassfilterapplikasjoner

Anvendelsene av lavpasfilter inkluderer følgende.

  • Lavpassfilter brukes i telefonsystemer for å konvertere lydfrekvensene i høyttaleren til et båndbegrenset stemmebåndssignal.
  • LPF-er brukes til å filtrere høyfrekvent signal som er kjent som 'støy' fra en krets, ettersom signalet blir ført gjennom dette filteret, så elimineres det meste av høyfrekvenssignalet, så vel som en åpenbar støy kan produseres.
  • Lavpassfilter i bildebehandling for å forbedre bildet
  • Noen ganger er disse filtrene kjent som diskant eller høyt kutt på grunn av lydapplikasjonene.
  • Et lavpasfilter brukes i en RC-krets som er kjent som en RC lavpassfilter .
  • LPF brukes som en integrator som en RC-krets
  • I multi-rate DSP, mens du kjører en Interpolator, brukes LPF som et Anti-Imaging Filter. På samme måte brukes dette filteret som et anti-aliasing-filter når du utfører en desimator.
  • Lavpassfilter brukes i mottakere som super heterodyne for en effektiv respons på basebåndsignalene.
  • Lavpasfilter brukes i signalene fra medisinsk utstyr som kommer fra menneskekroppen mens det er mindre frekvens å teste med elektrodene. Så disse signalene kan strømme gjennom LPF for å fjerne uønsket omgivelseslyd.
  • Disse filtrene brukes til konvertering av driftssyklusamplitude samt fasedeteksjon i den faselåste sløyfen.
  • LPF brukes i AM-radio for diodedetektoren for å endre det AM-modulerte mellomfrekvenssignalet til lydsignalet.

Dermed handler dette om en lavpassfilter . Utformingen av op-amp-basert LPF er enkel å designe, i tillegg til mer kompliserte design med forskjellige typer filtre. For flere applikasjoner gir LPF en enestående ytelse. Her er et spørsmål til deg, hva er hovedfunksjonen til lavpasfilteret?