กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 10 นาที

โทโพโลยี Sallen–Key

โทโพโลยี Sallen –Key เป็น โทโพโลยีตัวกรองอิเล็กทรอนิกส์ ที่ใช้ในการสร้าง ตัวกรองแอคทีฟ ลำดับที่สอง ซึ่งได้รับการยกย่องเป็นพิเศษในด้านความเรียบง่าย [ 1 ] เป็นรูปแบบ เสื่อมสภาพ ของ...

โทโพโลยี Sallen–Key

โทโพโลยี Sallen –Keyเป็นโทโพโลยีตัวกรองอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ในการสร้างตัวกรองแอคทีฟลำดับที่สอง ซึ่งได้รับการยกย่องเป็นพิเศษในด้านความเรียบง่าย[ 1 ]เป็นรูปแบบเสื่อมสภาพ ของ โทโพโลยีตัวกรองแหล่งจ่ายแรงดันควบคุมแรงดัน ( VCVS ) ซึ่งได้รับการแนะนำโดยRP SallenและEL KeyจากMIT Lincoln Laboratoryในปี 1955 [ 2 ]

คำอธิบายการทำงาน

ตัวกรอง VCVS ใช้ตัวขยายแรงดันที่มีอิมพีแดนซ์อินพุต แทบเป็น อนันต์และอิมพีแดนซ์เอาต์พุตเป็น ศูนย์ เพื่อสร้างการตอบสนอง แบบโลว์ พาสไฮพาส แบนด์ พาสแบนด์ต็อปหรือออลพาสแบบ 2 ขั้ว ตัวกรอง VCVS ช่วยให้ได้ ค่า Q แฟคเตอร์สูงและ อัตราขยายในย่าน ความถี่ผ่านโดยไม่ต้องใช้ตัวเหนี่ยวนำตัวกรอง VCVS ยังมีข้อดีคือความเป็นอิสระ: ตัวกรอง VCVS สามารถต่ออนุกรมกันได้โดยที่แต่ละขั้นไม่ส่งผลกระทบต่อการปรับจูนของกันและกัน ตัวกรอง Sallen–Key เป็นรูปแบบหนึ่งของตัวกรอง VCVS ที่ใช้ ตัวขยาย อัตราขยายหนึ่งเท่า (เช่นตัวขยายบัฟเฟอร์ )

ประวัติและการนำไปใช้

ในปี ค.ศ. 1955 ซัลเลนและคีย์ใช้ แอมพลิฟายเออร์ แบบแคโทดฟอลโลเวอร์ที่ ใช้ หลอดสุญญากาศ ซึ่งแคโทดฟอลโลเวอร์เป็นค่าประมาณที่เหมาะสมสำหรับแอมพลิฟายเออร์ที่มีอัตราขยายแรงดันเท่ากับหนึ่ง การใช้งานตัวกรองอนาล็อกสมัยใหม่อาจใช้แอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการ (เรียกอีกอย่างว่าop amp ) เนื่องจากมีอิมพีแดนซ์อินพุตสูงและอัตราขยายที่เลือกได้ง่าย แอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการในรูปแบบไม่กลับเฟส แบบดั้งเดิม จึงมักถูกใช้ในการใช้งาน VCVS การใช้งานตัวกรองของซัลเลน-คีย์มักใช้ op amp ที่กำหนดค่าเป็นโวลเทจฟอลโลเวอร์อย่างไรก็ตามอีมิเตอร์หรือซอร์สฟอลโลเวอร์ก็เป็นตัวเลือกทั่วไปอื่นๆ สำหรับแอมพลิฟายเออร์บัฟเฟอร์

ความไวต่อค่าความคลาดเคลื่อนของชิ้นส่วน

ตัวกรอง VCVS มีความทนทานต่อความคลาดเคลื่อน ของส่วนประกอบค่อนข้าง สูง แต่การได้ค่า Q แฟคเตอร์สูงอาจต้องใช้ค่าส่วนประกอบที่หลากหลายมากหรืออัตราขยายของแอมพลิฟายเออร์สูง[ 1 ]สามารถสร้างตัวกรองลำดับสูงกว่าได้โดยการต่ออนุกรมสองขั้นตอนขึ้นไป

โครงสร้างโทโพโลยี Sallen–Key ทั่วไป

รูปที่ 1: โครงสร้างทั่วไปของตัวกรอง Sallen–Key

วงจรกรอง Sallen–Key ที่มีอัตราขยายเท่ากับหนึ่ง ซึ่งสร้างขึ้นโดยใช้ตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการที่มีอัตราขยายเท่ากับหนึ่ง แสดงอยู่ในรูปที่ 1 การวิเคราะห์ต่อไปนี้อยู่บนพื้นฐานของสมมติฐานว่าตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการเป็นแบบในอุดมคติ

เนื่องจากออปแอมป์อยู่ใน วงจร ป้อนกลับเชิงลบอินพุตของมันจึงต้องตรงกัน (เช่น) อย่างไรก็ตาม อินพุตแบบกลับเฟสเชื่อมต่อโดยตรงกับเอาต์พุตดังนั้น

โดย ใช้ กฎกระแสของเคิร์ชฮอฟฟ์ (KCL) ที่จุดต่อ

โดยการรวมสมการ (1) และ (2) เข้าด้วยกัน

การใช้สมการ (1) และ KCL ที่อินพุตแบบไม่กลับเฟสของออปแอมป์จะให้ผลลัพธ์ดังนี้

ซึ่งหมายความว่า

เมื่อรวมสมการ (2) และ (3) เข้าด้วยกันจะได้

การจัดเรียงสมการ (4) ใหม่จะให้ฟังก์ชันถ่ายโอน

ซึ่งโดยทั่วไปจะอธิบายถึงระบบ เชิง เส้นคงที่ตามเวลา (LTI)อันดับสอง

ถ้าหากส่วนประกอบนั้นต่อลงกราวด์แทนที่จะต่อกับอินพุตตัวกรองจะเป็นตัวแบ่งแรงดันที่ประกอบด้วย ส่วนประกอบ และต่ออนุกรมกับตัวแบ่งแรงดันอีกตัวที่ประกอบด้วย ส่วนประกอบ และแอมพลิฟายเออร์บัฟเฟอร์จะต่อสัญญาณ "ล่าง" ของส่วนประกอบไปยังเอาต์พุตของตัวกรอง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพให้ดีขึ้นกว่ากรณีตัวแบ่งแรงดันสองตัวแบบง่ายๆ การตีความนี้เป็นเหตุผลว่าทำไมตัวกรอง Sallen–Key จึงมักถูกวาดโดยให้สัญญาณอินพุตแบบไม่กลับเฟสของออปแอมป์อยู่ด้านล่างสัญญาณอินพุตแบบกลับเฟส เพื่อเน้นความคล้ายคลึงกันระหว่างเอาต์พุตและกราวด์

อิมพีแดนซ์สาขา

โดยการเลือกใช้ส่วนประกอบแบบพาสซีฟ ที่แตกต่างกัน (เช่นตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ ) สำหรับ, , , และตัวกรองสามารถมี คุณสมบัติ แบบโลว์พาส แบนด์พาสและไฮพาสได้ ในตัวอย่างด้านล่าง โปรดจำไว้ว่าตัวต้านทานที่มีความต้านทานจะมีอิมพีแดนซ์เท่ากับ

และตัวเก็บประจุที่มีค่าความจุ จะมีค่าความต้านทาน

โดยที่(ในที่นี้หมายถึงหน่วยจินตภาพ ) คือความถี่เชิงมุมเชิงซ้อนและคือความถี่ของ สัญญาณ ไซน์บริสุทธิ์ที่ป้อนเข้ามา กล่าวคือ อิมพีแดนซ์ของตัวเก็บประจุขึ้นอยู่กับความถี่ ในขณะที่อิมพีแดนซ์ของตัวต้านทานไม่ขึ้นอยู่กับความถี่

การใช้งาน: ตัวกรองความถี่ต่ำ

รูปที่ 2: ตัวกรองความถี่ต่ำแบบอัตราขยายหนึ่งเท่าที่สร้างขึ้นด้วยโครงสร้างแบบ Sallen–Key

ตัวอย่างวงจรกรองความถี่ต่ำแบบอัตราขยายหนึ่งเท่าแสดงในรูปที่ 2 ในวงจรนี้ใช้ตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ (operational amplifier) ​​เป็นบัฟเฟอร์ แม้ว่าตัวตามตัวส่งสัญญาณ (emitter follower ) ก็มีประสิทธิภาพเช่นกัน วงจรนี้เทียบเท่ากับกรณีทั่วไปข้างต้นที่มี

ฟังก์ชันถ่ายโอนสำหรับตัวกรองความถี่ต่ำแบบเกนหนึ่งเท่าลำดับที่สองนี้คือ

โดยที่ความถี่ธรรมชาติ ที่ ไม่ลด ทอน การลดทอนค่า Q และอัตราส่วนการหน่วงจะกำหนดโดย

และ

ดังนั้น,

ปัจจัย นี้เป็นตัวกำหนดความสูงและความกว้างของจุดสูงสุดของกราฟการตอบสนองความถี่ของตัวกรอง เมื่อค่าพารามิเตอร์นี้เพิ่มขึ้น ตัวกรองจะ cenderung "สั่น" ที่ความถี่เรโซแนนซ์ เดียว ใกล้เคียง(ดู " ตัวกรอง LC " สำหรับการอธิบายที่เกี่ยวข้อง)

ขั้วและศูนย์

ฟังก์ชันถ่ายโอนนี้ไม่มีศูนย์ (จำกัด) และมีขั้วสองขั้ว ที่อยู่ใน ระนาบเชิงซ้อนs :

มีค่าเป็นศูนย์สองค่าที่อนันต์ (ฟังก์ชันถ่ายโอนมีค่าเป็นศูนย์สำหรับแต่ละพจน์ในตัวส่วน)

ตัวเลือกการออกแบบ

นักออกแบบต้องเลือกค่า α และ β ให้เหมาะสมกับการใช้งานค่า α มีความสำคัญอย่างยิ่งในการกำหนดรูปร่างสุดท้าย ตัวอย่างเช่นตัวกรอง Butterworth อันดับสอง ซึ่งมีการตอบสนองความถี่ผ่านแบนราบที่สุด จะมีค่า α เท่ากับ 1 ในทางกลับกัน ค่า α เท่ากับ 1 จะสอดคล้องกับการต่ออนุกรมของตัวกรองความถี่ต่ำแบบง่ายสองตัวที่เหมือนกัน

เนื่องจากมีพารามิเตอร์ 2 ตัวและตัวแปรที่ไม่ทราบค่า 4 ตัว ขั้นตอนการออกแบบจึงมักกำหนดอัตราส่วนระหว่างตัวต้านทานทั้งสองตัว รวมถึงอัตราส่วนระหว่างตัวเก็บประจุด้วย วิธีหนึ่งที่เป็นไปได้คือการกำหนดอัตราส่วนระหว่างและเป็นเทียบกับและอัตราส่วนระหว่างและเป็นเทียบกับดังนั้น

ดังนั้น นิพจน์ และจึงลดลงเหลือ

และ

รูปที่ 3: ตัวกรองความถี่ต่ำแบบผ่าน ซึ่งสร้างขึ้นด้วยโครงสร้างแบบ Sallen–Key โดยมีf 0  = 15.9 kHz และQ  = 0.5

เริ่มต้นด้วยการเลือกค่า eg และที่ค่อนข้างเป็นไปตามอำเภอใจค่าที่เหมาะสมสำหรับและสามารถคำนวณได้เพื่อให้ได้ค่าและ ที่ต้องการ ในทางปฏิบัติ การเลือกค่าส่วนประกอบบางอย่างจะให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าการเลือกค่าอื่นๆ เนื่องจากความไม่สมบูรณ์แบบของตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการจริง[ 3 ]ตัวอย่างเช่น ค่าตัวต้านทานสูงจะเพิ่มการสร้างสัญญาณรบกวนของวงจร ในขณะเดียวกันก็มีส่วนทำให้เกิด แรงดัน ออฟเซ็ต DCที่เอาต์พุตของตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการที่ติดตั้งทรานซิสเตอร์อินพุตแบบไบโพลาร์

ตัวอย่าง

ตัวอย่างเช่น วงจรในรูปที่ 3 มีและฟังก์ชันถ่ายโอนกำหนดโดย

และหลังจากแทนค่าแล้ว นิพจน์นี้จะเท่ากับ

ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการผสมผสาน แต่ละแบบ จะส่งผลให้เกิดการผสมผสานแบบเดียวกันและสำหรับตัวกรองความถี่ต่ำนั้นก็ใช้วิธีการออกแบบที่คล้ายกันสำหรับตัวกรองอื่นๆ ด้านล่าง

อิมพีแดนซ์อินพุต

อิมพีแดนซ์อินพุตของตัวกรองความถี่ต่ำ Sallen–Key อันดับสองที่มีอัตราขยายหนึ่งเท่าก็เป็นสิ่งที่นักออกแบบสนใจเช่นกัน โดยกำหนดโดยสมการ (3) ใน Cartwright และ Kaminsky [ 4 ]ดังนี้

ที่ไหนและ.

นอกจากนี้ สำหรับมีค่าต่ำสุดของขนาดของอิมพีแดนซ์ที่กำหนดโดยสมการ (16) ของ Cartwright และ Kaminsky [ 4 ]ซึ่งระบุว่า

โชคดีที่สมการนี้ได้รับการประมาณค่าอย่างดีโดย[ 4 ​​]

สำหรับค่าที่อยู่นอกช่วงนี้ ค่าคงที่ 0.34 จะต้องถูกปรับเปลี่ยนเพื่อให้เกิดข้อผิดพลาดน้อย ที่สุด

นอกจากนี้ ความถี่ที่ขนาดอิมพีแดนซ์ต่ำสุดเกิดขึ้นจะได้รับจากสมการ (15) ของ Cartwright และ Kaminsky [ 4 ]กล่าวคือ

สมการนี้ยังสามารถประมาณค่าได้ดีโดยใช้สมการ (20) ของ Cartwright และ Kaminsky [ 4 ]ซึ่งระบุว่า

การใช้งาน: ตัวกรองความถี่สูง

รูปที่ 4: ตัวกรองความถี่สูงแบบ Sallen–Key เฉพาะตัวที่มีf 0  = 72 Hz และQ  = 0.5

ตัวกรองความถี่สูงแบบเกนหนึ่งเท่าลำดับที่สองที่มีและแสดงอยู่ในรูปที่ 4

ตัวกรองความถี่สูงแบบอันดับสองที่มีอัตราขยายเท่ากับหนึ่ง มีฟังก์ชันถ่ายโอนดังนี้

โดยที่ความถี่ธรรมชาติที่ไม่ลดทอนและตัวประกอบได้กล่าวถึงไปแล้วข้างต้นใน ส่วนการอธิบาย ตัวกรองความถี่ต่ำวงจรข้างต้นใช้ฟังก์ชันถ่ายโอนนี้โดยใช้สมการ

(เช่นเดิม) และ

ดังนั้น

ใช้วิธีการที่คล้ายคลึงกับวิธีการออกแบบตัวกรองความถี่ต่ำข้างต้น

การใช้งาน: ตัวกรองแบบแบนด์พาส

รูปที่ 5: ตัวกรองแบบผ่านย่านความถี่ที่สร้างขึ้นด้วยโครงสร้าง VCVS

ตัวอย่างของตัวกรองผ่านย่านความถี่ที่ มีอัตราขยายไม่เท่ากับหนึ่ง ซึ่งสร้างขึ้นโดยใช้ตัวกรอง VCVS แสดงในรูปที่ 5 แม้ว่าจะใช้โครงสร้างที่แตกต่างกันและตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการที่กำหนดค่าให้มีอัตราขยายไม่เท่ากับหนึ่ง แต่ก็สามารถวิเคราะห์ได้โดยใช้วิธีการที่คล้ายคลึงกันกับโครงสร้าง Sallen–Key ทั่วไปฟังก์ชันถ่ายโอนของมันกำหนดโดย

ความถี่ศูนย์กลาง (กล่าวคือ ความถี่ที่การตอบสนองขนาดมีค่าสูงสุด ) กำหนดโดย

ค่า Q ถูกกำหนดโดย

วงจรแบ่งแรงดันในวงจรป้อนกลับเชิงลบจะควบคุม "อัตราขยายภายใน" ของตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ (op amp):

ถ้าอัตราขยายภายในสูงเกินไป ตัวกรองจะเกิดการสั่น

ดูเพิ่มเติม

  • รายงานการประยุกต์ใช้งานของ Texas Instruments: การวิเคราะห์สถาปัตยกรรม Sallen–Key
  • เครื่องมือออกแบบฟิลเตอร์ของ Analog Devices  – เครื่องมือออนไลน์ที่ใช้งานง่ายสำหรับการออกแบบฟิลเตอร์แบบแอคทีฟโดยใช้ออปแอมป์แบบป้อนกลับแรงดันไฟฟ้า
  • คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับการออกแบบตัวกรองแอคทีฟของ TI
  • วงจรขยายสัญญาณแบบออปแอมป์สำหรับทุกคน – บทที่ 16
  • การปรับเปลี่ยนความถี่สูงของตัวกรอง Sallen-Key - การปรับปรุงระดับการลดทอนในแถบหยุด
  • เครื่องมือคำนวณออนไลน์สำหรับตัวกรองความถี่ต่ำ/ความถี่สูงแบบ Sallen–Key
  • เครื่องมือคำนวณออนไลน์สำหรับการออกแบบและวิเคราะห์ตัวกรอง
  • ECE 327: ขั้นตอนการกรองสัญญาณเอาต์พุต (เอกสารปฏิบัติการที่เก็บถาวรเมื่อวันที่ 24 กันยายน 2015 ในWayback Machine)  – ส่วนที่ 3 ("ตัวกรองความถี่ต่ำแบบเรียบ") กล่าวถึงการกรองแบบแอคทีฟด้วยตัวกรองความถี่ต่ำแบบ Sallen–Key Butterworth
  • หลักการกรองสัญญาณเบื้องต้น: ตัวกรองหลายขั้วด้วยวงจร Sallen-Key Matt Duff จาก Analog Devices อธิบายวิธีการทำงานของวงจร Sallen Key
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Sallen–Key_topology&oldid=1343333336 "

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ โทโพโลยี Sallen–Key

โทโพโลยี Sallen –Key เป็น โทโพโลยีตัวกรองอิเล็กทรอนิกส์ ที่ใช้ในการสร้าง ตัวกรองแอคทีฟ ลำดับที่สอง ซึ่งได้รับการยกย่องเป็นพิเศษในด้านความเรียบง่าย [ 1 ] เป็นรูปแบบ เสื่อมสภาพ ของ...

คำอธิบายการทำงาน

ตัวกรอง VCVS ใช้ตัวขยายแรงดันที่มีอิม พีแดนซ์อินพุต แทบเป็น อนันต์และอิ มพีแดนซ์เอาต์พุตเป็น ศูนย์ เพื่อสร้าง การตอบสนอง แบบโลว์ พาส ไฮพาส แบนด์ พาส แบนด์ ส ต็อป หรือ ออลพาส แบบ 2 ขั้ว ตัวกรอง VCVS ช่วยให้ได้ ค่า Q แฟคเตอร์ สูงและ อัตราขยายในย่าน ความถี่ผ่าน...

ประวัติและการนำไปใช้

ในปี ค.ศ. 1955 ซัลเลนและคีย์ใช้ แอมพลิฟายเออร์ แบบแคโทดฟอลโลเวอร์ที่ ใช้ หลอดสุญญากาศ ซึ่งแคโทดฟอลโลเวอร์เป็นค่าประมาณที่เหมาะสมสำหรับแอมพลิฟายเออร์ที่มีอัตราขยายแรงดันเท่ากับหนึ่ง การใช้งานตัวกรองอนาล็อกสมัยใหม่อาจใช้ แอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการ...

ความไวต่อค่าความคลาดเคลื่อนของชิ้นส่วน

ตัวกรอง VCVS มีความทนทานต่อ ความคลาดเคลื่อน ของส่วนประกอบค่อนข้าง สูง แต่การได้ค่า Q แฟคเตอร์สูงอาจต้องใช้ค่าส่วนประกอบที่หลากหลายมากหรืออัตราขยายของแอมพลิฟายเออร์สูง [ 1 ] สามารถสร้างตัวกรองลำดับสูงกว่าได้โดยการต่ออนุกรมสองขั้นตอนขึ้นไป