مرشح تمرير منخفض نشط

وصفنا سابقًا مرشح تمرير منخفض سلبي ، في هذا البرنامج التعليمي سوف نستكشف ما هو مرشح تمرير منخفض نشط.

ما هي الدائرة ، الصيغ ، المنحنى؟

كما نعلم من البرنامج التعليمي السابق ، يعمل مرشح المرور المنخفض السلبي مع المكونات السلبية. فقط مكونان سلبيان من المقاوم والمكثف هما مفتاح أو قلب دائرة مرشح تمرير منخفض سلبي. لقد تعلمنا في البرامج التعليمية السابقة أن عامل تصفية المرور المنخفض السلبي يعمل دون أي مقاطعة خارجية أو استجابة نشطة. لكن لها بعض القيود.

حدود مرشح تمرير الترددات المنخفضة السلبي هي كما يلي: -

1. مقاومة الدائرة تخلق فقدان السعة. لذا فإن Vout دائمًا أقل من Vin.
2. لا يمكن أن يتم التضخيم باستخدام مرشح تمرير منخفض سلبي فقط.
3. تعتمد خصائص المرشح بشكل كبير على مقاومة الحمل.
4. يكون المكسب دائمًا مساويًا أو أقل من مكاسب الوحدة.
5. المزيد من مراحل المرشح أو ترتيب المرشح يضاف فقدان السعة يصبح أقل.

بسبب هذا القيد ، إذا لزم التضخيم ، فإن أفضل طريقة لإضافة مكون نشط من شأنه تضخيم الإخراج المصفى. يتم هذا التضخيم بواسطة مكبر تشغيلي أو جهاز op-amp. نظرًا لأن هذا يتطلب مصدر جهد ، فهو مكون نشط. وبالتالي فإن اسم مرشح تمرير منخفض نشط.

يستمد مكبر الصوت النموذجي الطاقة من مصدر الطاقة الخارجي ويضخم الإشارة ولكنه مرن للغاية حيث يمكننا تغيير عرض النطاق الترددي بمرونة أكبر. أيضًا ، إنه اختيار المستخدم أو المصمم لتحديد نوع المكونات النشطة للاختيار وفقًا للمتطلبات. يمكن أن يكون Fet و Jfet و Transistor و Op-Amp والذي يتضمن الكثير من المرونة. يعتمد اختيار المكون أيضًا على التكلفة والفعالية إذا تم تصميمه لمنتج الإنتاج الضخم.

من أجل البساطة وفعالية الوقت وأيضًا التقنيات المتزايدة في تصميم op-amp ، يتم استخدام op-amp بشكل عام لتصميم Active Filter.

دعونا نرى لماذا يجب علينا اختيار و op-amp لتصميم مرشح تمرير منخفض نشط: -

1. مقاومة عالية للمدخلات.

   بسبب مقاومة المدخلات العالية ، لا يمكن إتلاف إشارة الإدخال أو تغييرها. بشكل عام أو في معظم الحالات ، يمكن تدمير إشارة الدخل التي تكون ذات سعة منخفضة جدًا إذا تم استخدامها كدائرة مقاومة منخفضة. حصلت Op-Amp على نقطة زائد في مثل هذه الحالات.

2. عدد المكونات منخفض جدا. هناك حاجة إلى عدد قليل من المقاومات.
3. يتوفر نوع مختلف من op-amp اعتمادًا على الكسب ومواصفات الجهد.
4. انخفاض مستوى الضجيج.
5. أسهل في التصميم والتنفيذ.

ولكن بما أننا نعلم أنه لا يوجد شيء مثالي تمامًا ، فإن تصميم الفلتر النشط هذا له أيضًا قيود معينة.

يعتمد كسب الإخراج وعرض النطاق الترددي وكذلك استجابة التردد على مواصفات المرجع أمبير.

دعنا نستكشف أكثر ونفهم ما يميزه.

مرشح الترددات المنخفضة النشط مع التضخيم:

قبل فهم تصميم مرشح الترددات المنخفضة النشط باستخدام op-amp ، نحتاج إلى معرفة القليل عن مكبرات الصوت. Amplify عبارة عن عدسة مكبرة ، فهي تنتج نسخة طبق الأصل مما نراه ولكن بشكل أكبر للتعرف عليه بشكل أفضل.

في البرنامج التعليمي الأول لمرشح التمرير المنخفض السلبي ، تعلمنا ما هو مرشح التمرير المنخفض. يقوم مرشح التمرير المنخفض بتصفية التردد المنخفض ويمنع الإشارة الجيبية للتيار المتردد الأعلى. يعمل مرشح التمرير المنخفض النشط هذا بنفس الطريقة التي يعمل بها مرشح التمرير المنخفض السلبي ، والفرق الوحيد هنا هو إضافة مكون إضافي واحد ، وهو مكبر للصوت مثل op-amp.

هنا هو تصميم مرشح تمرير منخفض بسيط: -

هذه صورة مرشح تمرير منخفض نشط. هنا يوضح لنا الخط المخالف مرشح RC التقليدي السلبي المنخفض التمرير الذي رأيناه في البرنامج التعليمي السابق.

قطع التردد والجهد:

معادلة التردد المقطوع هي نفسها المستخدمة في مرشح التمرير المنخفض السلبي.

fc = 1/2 RC

كما هو موضح في البرنامج التعليمي السابق ، fc هو تردد القطع و R هي قيمة المقاوم و C هي قيمة المكثف.

المقاومان المتصلان في العقدة الموجبة لجهاز op-amp هما مقاومات تغذية مرتدة. عندما يتم توصيل هذه المقاومات في عقدة موجبة من المرجع أمبير ، يطلق عليه التكوين غير العكسي. هذه المقاومات مسؤولة عن التضخيم أو الكسب.

يمكننا بسهولة حساب مكاسب مكبر الصوت باستخدام المعادلات التالية حيث يمكننا اختيار قيمة المقاوم المكافئة وفقًا للكسب أو يمكن أن يكون العكس: -

كسب مكبر الصوت (سعة التيار المباشر) (Af) = (1 + R2 / R3)

منحنى استجابة التردد:

دعونا نرى ما سيكون الناتج من مرشح تمرير منخفض نشط أو منحنى Bode / استجابة التردد: -

هذا هو الإخراج النهائي لمرشح تمرير منخفض نشط في تكوين op-amp non-inverting. سنرى بالتفصيل الشرح في الصورة التالية.

كما نلاحظ أن هذا مطابق مع مرشح المرور المنخفض السلبي من تردد البداية إلى Fc أو نقطة قطع التردد أو تردد الزاوية سيبدأ من -3dB نقطة. الكسب هو 20 ديسيبل في هذه الصورة ، وبالتالي فإن تردد القطع هو 20 ديسيبل - 3 ديسيبل = 17 ديسيبل حيث توجد نقطة fc. المنحدر هو -20 ديسيبل لكل عقد.

بصرف النظر عن المرشح ، من نقطة البداية إلى نقطة قطع التردد يطلق عليه عرض النطاق الترددي للمرشح وبعد ذلك يطلق عليه نطاق التمرير الذي يسمح بمرور التردد منه.

يمكننا حساب كسب الحجم عن طريق تحويل كسب الجهد في المرجع أمبير.

الحساب على النحو التالي

ديسيبل = 20log (Af)

يمكن أن يكون هذا Af هو كسب Dc الذي وصفناه من قبل عن طريق حساب قيمة المقاوم أو قسمة Vout مع Vin.

دائرة تصفية مكبر الصوت غير المقلوبة والعاكسة:

دائرة مرشح التمرير المنخفض النشطة الموضحة في البداية لها أيضًا قيد واحد. يمكن أن يتأثر استقرارها إذا تغيرت مقاومة مصدر الإشارة. على سبيل المثال النقص أو الزيادة.

يمكن أن تؤدي ممارسة التصميم القياسية إلى تحسين الاستقرار ، وإزالة المكثف من الإدخال وربطه بالتوازي مع المقاوم الارتجاعي الثاني op-amp.

هنا هو مرشح تمرير منخفض نشط غير مقلوب-

في هذا الشكل ، إذا قارنا ذلك بالدائرة الموضحة في البداية ، يمكننا أن نرى أن موضع المكثف قد تم تغييره من أجل الاستقرار المرتبط بالمقاومة. في هذا التكوين ، لا تؤثر الممانعة الخارجية على تفاعل المكثفات ، وبالتالي يتحسن الاستقرار.

في نفس التكوين ، إذا أردنا عكس إشارة الخرج ، فيمكننا اختيار تكوين الإشارة العكسية لـ op-amp ويمكننا توصيل المرشح بهذا المرجع المقلوب.

هنا هو تنفيذ الدوائر لمرشح تمرير منخفض نشط معكوس: -

إنه مرشح تمرير منخفض نشط في تكوين مقلوب. جهاز op-amp متصل بشكل عكسي. في القسم السابق ، تم توصيل الإدخال عبر دبوس الإدخال الإيجابي الخاص بـ op-amp ويستخدم الدبوس السلبي op-amp لعمل دائرة التغذية الراجعة. هنا الدائرة مقلوبة. دخل إيجابي متصل بمرجع أرضي والمكثف ومقاوم التغذية المرتدة متصلان عبر دبوس الإدخال السلبي op-amp. وهذا ما يسمى تكوين op-amp المقلوب وسيتم عكس إشارة الخرج عن إشارة الإدخال.

كسب الوحدة أو مرشح الجهد المنخفض النشط التابع لأتباع الجهد:

حتى الآن يتم استخدام الدوائر الموصوفة هنا لكسب الجهد ولأغراض ما بعد التضخيم.

يمكننا أن نجعله باستخدام مضخم كسب الوحدة ، وهذا يعني أن سعة الإخراج أو الكسب ستكون مماثلة للإدخال: 1x. فين = فوت.

ناهيك عن أنه أيضًا تكوين op-amp والذي غالبًا ما يوصف بأنه تكوين متابع للجهد حيث أنشأ op-amp النسخة المتماثلة الدقيقة لإشارة الإدخال.

دعونا نرى تصميم الدوائر وكيفية تكوين المرجع أمبير كما تابعا الجهد وجعل كسب الوحدة منخفضة نشط مرشح المرور: -

في هذه الصورة ، تتم إزالة مقاومات ردود الفعل من المرجع أمبير. بدلاً من المقاوم ، يتم توصيل دبوس الإدخال السالب لـ op-amp المتصل مباشرةً بمخرج op-amp. يسمى هذا التكوين op-amp كتكوين متابع الجهد. الكسب هو 1x. إنها وحدة كسب نشطة لمرشح تمرير منخفض. سينتج نسخة طبق الأصل من إشارة الإدخال.

مثال عملي مع الحساب

سنقوم بتصميم دائرة من مرشح تمرير منخفض نشط في تكوين op-amp غير المقلوب.

مواصفات:-

1. مقاومة المدخلات 10 كيلو أوم
2. سيكون الربح 10x
3. سيكون قطع التكرار 320 هرتز

دعنا نحسب القيمة أولاً قبل عمل الدائرة: -

كسب مكبر الصوت (سعة التيار المباشر) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

R2 = 1k (نحتاج إلى تحديد قيمة واحدة ؛ اخترنا R2 كـ 1k لتقليل تعقيد الحساب).

من خلال وضع القيمة معًا نحصل عليها

(10) = (1 + R3 / 1)

حسبنا قيمة المقاوم الثالث 9 كيلو.

نحتاج الآن إلى حساب قيمة المقاوم وفقًا لتردد القطع. كمرشح تمرير منخفض نشط ومرشح تمرير منخفض سلبي يعمل بنفس الطريقة ، فإن صيغة قطع التردد هي نفسها كما كانت من قبل.

دعونا نتحقق من قيمة المكثف إذا كان تردد القطع 320 هرتز ، فقد اخترنا قيمة المقاوم 4.7 كيلو.

fc = 1/2 RC

من خلال وضع كل القيم معًا نحصل على: -

بحل هذه المعادلة ، نحصل على قيمة المكثف وهي 106 نانو فاراد تقريبًا.

الخطوة التالية هي حساب الربح. صيغة الكسب مماثلة لمرشح تمرير منخفض سلبي. تكون صيغة الكسب أو المقدار بالديسيبل كما يلي: -

20 لوغ (أف)

نظرًا لأن كسب op-amp هو 10x ، فإن المقدار في dB هو 20log (10). هذا 20 ديسيبل.

الآن بما أننا قمنا بالفعل بحساب القيم الآن فقد حان الوقت لبناء الدائرة. دعونا نجمع كل شيء ونبني الدائرة: -

قمنا ببناء الدائرة بناءً على القيم المحسوبة من قبل. وسوف نقدم 10HZ إلى 1500Hz تردد و 10 نقطة لكل العقد عند دخل مرشح تمرير منخفض نشط وسوف مواصلة التحقيق لمعرفة ما إذا كان تردد قطع هو 320Hz أو لا تعمل على إخراج مكبر للصوت.

هذا هو منحنى استجابة التردد. يبدأ الخط الأخضر من 10 هرتز إلى 1500 هرتز حيث يتم توفير إشارة الإدخال لهذا النطاق من التردد فقط.

كما نعلم أن تردد الزاوية سيكون دائمًا عند -3 ديسيبل من مقدار الكسب الأقصى. هنا المكسب هو 20 ديسيبل. لذلك ، إذا اكتشفنا أن النقطة -3dB ستحصل على التردد الدقيق حيث يوقف الفلتر الترددات الأعلى.

قمنا بتعيين المؤشر على 17 ديسيبل على أنه (20dB-3dB = 17dB) تردد الزاوية ونحصل على 317.950 هرتز أو 318 هرتز وهو قريب من 320 هرتز.

يمكننا تغيير قيمة المكثف إلى القيمة العامة مثل 100nF ولا نذكر أن تردد الزاوية سيتأثر أيضًا بعدد قليل من هرتز.

مرشح الترددات المنخفضة النشط من الدرجة الثانية:

من الممكن إضافة المزيد من المرشحات عبر مرشح تمرير منخفض نشط من الدرجة الثانية مثل op-amp. في مثل هذه الحالة تمامًا مثل المرشح الخامل ، تتم إضافة مرشح RC إضافي.

دعونا نرى كيف يتم إنشاء دائرة التصفية من الدرجة الثانية.

هذا هو مرشح الدرجة الثانية. في الشكل أعلاه يمكننا أن نرى بوضوح إضافة المرشِّحين معًا. هذا هو المرشح الثاني. إنه مرشح يستخدم على نطاق واسع والتطبيق الصناعي هو مكبر للصوت ، دارة النظام الموسيقي قبل تضخيم الطاقة.

كما ترون هناك جهاز واحد أمبير. كسب الجهد هو نفسه كما هو مذكور سابقًا باستخدام مقاومين.

(Af) = (1 + R3 / R2)

تردد القطع هو

شيء واحد مثير للاهتمام يجب تذكره إذا أردنا إضافة المزيد من op-amp التي تتكون من مرشحات من الدرجة الأولى ، فسيتم ضرب المكسب في كل فرد. مشوش؟ قد يساعدنا التخطيطي.

كلما تمت إضافة المرجع الإضافي ، يتم مضاعفة المزيد من الكسب. انظر الشكل أعلاه ، في هذه الصورة اثنين من أمبير أمبير متتالي مع جهاز أمبير فردي. في هذه الدائرة ، المرجع المتتالي ، إذا كان الأول له كسب 10x والثاني لكسب 5x ، فإن الكسب الإجمالي سيكون 5 × 10 = كسب 50x.

لذا ، فإن حجم دائرة مرشح التمرير المنخفض op-amp المتتالية في حالة وجود اثنين من op-amp هو: -

ديسيبل = 20 سجل (50)

بحل هذه المعادلة تكون 34 ديسيبل. لذا فإن مكسب صيغة كسب مرشح التمرير المنخفض op-amp المتتالية هي

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

حيث TdB = الحجم الإجمالي

هذه هي الطريقة التي يتم بها إنشاء مرشح التمرير المنخفض النشط. في البرنامج التعليمي التالي ، سنرى كيف يمكن إنشاء مرشح تمرير عالي نشط. ولكن قبل البرنامج التعليمي التالي ، دعونا نرى ما هي تطبيقات مرشح الترددات المنخفضة النشط: -

التطبيقات

يمكن استخدام مرشح تمرير منخفض نشط في أماكن متعددة حيث لا يمكن استخدام مرشح تمرير منخفض سلبي بسبب القيود المتعلقة بإجراء التضخيم أو الكسب. بصرف النظر عن ذلك ، يمكن استخدام مرشح الترددات المنخفضة النشط في الأماكن التالية: -

يستخدم مرشح التمرير المنخفض على نطاق واسع في الدوائر الإلكترونية.

فيما يلي بعض تطبيقات مرشح الترددات المنخفضة النشط: -

1. معادلة الجهير قبل تضخيم الطاقة
2. المرشحات المتعلقة بالفيديو.
3. راسم الذبذبات
4. نظام التحكم بالموسيقى وتعديل تردد الجهير وكذلك قبل مكبر الصوت ومكبرات الصوت عالية الجهير للخارج.
5. مولد وظيفي لتوفير تردد منخفض متغير عند مستوى جهد مختلف.
6. تغيير شكل التردد عند موجة مختلفة من.