Filtro Sallen-Key: circuito, funzionamento, vantaggi, svantaggi e sue applicazioni

I filtri svolgono un ruolo chiave nel campo della comunicazione perché rimuovono il rumore e aiutano a ottimizzare le prestazioni. Le applicazioni dei filtri all'interno dei sistemi di telecomunicazione differiranno dalla frequenza alta a quella molto bassa. La selezione dei canali all'interno dei servizi telefonici è un compito principale per i BPF ad alta frequenza; mentre l'acquisizione dei dati dipende dagli LPF anti-aliasing. Per lo svolgimento del filtro passa-basso circuito e filtro passa-basso attivo, è molto importante conoscere la frequenza di taglio del circuito e le prestazioni ad alta frequenza per la progettazione del filtro attivo, del filtro passa-basso passivo e del filtro passa-basso RC. I filtri passa-basso identificati semplicemente con componenti attivi e passivi sono noti come filtri passa-basso attivi. Questo articolo fornisce brevi informazioni sul filtro Sallen-Key, sul circuito e sulle sue applicazioni.

Cos'è il filtro Sallen-Key?

La topologia di filtro analogico attivo del secondo ordine più popolare è il filtro Sallen Key, chiamato anche sorgente di tensione di controllo della tensione. Questi sono molto popolari perché la loro configurazione dimostra che non dipende molto dalle prestazioni dell'amplificatore operazionale. Ciò è dovuto principalmente al fatto che amplificatore operazionale è collegato come un amplificatore che riduce le necessità di larghezza di banda di guadagno dell'amplificatore operazionale. Il filtro Sallen-Key ha una bassa diffusione dei componenti, un'alta impedenza di ingresso e una bassa impedenza di uscita, che consente di collegare vari filtri senza buffer intermedi.

Circuito filtro chiave Sallen

Un filtro chiave Sallen è un circuito elettronico, utilizzato per filtrare le frequenze non necessarie da un segnale audio. Questo circuito è progettato semplicemente con due resistori, un amplificatore operazionale e due condensatori che formano un circuito di feedback. In base ai valori dei componenti, questo circuito può fungere da filtro passa-basso e a filtro passa alto . Qui il circuito del filtro passa-basso chiave Sallen è discusso di seguito.

Filtro passa basso Sallen Key

Nel Sallen-Key LPF è possibile ottenere migliori prestazioni del filtro selezionando correttamente i componenti RC. Le caratteristiche principali di questo filtro sono; amplificazione di tensione e controllo del guadagno di tensione con funzionamento stabile del filtro. Di seguito è mostrato il diagramma schematico del filtro passa basso Sallen Key per il guadagno unitario. Questo circuito ha due sezioni di filtro RC effettivamente in serie; tuttavia, nel primo stadio il condensatore viene avviato tramite l'uscita.

La funzione di trasferimento generale (T.F) per un LPS del secondo ordine è

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

Dove:

'K' è il fattore di guadagno,

‘ω0’ è la frequenza caratteristica in radianti/s.

'Q' è il fattore di qualità.

S = jω.

La funzione di trasferimento del filtro passa basso di Sallen-Key del 2° ordine può essere scritta nella stessa forma dell'equazione generale di cui sopra.

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

Uguagliando le due equazioni precedenti, possiamo ottenere le equazioni della frequenza di taglio e del fattore di qualità.

La frequenza di taglio dell'equazione del filtro della chiave di Sallen è fc = 1/2π√ R1R2 C1C2.

Il fattore Q del filtro chiave Sallen 'Q' è √R1R2 C1C2/ R1C1+R2C1+ R1C2 (1-K).

L'equazione del guadagno è simile a un amplificatore non invertente.

K = 1+R3/R4

Allo stesso modo, è possibile progettare un filtro passa-alto a chiave sallen sostituendolo condensatori al posto di resistori .

Come funziona un filtro chiave Sallen?

La topologia Sallen-Key funziona implementando filtri attivi di secondo ordine per migliorare il fattore Q del filtro con feedback positivo controllato. Questa topologia è molto semplice rispetto ad altre topologie di filtri attivi. Si tratta di un progetto di filtro attivo basato su un singolo amplificatore operazionale non invertente con due resistori.

Vantaggi del filtro Sallen-Key

I vantaggi del filtro chiave Sallen includono quanto segue.

• Il design del filtro Sallen-Key è molto semplice e include singoli amplificatori operazionali e componenti RC.
• Questi filtri sono in grado di aumentare la tensione di uscita oltre la tensione di ingresso.
• L'elevata impedenza di ingresso e di uscita bassa rende molto più semplice il collegamento in cascata dei filtri Sallen-Key.
• L'amplificatore operazionale nel filtro Sallen-Key aiuta a superare l'effetto del componente RC sulle caratteristiche del filtro.
• La gamma di frequenze di questi filtri è ampia.
• L'amplificatore operazionale all'interno di questo filtro può essere organizzato come un amplificatore non invertente o come un buffer a guadagno unitario.
• Questi filtri hanno vari stadi e guadagni diversi.
• La stabilità del filtro Sallen-Key è buona.
• Comprendere questo design del filtro è semplice.
• L'utilizzo di a amplificatore non invertente può aumentare il guadagno di tensione.
• Entrambi i filtri basati sul primo e sul secondo ordine possono essere facilmente collegati in cascata insieme.
• Ogni stadio RC può includere un guadagno di tensione diverso.

IL svantaggi del filtro chiave Sallen include il seguente.

• Il filtro Sallen-Key non è facilmente sintonizzabile a causa dell'interazione dei valori dei componenti su F0 e Q.
• È ottenibile il valore “Q” massimo basso.
• Il filtro chiave Sallen è molto sensibile alle variazioni e alle tolleranze dei componenti, il che significa che i valori effettivi dei resistori e dei condensatori saranno diversi dai valori ideali e potrebbero cambiare nel tempo a causa di diversi fattori come invecchiamento, umidità e temperatura. Ciò può influire sulla stabilità e sulla precisione del filtro.
• È suscettibile alla distorsione e al rumore provenienti da amplificatore operazionale . Pertanto le caratteristiche e la qualità dell'amplificatore operazionale possono influenzare le prestazioni e l'uscita del filtro chiave Sallen.
• Nella progettazione del filtro a chiave Sallen, il guadagno di tensione e il fattore di ingrandimento sono strettamente correlati a causa dell'uso di un amplificatore operazionale in questo progetto.
• È possibile realizzare quasi tutti i valori del fattore di qualità superiori a 0,5 perché utilizzando una configurazione di amplificatore operazionale non invertente, il guadagno di tensione sarà sempre maggiore di 1 ma deve essere inferiore a 3, altrimenti diventerà instabile.

Applicazioni di filtri Sallen-Key

Le applicazioni del filtro chiave Sallen includono quanto segue.

• Un filtro Sallen-Key è solitamente preferito ogni volta che è richiesto un piccolo fattore Q, viene data priorità alla reiezione del rumore ed è necessario il guadagno non invertente dello stadio del filtro.
• Questo filtro viene utilizzato come elemento costitutivo di base utilizzato per implementare circuiti di filtro di ordine superiore come LPF, HPF e BPF circuiti.
• Questo filtro può essere utilizzato per diverse applicazioni nell'ambito dell'elaborazione del segnale audio come controllo del tono, equalizzazione, sintesi, modulazione e riduzione del rumore.
• Questo filtro viene utilizzato per modulare/sintetizzare un segnale audio semplicemente modificando dinamicamente il fattore Q o la frequenza di taglio attraverso un segnale aggiuntivo come un inviluppo, una tensione di controllo o un oscillatore.

Quindi, questo è una panoramica del filtro Sallen-Key (topologia chiave Sallen) o il filtro Sallen e Key che è uno degli LPF attivi di secondo ordine molto popolari che può essere configurato come LPS, HPS, BPS e BSF. Questa topologia Sallen-Key aiuta a implementare varie accordature di filtri come Butterworth, Chebyshev e Bessel. Questo filtro è simile al VCVS (sorgente di tensione controllata in tensione) e include caratteristiche del filtro come; buona stabilità, bassa impedenza di uscita e alta impedenza di ingresso. Il filtro passa basso Sallen-Key viene utilizzato per molte ragioni come; design semplice, filtro in cascata, un'ampia gamma di frequenze, controllo del guadagno di tensione, stadi multipli, design del filtro di ordine superiore, stabilità e guadagni diversi. Ecco una domanda per te: qual è la funzione di un filtro passa-basso?