Перейти к содержанию

Подойдёт ли LM358 для активного фильтра?

Обновлено Редакция GAW

В активном фильтре ОУ должен с запасом обгонять сам фильтр по усилению: TI рекомендует, чтобы собственное усиление ОУ было на 40 дБ (в 100 раз) выше пикового усиления звена — тогда ошибка не превысит 1 % (SLOD006B, разд. 16.8.4). Для звена первого порядка и звена второго порядка с добротностью меньше 1 и коэффициентом ki = fci / fc около 1 (например, у фильтра Баттерворта второго порядка) правило сводится к простой формуле:

fT≥100⋅K⋅fc,f_T \ge 100 \cdot K \cdot f_c,

где fT — частота единичного усиления ОУ, K — усиление звена, fc — частота среза.

ОУfTНаибольшая fc при K = 1При K = 10
LM358, LM358A0,7 МГц7 кГц700 Гц
LM358B1,2 МГц12 кГц1,2 кГц

Таблица — наш расчёт по формуле TI и данным SLOS068AB. Для фильтра Чебышёва с высокой добротностью требования выше: в примере TI фильтру Чебышёва пятого порядка на 10 кГц с неравномерностью 3 дБ нужен ОУ на 17 МГц.

Скорость нарастания

Для полного размаха на частоте среза нужно SR ≥ π · Upp · fc. Наш расчёт: размах 3,5 В на 7 кГц требует 0,077 В/мкс, а у LM358 — 0,3 В/мкс, то есть запас почти вчетверо.

Питание 5 В

При однополярном питании 5 В выход LM358 поднимается до (V+) − 1,5 В = 3,5 В при нагрузке 2 кОм, вниз доходит почти до нуля, а синфазный диапазон входа — от нуля до (V+) − 1,5 В. Сигнал переменного тока смещают на середину рабочего диапазона, как в разд. 16.8.1 SLOD006B. Входной ток LM358 до 250 нА: на резисторах 100 кОм это до 25 мВ смещения (наш расчёт), поэтому резисторы фильтра берут поменьше — 10–47 кОм.

Вывод. LM358 хорош для фильтров перед АЦП датчиков, сглаживания ШИМ и других задач до единиц килогерц. Для звука, высоких частот и фильтров высокого порядка с большой добротностью нужен ОУ с полосой в единицы мегагерц и выходом до шин питания.

Что такое полоса единичного усиления, объясняет термин «произведение усиления на полосу», параметры LM358 — на странице LM358 и LM324. Рассчитать элементы фильтра поможет калькулятор фильтра MFB, типы фильтров разобраны в статье «Аналоговые фильтры».

Похожие вопросы

Можно ли на LM358 сделать фильтр для звука до 20 кГц?

Наш расчёт по правилу TI: звену второго порядка с усилением 1 и частотой среза 20 кГц нужна полоса ОУ не меньше 2 МГц, а у LM358 — 0,7 МГц, у LM358B — 1,2 МГц. Фильтр получится, но его частота среза и добротность заметно уйдут от расчёта.

Почему фильтр на LM358 искажает сигнал у верхнего края?

При питании 5 В выход LM358 поднимается только до 3,5 В при нагрузке 2 кОм, и вход тоже работает только до (V+) − 1,5 В. Сигнал выше этого уровня срезается. Смещайте сигнал ближе к нижней половине диапазона или берите ОУ с выходом до шин питания.

Что важнее для фильтра: полоса ОУ или скорость нарастания?

Сначала полоса — она определяет, совпадут ли частота среза и добротность с расчётом. Скорость нарастания проверяют для больших сигналов: по TI нужно не меньше π · Vpp · fc. Для LM358 это редко становится пределом на частотах, где его полоса ещё достаточна.

Источники

  1. Texas Instruments. LM358, LM358A, LM358B family, SLOS068AB (October 2024) — разд. 5.7 (LM358, LM358A) — GBW 0,7 МГц, скорость нарастания 0,3 В/мкс, синфазный диапазон до (V+) − 1,5 В, выход до (V+) − 1,5 В при 5 В и 2 кОм, входной ток до 250 нА; LM358B — GBW 1,2 МГц, 0,5 В/мкс
  2. Texas Instruments. Op Amps for Everyone, SLOD006B, ch. 16 «Active Filter Design Techniques» (Kugelstadt T.) — разд. 16.8.4 — fT = 100 · усиление · fc для первого порядка и для звена второго порядка с Q < 1 (ki = 1); для Q > 1 — отдельная формула, пример 17 МГц для фильтра Чебышёва 10 кГц; скорость нарастания SR = π · Vpp · fc; разд. 16.8.1 — смещение на середину питания при однополярном питании

Нашли ошибку?

Смотрите также