Перейти к содержанию

Как питать фильтр MFB от одного источника 5 В?

Обновлено Редакция GAW

Фильтр нижних частот MFB (с многопетлевой обратной связью) — инвертирующий: сигнал идёт на инвертирующий вход ОУ, и усиление в полосе пропускания K = −R2/R1 (TI SLOA049, ур. 22). При двухполярном питании ±5 В выход спокойно уходит ниже нуля. При одном источнике 5 В и неинвертирующем входе на земле ОУ должен был бы выдать отрицательное напряжение — а он не может, и половина сигнала теряется.

Решение: середина питания

TI в разд. 16.8.1 SLOD006B предлагает поднять «опорный ноль» на середину питания VMID:

  • неинвертирующий вход ОУ подключают к VMID = 2,5 В — от делителя с конденсатором и повторителя с низким выходным сопротивлением;
  • сигнал подают через разделительный конденсатор, который отсекает постоянную составляющую источника;
  • при нулевом сигнале на выходе VMID, и сигнал качается вокруг него.

Наш расчёт по постоянному току. Если на неинвертирующем входе VMID, а вход подключён без конденсатора, выход фильтра по постоянному току равен

Uвых=VMID⋅(1+R2R1)−R2R1⋅Uвх.U_\text{вых} = V_{MID} \cdot \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) - \frac{R_2}{R_1} \cdot U_\text{вх}.
Вход (без конденсатора, K = −1)Выход при VMID = 2,5 В
0 В5,0 В (ОУ упрётся в шину)
1 В4,0 В
2,5 В2,5 В
4 В1,0 В

Сигнал «отражается» относительно 2,5 В. Поэтому вход либо развязывают конденсатором, либо заранее смещают источник на ту же середину питания — как во входном буфере на рис. 16-49 TI.

Что ещё учесть

  • Размах. У ОУ без выхода до шин сверху теряется 1–1,5 В: у LM358 при 5 В выход доходит только до 3,5 В, поэтому при VMID = 2,5 В вверх остаётся лишь 1 В; с LM358 середину рабочего диапазона выгоднее взять ниже — около 1,7–1,8 В (наш расчёт). Подробности — в ответе «Подойдёт ли LM358 для активного фильтра?».
  • ФВЧ на входе. Разделительный конденсатор с резисторами смещения образует фильтр верхних частот; его частоту среза делают намного ниже полосы сигнала.

Почему инвертирующий вход ОУ держит то же напряжение, что и неинвертирующий, объясняет термин «виртуальная земля». Номиналы фильтра рассчитает калькулятор фильтра MFB, сравнение MFB с Sallen-Key — в статье «Аналоговые фильтры».

Похожие вопросы

Почему фильтр MFB переворачивает сигнал?

Сигнал подаётся на инвертирующий вход ОУ, как в инвертирующем усилителе: усиление в полосе пропускания K = −R2/R1 по TI SLOA049. Для звука и большинства измерений это не важно; если важна полярность, ставят второе инвертирующее звено или выбирают схему Sallen-Key.

Можно ли взять середину питания с простого делителя без буфера?

Можно, если в цепь смещения не течёт заметный ток, а резисторы делителя большие по сравнению с элементами фильтра — так предупреждает TI. Иначе делитель меняет характеристику фильтра. Надёжнее делитель с конденсатором и повторитель на ОУ.

Как выбрать разделительный конденсатор на входе?

Он вместе с резисторами смещения образует фильтр верхних частот. Наш вывод из разд. 16.8.1 TI: его частоту среза делают намного ниже рабочей полосы — например, в 100 раз ниже нижней частоты сигнала, чтобы не терять низкие частоты.

Источники

  1. Texas Instruments. Op Amps for Everyone, SLOD006B, ch. 16 «Active Filter Design Techniques» (Kugelstadt T.) — разд. 16.8.1 — при однополярном питании неинвертирующий вход смещают на середину питания (VMID), разделительный конденсатор на входе блокирует постоянную составляющую источника и вместе с резисторами смещения образует ФВЧ; рис. 16-49 — смещение ФНЧ MFB: входной буфер и генератор VMID с низким выходным сопротивлением, при нулевом сигнале на выходе VMID; пассивное смещение без буфера требует больших резисторов RB
  2. Texas Instruments. Active Low-Pass Filter Design, SLOA049D — ур. 22 — ФНЧ MFB с усилением в полосе K = −R2/R1, то есть инвертирующий; табл. 10-2 — номиналы для усиления −1

Нашли ошибку?

Смотрите также