Benötigt der Sallen-Key-Filter einen Puffer für Low-Power-Anwendungen?

Dein Problem ist wahrscheinlich Lärm. Sie sollten mit der Berechnung der thermischen Rauschspannung in einer Bandbreite von 10 kHz bei 3,4 kOhm beginnen und entscheiden, welches Signal-Rausch-Verhältnis Sie erhalten müssen. Das wird Ihnen wahrscheinlich sagen, dass Sie vor dem Filter einen rauscharmen Vorverstärker / Puffer benötigen.

Ein aktiver Filter ist sehr laut. Sie haben R1,2,4, die alle thermisches Rauschen hinzufügen. Sie haben das Eingangssignal von R1C1 R2C2 gedämpft. Dann haben Sie Operationsverstärker, die meistens ziemlich laut sind. Um die thermische Rauschspannung zu senken, müssen Sie die Rs viel niedriger machen als Ihre Quelle R - was bedeutet, dass Sie puffern müssen. Es bedeutet aber auch, dass Sie einen Operationsverstärker benötigen, der einen niedrigen äquivalenten Rauschwiderstand hat. Die besten Operationsverstärker (AD797) haben etwa 500 Ohm ENR - Sie können also den Filter-Rs nicht viel niedriger machen, sonst wird die Rauschzahl schlechter.

Diese aktive Filteranordnung ist lauter als eine, die nur einen einzigen RC pro Filterstufe hat. Wenn Sie OA2 vor OA1 (mit Gain) setzen, wäre es der Vorverstärker, und das Ganze wäre leiser.

Wenn Sie ein Außerbandsignal haben, das vor dem Vorverstärker gefiltert werden muss, wäre ein LC-Tiefpassfilter am besten. Sie benötigen vor dem aktiven Filter einen Vorverstärker mit erheblicher Verstärkung (40 dB / 100x), um ein gutes SNR zu erhalten. LC-Filter sind eine Überlegung wert. Diese ganze Anordnung schneidet schlechter ab als ein L und 2 Cs.

Benötigt der Filter Puffer? „Fordern“ und „effektiv arbeiten“ sind starke Worte. Wenn die Eingangsquelle eine von Null verschiedene Impedanz und die nächste Stufe eine Impedanz kleiner als unendlich hat, ändert sich theoretisch die Form der Übertragungsfunktion dieses Filters. Die Antwort hängt also davon ab, wie viel Veränderung Sie tolerieren können.

Wäre bei dieser Anwendung mit niedrigem Leistungspegel ein Puffer erforderlich, um den Sallen-Key zu speisen, oder würde die Schaltung in diesem System effektiv arbeiten?

Nein, wird es (meistens) nicht. Wenn Sie die Werte von R1 und R2 mit dem Eingangswiderstand des Verstärkers vergleichen, ist dieser normalerweise viel kleiner und beeinflusst den Eingangsstrom des Verstärkers nicht. Wenn Sie mit Ihrem Filterwiderstand in den Mega-Ohm-Bereich kommen, dann muss dies möglicherweise berücksichtigt werden, dies wird bei den meisten Filtern nicht der Fall sein.

Da die Quellenimpedanz 3,4k beträgt und der Gesamtwiderstand der Sallen-Key-Schaltung aller Wahrscheinlichkeit nach im Gigaohm-Bereich liegt (je nach Wahl des Verstärkers), sollte es keinen großen Unterschied machen. Es wird fast kein Strom, nA bis fA des Eingangsvorspannungsstroms des Operationsverstärkers benötigt, daher sollten einige mA für die Quellenimpedanz ausreichen.

Rauschen wird auch hinzugefügt, indem eine Spannungsfolgestufe (und andere Kosten für Strom, Platzbedarf des Operationsverstärkers auf der Leiterplatte und zusätzliches Geld) hinzugefügt wird, sodass ein Kompromiss zwischen geringem Rauschen und Impedanzpufferung besteht.

In fast allen Fällen würde ich den zusätzlichen Spannungsfolgerpuffer vermeiden.

Erstens benötigen Sie eine minimale SNR-Spezifikation für 10 kHz BW bei 3 uV Eingang. Dies führt zu der Anforderung eines rauscharmen Verstärkers mit einer Stromrauschdichte in nA/√Hz und einer Spannungsrauschdichte in nV/√Hz.

Vermutlich möchten Sie ein SNR von > 60: 1, sodass die Rauschbandbreite von Widerständen und Verstärkern für 10 ^ 4 Hz BW ein Rauschen von > 3 uV / 50/100 = 0,67 nV / √Hz erfordert

Dies wird eine Herausforderung sein, da rauscharme Operationsverstärker in der Regel zehnmal so hoch sind.

https://training.ti.com/ti-precision-labs-op-amps-noise-lab?cu=14685

Rohm hat einen neuen LNA für Audio .

Du stellst die falsche Frage. Es sollte sein, wie kann ich das folgende Signal messen, das unter dem thermischen Rauschen liegt?

Vin hat eine Quellenimpedanz von 3,4 kOhm.

Wie bei den meisten Filtern muss die Quellenimpedanz bekannt sein. Die meisten Filter gehen davon aus, dass die Quelle nahe genug Null Ohm ist, aber wenn Ihre Quellenimpedanz 3,4 kOhm beträgt, dann sollte der Wert für R1 (wie er unter Annahme einer Null-Quellenimpedanz berechnet wird) um 3,4 kOhm gesenkt werden, wenn er von einer Quellenimpedanz von 3,4 gespeist wird kohm.

Wenn R1 natürlich einen ziemlich hohen Wert hat (100 kOhm oder mehr), ist das Absenken von R1 nicht unbedingt erforderlich. Mit R1 = R2 maximieren Sie das Q der Schaltung, und wenn Sie also das eine in Bezug auf das andere ändern, wird das Q tatsächlich verringert. Diese Methode wird verwendet, um Q so zu modifizieren, wie es im Filter benötigt wird, um die gewünschte Leistung zu erzielen.

Ich entwerfe eine Schaltung, die 3 uV bei 10-10 kHz Eingang benötigt

Wenn für Ihren Operationsverstärker eine äquivalente Rauschdichte von 1 angegeben ist$nV/\sqrt{Hz}$, über eine Bandbreite von 10 kHz (Ihr Signalbereich) beträgt das äquivalente Rauschen 1 nV x$\sqrt{10000}$= 1 uV Effektivwert. Seien Sie sich also bewusst, dass Sie sehr gute Operationsverstärker benötigen, damit dieses Flugzeug fliegen kann.

Ich habe die niederfrequenten Rauschwerte und die Tendenz, dass das äquivalente Rauschen im Bereich von DC bis 1 kHz höher ist, ignoriert. Sie müssen Ihren Operationsverstärker sorgfältig auswählen und möglicherweise Ihre Erwartungen herunterstufen, wenn Sie mit einem knappen Budget arbeiten. Ich habe auch die äquivalente Eingangsstromrauschdichte ignoriert.

All diese Dinge müssen Sie berücksichtigen.