Gibt es einen Vor- oder Nachteil bei der Verwendung eines hochwertigen Kondensators anstelle eines hochwertigen Widerstands im Filter?

Gibt es einen Nachteil bei der Verwendung eines hochwertigen Widerstands mit einem niederwertigen Kondensator oder umgekehrt?

Ja.

Hohe Impedanz erinnert an:

1. Hochohmige Widerstände erzeugen Knoten mit hoher Impedanz. Das wäre an sich kein großes Problem: Schließlich sind Röhrenschaltungen randvoll mit Knoten mit Lastwiderständen im Bereich von 100 kΩ bis 2 MΩ. Aber andererseits: Wie vertraut sind Sie mit all den Design- und Montageproblemen, mit denen sich Vakuumröhrenschaltungen bereits vor über 50 Jahren routinemäßig befasst haben?

2. Knoten mit hoher Impedanz sind anfällig für Kopplung durch Leckage und Streukapazität mit anderen Knoten, mit denen sie sonst nicht koppeln würden. Ein solcher Problempunkt ist die niederfrequente Netzverkabelung und Felder, die von Netztransformatoren ausgehen.

3. Knoten mit hoher Impedanz sind anfällig für parasitäre Kapazitäten der Widerstände, die sie erzeugen. Diese Widerstände sind unter solchen Umständen keine idealen Teile mehr. Für oberflächenmontierte Teile ist dies jedoch nur für Frequenzen weit über 1 MHz von Bedeutung. Die betreffenden Frequenzen steigen, wenn Sie kleiner werden, z. B. sind 0402-Widerstände vom parasitären Standpunkt bis zu etwa 1 GHz ziemlich nahe am Ideal. Umgekehrt sind kleine Werte von 0402-Kondensatoren (bis zu einigen hundert pF) auch in diesem Frequenzbereich ziemlich ideal.

Hochwertige Kondensatoren:

1. Hochwertige Kondensatoren kosten im Allgemeinen mehr als niedrigerwertige Kondensatoren des gleichen Typs. Die Kosten sind oft stark nichtlinear und hängen von der Produktionsausbeute, der Marktnachfrage usw. ab.

2. Hochwertige Kondensatoren haben hohe Antriebsanforderungen. Sie sind in Ordnung, solange sie nur mit hochohmigen Knoten verbunden sind, aber dies muss beachtet werden.

   Als Faustregel gilt, dass die meisten Operationsverstärker äquivalente Lastreaktanzen über 1 kΩ gut ansteuern. Dies wäre die kapazitive/induktive Reaktanz parallel zum reinen Widerstand. Der Lastwiderstand/Reaktanz, der zur Angabe von Verzerrung und Einschwingzeit in Datenblättern von Operationsverstärkern verwendet wird, liegt normalerweise im Bereich von 600 Ω bis 2 kΩ. Wenn Sie also unter diese Spezifikationsgrenze gehen, können Sie sich auf Diagramme der Verzerrung und des Ausgangsspannungsbereichs gegenüber dem Lastwiderstand beziehen, wenn sie im Datenblatt angegeben sind. Darüber hinaus müssen Sie das Teil für Ihre Anwendung qualifizieren.

3. Hochwertige kapazitive Lasten berauben Operationsverstärker des Phasenspielraums. In Anwendungen, in denen eine hohe DC-Präzision oder eine hohe AC-Verstärkungsgenauigkeit erforderlich ist, können Sie sich möglicherweise keine isolierenden Reihenwiderstände leisten und haben möglicherweise ein Nachschwingen in Stufen mit niedriger Verstärkung, da die äquivalente Lastkapazität 100 pF übersteigt.

   Nun, dies ist möglicherweise kein Problem bei Anwendungen mit geringer Bandbreite. Aber selbst in diesen Fällen benötigen Sie möglicherweise einen Verstärker mit hoher GBW, um die Verzerrung auf ein Minimum zu reduzieren, wenn Verzerrung ein Problem darstellt. Die leistungsstärksten Audio-Operationsverstärker haben GBWs weit über 100 MHz: etwa 3 Größenordnungen größer als die Audiosignalbandbreite. Solche Teile können nicht viel kapazitive Belastung bewältigen, es sei denn, sie sind für Leitungsantriebsanwendungen ausgelegt.

4. Kondensatoren mit hohem Wert sind typischerweise größer und haben daher eine größere parasitäre Serieninduktivität im Vergleich zu niedrigeren Werten. Ihre größeren Abmessungen koppeln sie mehr an benachbarte Knoten in der Schaltung. Bei oberflächenmontierten Teilen ist dies weniger von Belang.

5. Hochwertige Kondensatoren mit äquivalenter Leistung zu kleineren Werten sind oft viel teurer. Aus diesem Grund müssen Sie möglicherweise hochwertige Widerstände verwenden, um die Kondensatoren sowieso klein zu halten . Beispiel: Wenn Sie in Filterschaltungen, die von 0 Hz bis zum Audioband arbeiten, oberflächenmontierte Keramikkondensatoren verwenden, sind C0G/NP0-Typen die einzig akzeptablen, es sei denn, Sie sind mit der Mikrofonie einverstanden (Ihre Benutzer sind möglicherweise nicht in Ordnung). Daher können Sie im Allgemeinen weder X5R/X7R noch andere High-K-Keramiken wie Z5 verwenden. Um die Kosten mit C0G/NP0 niedrig zu halten, sind Sie auf Werte deutlich unter 1 μF beschränkt.

   Abgesehen davon: Audio muss nicht wörtlich sein, sondern nur ein Frequenzbereich. Die meisten „DC“-Instrumentenschaltungen, wie z. B. Signalkonditionierer für Dehnungs-, Druck- und optische Messungen, sind ziemlich empfindlich gegenüber „Audio“-Mikrofonie, und X5R/X7R/Z-Kondensatoren in den Signalpfaden in diesen Anwendungen sind schlechte Nachrichten, wenn Sie hohe Präzision wünschen. Sie sind auch eine schlechte Nachricht für die Entkopplung der Referenzspannung für A/D- und D/A-Wandler, es sei denn bei der HF- oder digitalen Breitbandübertragung, bei der Audio außerhalb des Bandes liegt. Möglicherweise müssen Sie dann Tantal parallel zu C0G-Typen verwenden.

6. Hochwertige Kondensatoren können einen dielektrischen Typ erzwingen, der von Natur aus lauter ist oder eine zunehmend stärkere dielektrische Absorption aufweist. Vakuum und trockene Luft und ähnliche Mischungen aus Einzelgasen sind in Bezug auf die Leistung nahezu ideal, aber ihre volumetrische Effizienz lässt zu wünschen übrig. Ein paar hundert pF ist alles, was Sie leicht kaufen können, obwohl Sie selbst viel bessere Teile herstellen können, wenn Sie die Zeit und die Fähigkeit haben. Dann kommt Teflon, dann verschiedene Kunststofffolien, dann Low-K-Keramik, dann wird High-K-Keramik mit Tantal und Elektrolyten vermischt. Wenn Sie Elektrolytkondensatoren sorgfältig auswählen, können Sie ziemlich rauscharme Teile erhalten, aber die Unterschiede zwischen verschiedenen Typen können dramatisch sein - mehrere Größenordnungen Unterschied in der Rauschamplitude bei niedrigen Frequenzen (1 μHz bis 1 Hz, Geben oder Nehmen) - wichtig, wenn Sie '

   Rauschen ist offensichtlich ein Problem in Filterschaltungen bei allen Frequenzen. Die relativ lange Zeitkonstante der dielektrischen Absorption ist hauptsächlich bei Gleichstrom und bei Audio- und ähnlichen Niederfrequenzanwendungen von Bedeutung. Für die HF-Nutzung wird es weitgehend irrelevant.

   Ich habe auch bereits Mikrofone erwähnt - sie sind nicht wirklich Rauschen (das zufällig / selbstunkorreliert und normalerweise breitbandig ist, sofern es nicht vom Design anders geformt ist), aber sicherlich ein Störsignal - normalerweise ziemlich schmalbandig.

Denken Sie jedoch auch daran, dass Laborinstrumente und Hochleistungs-Audiogeräte nicht jedermanns Sache sind. Ihre Anwendung kümmert sich möglicherweise einfach nicht um geringe Verzerrungen, geringe Mikrofonie usw. Viele durchaus akzeptable Konsumgüter haben eine mittelmäßige oder nur durchschnittliche Leistung in Bezug auf die Signalkettentreue, und die Benutzer sind damit nicht unzufrieden. Das Reverse-Engineering von ausrangierten Auto-Audiogeräten ist eine gute Möglichkeit, etwas über kostengünstige, mikrofonische Audiosignalketten zu lernen.

Persönlich ist meine Sichtweise etwas verzerrt, da ich seit meiner Kindheit Instrumentierung/Audio/Laborausrüstung mache. Mein erstes Design für einen externen Benutzer war ein einfacher tragbarer Audiomixer, bei dem ich etwas über das Rauschen von MOS-Operationsverstärkern und hochwertigen Widerständen lernte. Ich erinnere mich noch: Es basierte auf CA3240, da ich das zur Verfügung hatte. Diese Teile sind alles andere als leise für Audioarbeiten mit niedriger Impedanz.

Worüber Sie sprechen, ist die Wahl der Impedanz des Filters.

Wenn Sie den Filter zwischen einer Null-Quellenimpedanz und einer unendlichen Lastimpedanz betreiben würden, könnten Sie Ihre RC-Zeitkonstante völlig frei mit einem beliebigen Widerstandswert und dem entsprechenden Kondensator implementieren, den Sie wollten.

Normalerweise ist das jedoch nicht der Fall, und wir müssen zwischen endlichen Impedanzen arbeiten. Dann würden wir einen Widerstand wählen, der weit über der Quellenimpedanz und unter der Lastimpedanz liegt.

Der allgemeine Trend ist:

Höherer Widerstand, kleinere Kappe: weniger Belastung der Quelle, höheres Ausgangsrauschen, potenziell reduzierte Ausgangsspannung bei niedriger Lastimpedanz.

Kleiner Widerstand, große Kappe: weniger Rauschen und bessere Ausgangsimpedanz, aber mehr Belastung für die Quelle und teurer/größer

Sie wählen Filterkomponenten nicht "according to ... wish"so aus, dass sie die Spezifikationen der Übertragungsfunktion erfüllen.

Am Bord

Widerstände

Für opamp-basierte Schaltungen: alles im 1k$\Omega$bis 10k$\Omega$Bereich für Widerstände gilt als gut. Ein umfassender Beitrag steht Ihnen zur Durchsicht zur Verfügung. Bei größeren Widerständen werden zunehmend Offsetströme relevant.

Sie können nach "Präzisionswiderständen" suchen, die mit anspruchsvollen Spezifikationen teurer werden. Für PCB-Anwendungen sind oberflächenmontierte Widerstände klein. (Suche 0802/0603 und kleiner usw.)

Kondensatoren

Elektrolytkondensatoren verbrauchen Platinenplatz; Außerdem werden größere Kondensatoren für niedrigere Frequenzbereiche verwendet, so dass es sinnvoll ist, dies zu erreichen$R C$Spezifikationen mit Widerständen, wo möglich. Die Lebensdauer eines Produkts wird durch den verlustreichsten Kondensator bestimmt.

Informieren Sie sich bei Präzisionskondensatoren über Folienkondensatoren , die mit Toleranzspezifikationen zunehmend teurer werden.

Auf dem Chip

Um einen Widerstand auf dem Chip zu implementieren, ist teurer Platz auf dem Siliziumchip erforderlich. Daher wird je nach Verwendung ein MOS-Transistor mit einem geeigneten W/L-Verhältnis mit geeigneter Vorspannung verwendet. Diese einfache Anordnung leidet unter der Prozessvariabilität (was bedeutet: der Absolutwert einer Komponente kann über einen ziemlichen Bereich variieren). Dasselbe Variabilitätsargument gilt auch für einen Kondensator auf dem Chip.

Die gute Nachricht ist, dass das Verhältnis von Widerständen (oder Kondensatoren) auf einem Chip sehr genau gemacht werden kann.

Aus diesem Grund (und für niedrigere Frequenzbereiche) wird das Switched-Capacitor-Filter- Konzept verwendet. Ein Kultprodukt ist der MF-10- Chip.

Die Hauptidee hinter dem SC-Konzept besteht darin, dass ein Widerstand simuliert wird, indem Ladungen in und aus dem Kondensator bewegt werden, indem nicht überlappende Takte verwendet werden (deren Frequenz von einer PLL mit einem externen Kristall gesteuert wird und daher sehr genau ist). In Verbindung mit dem genauen Verhältnis zwischen den Kondensatoren auf dem Chip wird die Idee realisierbar.

Für Hochfrequenzanwendungen erfolgt die Filterung entweder unter Verwendung gut charakterisierter diskreter Komponenten oder vorteilhafter unter Verwendung einer PLL. Dies ist bei drahtlosen Transceiver-Schaltungen der Fall. Eine gute Artikelserie finden Sie hier .

Eine weitere Wahl für HF-Anwendungen sind die SAW/BAW- Filter.

In vielen Fällen gibt es eine weitere Einschränkung, die zu zusätzlichen Auswahlbeschränkungen führt. Stichwort: Komponentenspreizung .

Alle Filterstufen zweiter Ordnung benötigen mindestens 2 Widerstände und 2 Kondensatoren zum Aufbau der gewünschten Filterfunktion.

Abhängig von bestimmten Filterspezifikationen (Verstärkung, Pol-Q) kann die entsprechende "Komponentenstreuung" (Differenz zwischen dem niedrigsten und größten Komponentenwert) ziemlich groß sein. Sehr oft sind diese Überlegungen wichtig für die Auswahl einer geeigneten Filtertopologie.

Beispiel : Bandpass in MFB-Topologie (MFB: Multi-Feedback) mit zwei gleichen Kondensatoren und einer Bandbreite entsprechend Q=10 . In diesem Fall muss das Verhältnis der beiden Widerstände einen Wert von 4Q²=400 haben .

( Tipp : Zusätzliches resistives positives Feedback - Antonious Modifikation - wird die Situation verbessern und diese Komponentenstreuung verringern)

Kommentar: Die gleiche Situation besteht für die wohlbekannte S&K-Filterstufe mit Eins-Verstärkung . Abhängig vom Kondensatorverhältnis liegt das erforderliche Widerstandsverhältnis zwischen ca. 4Q² und 9Q² . ( Tipp : In diesem Fall wird der Wechsel von Einheitsverstärkung zu einer Verstärkung von zwei die Streuung der großen Komponenten drastisch reduzieren.)

Präzise, ​​stabile und qualitativ hochwertige Signalkondensatoren können teuer, schwer zu finden oder gar nicht verfügbar sein. Oft sind 100nF die Obergrenze und das dehnt sie schon aus.

Wirklich hochwertige Widerstände machen die Ausgangsimpedanz Ihres Tiefpassfilters wirklich hoch.

Kondensatoren mit "hohem Wert" sind normalerweise elektrolytisch und der Preis steigt und die physische Größe nimmt erheblich zu, wenn der Wert hoch wird. Ein Widerstand ist ein Widerstand, wenn Sie über Kleinsignalfilterung sprechen. Ein kleiner SMD-Widerstand hat die gleiche Größe, ob 1k bis 10M.

Bei Elektrolytwiderständen kommt es auch zu Stromlecks und ziemlich breiten Toleranzbändern für die Kapazität. Der aluminisierte Film auf hochwertigen Elektrolyten wird gerollt und mit diesen Rollen kommt Induktivität. Daher kann es bei Verwendung von gerollten Filmen zu einer ungeplanten induktiven Resonanz mit großen Wertbegrenzungen kommen.

Niedrigwertige Filmwiderstände oder Keramikkappen können ziemlich genau und klein mit sehr niedriger Induktivität sein - passen Sie das mit einem größeren Widerstand an und Sie werden in Ordnung sein. Im Allgemeinen versuche ich, unter 1uF zu bleiben, wenn ich kann, aber das ist eine allgemeine Phrase. Manchmal ist es nicht ganz möglich. Keramikkappen mit größerem Wert (zehn bis hundert uF) können teuer werden, und manchmal müssen Sie sie aufsaugen und die Dollars austeilen, oder manchmal müssen Sie einen Elektrolyten verwenden.