Identifizieren der Funktion passiver Komponenten in Operationsverstärkerschaltungen

Ich denke, Sie müssen es als Schaltkreise und nicht als einzelne Komponenten betrachten.

Der erste Operationsverstärker ist ein Hochpassfilter zweiter Ordnung.

Der zweite Operationsverstärker ist ein Tiefpassfilter zweiter Ordnung.

Beide Filter sind Sallen-Key-Topologien, wie Jonk in seinem Kommentar schrieb. Es gibt eine ziemlich gute Wikipedia-Seite zu Sallen-Key .

Die Schaltung am ADC-Eingang ist ein symmetrischer Tiefpassfilter. Sie können die Schaltung im Datenblatt des ADC nachlesen . Die genaue Schaltung finden Sie im Abschnitt Anwendung und Umsetzung.

Sallen und Schlüssel

Das IEEE (IRE)-Papier von RP Sallen und EL Key aus dem Jahr 1955, „A Practical Method of Designing RC Active Filters“, ist lesenswert. Aber noch besser ist ihr (inzwischen) freigegebener Bericht, RP Sallen und EL Key, „A Practical Method of Designing RC Active Filters“, MIT Lincoln Laboratory Technical Report, Nr. 50, 6. Mai 1954 (alias „TR 50“). Beides ist lesenswert, aber TR 50 ist meiner Meinung nach weitaus besser. Leider muss die US Air Force Sie immer noch freigeben, um eine Kopie davon zu erhalten, und Sie müssen eine Begründung dafür schreiben, bevor das MIT eine Kopie herausgibt. (Leider.)

Ich habe beides und ich halte es für sehr wert, dass es sich lohnt, es zu lesen. Sie kümmern sich nicht wirklich um Filter 1. Ordnung (ich denke, sie denken, dass das "zu einfach" zu decken ist.) Aber sie decken 2. Ordnung und höher ab, was sehr schön ist. (Anhang I von TR 50 deckt beispielsweise sowohl Butterworth als auch Tschebyscheff ab.)

Die moderne Interpretation von Sallen-Key-Filtern ist normalerweise ein Filter zweiter Ordnung, das zwei Widerstände (in gleichwertigen Paaren) und zwei Kondensatoren (ebenfalls in gleichwertigen Paaren) verwendet. Sie decken zufällig die Idee gleichwertiger Komponenten in ihren ab Papier, aber ich betrachte es nicht als Hauptanliegen. Ich denke also, dass es nur Popularisierer ihrer Ideen wie Don Lancaster sind, die diese Verbindung mehr vertieft haben als die ursprünglichen Autoren selbst. (Sallen und Key waren sozusagen hinter mehr theoretischen „Fischen“ her.)

Wenn Sie möchten, können Sie sich auf ein paar Dinge beziehen, die ich hier und hier geschrieben habe . Kann helfen. Nicht dürfen.

Sallen und Key HP-Filter

Für die erste Stufe sind die einfachsten Formen von Hochpass-Sallen-Key-Filtern:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

(Ich füge die alte Version hinzu, nur damit Sie darüber nachdenken können.)

Ihre erste Stufe sieht dem (modernen) Fall auf der rechten Seite sehr ähnlich. Wenn Sie möchten, können Sie diesen EESE-Link lesen , um zu sehen, wie Sie das obige Schema interpretieren. Aber wenn beide Widerstände und beide Kondensatoren den gleichen Wert haben und die Spannungsverstärkung$K=1$, Dann$\omega_{_0}=\frac1{R\,C}$Und:

Das sollte man leicht mit sehen$K=1$dann Dämpfungsfaktor$\zeta=1$, der ein kritisch gedämpfter Butterworth-Filter ist. Mit den Werten, die Sie für diese erste Stufe zur Hand haben, können Sie berechnen$\omega_{_0}=\frac1{R=1\:\text{M}\Omega\:\cdot\: C=10\:\text{nF}}=100$oder das$f\approx 15.92\:\text{Hz}$. (Der$2.5\:\text{V}$Referenz, die ein Ende von speist$R_{10}$stellt einfach eine DC-Vorspannung für den Eingangsknoten des Operationsverstärkers her, so dass sein Ausgang auf halbem Weg zwischen den Schienen ähnlich vorgespannt wird.)

$R_9$bietet einen DC-Pfad für den Eingangsknoten (gute Idee) und kann je nach Quellenwiderstand den genauen Rolloff-Punkt einstellen. Nicht wahrscheinlich und ich glaube nicht, dass es sich so stark ändert, wie das Diagramm vermuten lässt. Also nenne ich es erstmal gut genug. Vielleicht liegt es an meiner eigenen Unwissenheit.

Sallen und Key LP-Filter

Für die zweite Stufe (Tiefpass) sind die einfachsten Formen von Sallen-Key-Tiefpassfiltern:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Hier ist wieder die Verstärkungsspannungsverstärkung$K=1$, aber jetzt sind die Widerstands- und Kondensatorwerte nicht gleich, also$\omega_{_0}=\frac{1}{\sqrt{R_1\:C_1\:R_2\:C_2}}$(Ich verwende nur der Einfachheit halber die Indizes 1 und 2 - offensichtlich stimmen diese nicht mit der Nummerierung des Schaltplans überein) und$\zeta=\sqrt{2}$. Also bekomme ich$f\approx 19.87\:\text{kHz}$. Aber seit$\zeta=\sqrt{2}$, es ist überdämpft (wahrscheinlich, um eine maximal flache Zeitverzögerung bereitzustellen), sodass das Abrollen etwas früher als das, was auftreten kann, auftreten kann$\omega_{_0}$schlägt vor. Aber auch hier bin ich nicht weiter gegangen, um den angegebenen Wert zu überprüfen.

Das ist so viel, wie ich hier hinzufügen möchte, und ich kann sicherlich Fehler gemacht haben. Aber es sollte einen ungefähren Überblick geben, der zumindest hilft, einige der Komponenten zu identifizieren, bei denen Sie sich nicht so sicher waren.

Tolle Übung. Die anderen Antworten bieten nützliche Hintergrundinformationen, aber Ihr Ansatz bietet eine gewisse Erbauung und etwas, das ich beim Erlernen von Elektronik immer genossen habe (und von dem ich frustriert war). Es gab schon immer diese "schwarze Kunst" in der Elektronik, die durch ein Festhalten an Geheimnissen aufrechterhalten wird, so dass viele großartige Erkenntnisse verloren gehen. Lassen Sie uns versuchen, etwas Rationelles zu liefern:

• R9: Begrenzt das Rauschen, das in den Verstärker eintritt, wenn der Eingang getrennt wird.
• C10, C12: Die beiden C's des zweistufigen RC-Hochpassfilters, angeordnet nach der Sallen-Key-Topologie
• R10: Biassignal um 2,5 V, wie von der Sallen-Key-Topologie vorgeschrieben.
• R11: Bildet mit C10 einen Hochpass-RC-Filter, ist aber mit dem Ausgang des Filters verbunden, um den Eingang zu booten und eine niedrigere Eingangsimpedanz bereitzustellen.
• C14: Entkopplungskappe für U2.
• R14: Start einer neuen Sallen-Key-Topologie, diesmal ein Tiefpass.
• R17: Fortsetzung der Sallen-Key-Topologie (liefert das Tiefpassfilter der zweiten Stufe).
• C18: Bildet als Teil der Sallen-Key-Topologie mit R17 einen Tiefpass-RC-Filter der zweiten Stufe.
• C19: Bildet mit R14 als Teil der Sallen-Key-Topologie einen Tiefpass-RC-Filter der ersten Stufe.
• R18: Widerstand im RC-Filter vor dem ADC-Eingang
• R19: Bietet eine passende Eingangsimpedanz auf Signalweg und Rückweg, um einen pseudodifferenziellen ADC-Eingang zu bilden, der die Linearität verbessert.
• C21: Kondensator im RC-Filter vor dem ADC-Eingang.