Spannungsgesteuerter Butterworth-Hochpassfilter mit Transkonduktanz-Operationsverstärker?

In den Datenblättern von Texas Instruments für den Transkonduktanz-Operationsverstärker LM13700 (sowie die früheren National Semiconductor-Versionen) gibt es einen Anwendungshinweis, der ein spannungsgesteuertes 2-poliges Butterworth-Tiefpassfilter zeigt (im TI-Datenblatt ist dies in Abbildung 34 auf Seite gezeigt 15):

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Ich verwende diesen Filter, möchte aber einen symmetrischen Hochpassfilter (der wahrscheinlich dieselben RC-Werte wie der Tiefpass verwendet). Ich brauche grundsätzlich ein symmetrisches Paar spannungsgesteuerter Tief- und Hochpassfilter.

Kennt jemand einen vorhandenen Schaltplan (in einem Buch oder online) oder wie ich ein gleichwertiges spannungsgesteuertes 2-Pol-Butterworth-Hochpassfilter entwerfen würde ? Ich habe versucht, es grafisch darzustellen und kann nicht herausfinden, abgesehen von der offensichtlichen Verbindung des Ausgangs der ersten Stufe mit der zweiten, wo die Rückkopplung zwischen den Stufen liegt. Dies wird durch die Tatsache erschwert, dass der Hochpassfilter (Abbildung 33) die Verbindungsstelle zwischen dem Ausgang und dem Puffereingang (Pins 5 und 7) als Quelleneingang verwendet:

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Ich nehme an, der einfachste Weg, dies anzugehen, wäre zu fragen: Welche Änderungen würde ich am vorhandenen Tiefpassfilter (Abbildung 34) vornehmen, um ihn in einen Hochpass umzuwandeln? Dies würde einfach erscheinen, wären da nicht meine eigenen Einschränkungen. [Oh, und Entschuldigung zur Erklärung: Ich bin kein Ingenieur, aber auch nicht gerade neu in analogen Schaltungen, aber ich muss Transkonduktanz-Operationsverstärker verwenden.]

Wenn es hilfreich ist, gilt dies für Frequenzen im Audiobereich mit einer Versorgung von + -9 VDC.

Vielen Dank für jede Hilfe.

Antworten (2)

Ich gehe davon aus, dass Sie nicht gezwungen sind, die in Ihrem Diagramm gezeigte Struktur (für Tiefpassfilter) zu verwenden? Im Folgenden gebe ich Ihnen den Link zu einem der klassischen Inventarartikel zum Thema OTA-Filter:

http://class.ece.iastate.edu/vlsi2/docs/Linked%20Publications/1985-03-ICADM-RG.pdf

Unter Bezugnahme auf Fig. 7 in diesem Aufsatz empfehle ich, eine der Strukturen zu wählen, die für Tiefpass- oder Hochpassfunktionen zweiter Ordnung verwendet werden kann. Formeln zur Steuerung der verschiedenen Parameter sind ebenfalls angegeben.

Nein, ich bin eigentlich nicht gezwungen, die Struktur in Abbildung 34 zu verwenden, aber ich wähle unter anderem diesen Ansatz, um zu lernen, wie man OTAs für das Problem verwendet. Ich brauche die Hoch- und Tiefpassfilter, um symmetrisch zu sein (dh identische oder sehr ähnliche Eigenschaften zu haben). In Bezug auf die Lösungen, die in dem Artikel vorgestellt werden, auf den Sie verwiesen haben (danke), bin ich, wie ich bereits erwähnt habe, kein Ingenieur von Beruf und bin nicht damit vertraut, von Formeln zu Schaltplänen zu wechseln.

Sie können Filter subtraktiv verwenden....

Nehmen Sie Ihr Originalsignal und erzeugen Sie die Tiefpass-Ausgangsversion mit der Schaltung in Ihrer Frage. Nehmen Sie dann Ihr Originalsignal und subtrahieren Sie den Tiefpassausgang davon. Was Ihnen (als neues Signal) bleibt, ist die Hochpassversion.

Sie erhalten also zwei Ausgänge; Einer ist ein Tiefpass mit einer Grenzfrequenz von (sagen wir) 1 kHz und der andere ein Hochpass mit einer Grenzfrequenz, die ebenfalls auf 1 kHz festgelegt ist. Wenn Sie die Grenzfrequenz des LP-Filters senken, wird der HP senkt auch seinen Cut-Off.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Andy, können Sie bitte demonstrieren, wie und warum Ihr Schema eine Hochpassantwort gibt (gleiche Grenzfrequenz und gleiche Charakteristik)?
@LvW Wenn der Eingang eine niedrige Frequenz hat, erzeugt das Subtrahieren des LP-Ausgangs vom Eingang ein sehr kleines Signal. Wenn der Eingang eine hohe Frequenz ist, ist der LP-Ausgang winzig und der HP-Ausgang weitgehend unbeeinflusst. Natürlich sollte der LP-Ausgang kein invertierender Typ sein, damit die Subtraktion sonst funktioniert, es ist eine Addition. Ich habe diese Technik beim Design digitaler Filter verwendet, und ich glaube, dass ein analoger Biquad-Filter diese Methode (wenn auch in einer Rückkopplungsschleife) zur Erzeugung des HP-Ausgangs verwendet.
Sie können auch einen Kerbfilter erstellen, indem Sie einen LP- und einen HP-Ausgang hinzufügen, sodass das Prinzip bekannt ist.
Andy, ich stimme Ihren qualitativen Erklärungen zu; das heißt: Es KÖNNTE eine Übertragungsfunktion erzeugt werden, die eine Hochpasscharakteristik hat, ABER: Die Tiefpassverstärkung muss Eins sein, sonst funktioniert diese Methode nicht. Außerdem ist die ansteigende Hochpassflanke nur erster Ordnung. Dies lässt sich mathematisch einfach nachweisen. Daher empfehle ich diese Methode nicht, da der Fragesteller zwei "symmetrische" Antworten benötigt.
@LvW Ja, die Steigung der HP ist nicht die gleiche Rate wie die der LP.
Das Konzept ist solide, aber achten Sie auf Phasenprobleme, die den Rolloff allmählicher als erwartet machen könnten. Wenn beispielsweise das ultimative Stoppband der LP um 180 Grad vom Durchlassband entfernt ist, fügt die Differenzschaltung diesen Teil hinzu, anstatt ihn zu subtrahieren, sodass er nur in dem angezeigt wird, was eigentlich nur HP sein sollte. Da dies teilweise geschieht (Phase < 180 Grad), macht es die HP-Ausgabe immer noch etwas höher als bei dieser Frequenz erwartet. Dies kann ein Problem sein oder auch nicht, aber Sie sollten sich dessen zumindest bewusst sein.
Hallo Andy, deine Antwort liefert eine Lösung als Differenz zwischen dem Filter und dem sauberen Signal. Ich versuche, die Folgerung aus dem vorhandenen Tiefpassdesign zu finden, sodass die Tiefpass- und Hochpassfilter symmetrisch sind (mit identischen oder sehr ähnlichen Eigenschaften, sodass ihre jeweiligen Spannungssteuereingänge auf die gleiche Weise gegen beide Filter funktionieren). Wenn eine brauchbare Folge der bereitgestellten Tiefpassversion nicht möglich ist, wäre es hilfreich, dies zu wissen. Wie meine Antwort auf LvW unten andeutet, ist dies auch eine Übung zum Erlernen, wie dies mit OTAs geschehen kann, um mehr über OTAs zu erfahren.
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