Unerwartetes Verhalten des Sallen-Key-Filters zweiter Ordnung

Ich bin auf ein unerwartetes Verhalten gestoßen, als ich unter Multisim (National Instruments) die im Bild unten angegebene Sallen-Key-Schaltung simuliert habe.

Sallen-Key-Tiefpassfilter Ordnung 2

Die Schaltung ist so ausgelegt, dass sie eine 1,8-kHz-modulierte Sinuswelle als Eingang empfängt. Die Gleichungen lauten:

  • H ( J ω ) = k ( ω ω 0 ) 2 + J 1 Q ω ω 0 + 1
  • k = 1 + R B R A
  • F 0 = 1 2 π M N R 1 C 1
  • Q = M N M + 1 + M N ( 1 K )

Werte, die mir auferlegt werden sind:

  • N = 1
  • C 1 = 100 N F
  • R A = 1 k Ω

Für meine Situation wähle und/oder berechne ich folgende Werte:

  • R B = R 1 = R A = 1 k Ω
  • M R 1 = 470 Ω
  • C 1 = N C 1 = 100 N F
  • F 0 = 2300 H z
  • Q = 2 2

Also, der Schaltplan ist der folgende

Schematische Sallen-Key-Schaltung

Und die Bode-Plot-Simulation ergibt:

Bode-Plot-Simulation

Und ich weiß einfach nicht, wie es möglich ist, danach aufzustehen F 0

Wenn jemand das sieht, wo ist das Problem.

Vielen Dank im Voraus an alle, die mir vielleicht ein paar Ideen geben können.

Hier ist die schematische Netzliste (ich habe einige Werte geändert, aber das Verhalten ist fast gleich)

** PasseBasOrdre2 **
* 
* NI Multisim to SPICE Netlist Export
* Generated by: Dim
* Mon, Nov 18, 2013 20:46:37 
*

*## Multisim Component U1 ##*

xU1 1 3 VPOS VNEG BasculeSeuil 5T_VirtualU1 params: Vos=0.001 Ibias=8e-008 Ioffset=2e-008

Av=200000 BW=100000000 SR=1000000 CMRR=100 Iomax=0.025 Rin=10000000 Rout=10

.subckt 5T_VirtualU1  In_p In_n Vpos Vneg Out params: Av=200k BW=20Meg CMRR=100

+SR=1Meg Rout=75 Iomax=25m Rin=100meg Vos=0.1m Ibias=1n Ioffset=1p

.param Rp1=1e6

.param Rs1=1e6

.param K_Is2a=sqrt(Av)/Rs1

.param K_Is2b=sqrt(Av)/Rp1

.param Cp1={Av/(2*pi*BW*Rp1)}

.param CMRR_lin=10**(CMRR/20)

Rin In_p In_n {Rin}

Bcm 4 3 V = { V(cm)/CMRR_lin}

Voff In_p 4 {Vos}

Ibias1 In_p 0 {Ibias}

Ibias2 In_n 0 {Ibias}

Ioffset In_p In_n {Ioffset/2}

Rcm1 In_p cm 10meg

Rcm2 In_n cm 10meg

BIs1a vref vs2a I = { K_Is2a*(V(3)-V(In_n)) }

Rs1 vs2a vref {Rs1}

BIs2b vref vs2b I = { K_Is2b*(V(vs2a)-v(vref)) }

Rp1 vs2b vref {Rp1}

VCp1sense vs2b vs2b_ 0

Cp1 vs2b_ vref {Cp1}

D3 vs2b_ 8 Limit_Diode  

D4 8 vpos Limit_Diode  

B_SRp 8 vpos I={I(VCp1sense)- (Cp1*SR)}

D5 10 vs2b_ Limit_Diode

D6 Vneg 10 Limit_Diode

B_SRn Vneg 10 I={-1*I(VCp1sense)-(Cp1*SR)}

DVpclip vs2b_ Vpos V_limit

DVnclip Vneg vs2b_ V_limit

Bout vref out_ I={(V(vs2b)-v(vref))/Rout}

Rout vref out_ {Rout}

Voutsense out_ out 0

D9 out 15 Limit_Diode  

D10 15 vpos Limit_Diode  

B_outp 15 vpos I={I(Voutsense)- Iomax}

D11 16 out Limit_Diode

D12 vneg 16 Limit_Diode

B_outn vneg 16 I={-1*I(Voutsense)-Iomax}

R5 Vpos mid 1000000

R6 mid Vneg 1000000 

Eref vref 0 mid 0 1

.MODEL Limit_Diode  D (IS= 1.0e-12)

.MODEL V_limit D(n=0.1)

.ends

*## Multisim Component R3 ##*

rR3 1 2 1000 vresR3  

.model vresR3 r(  )

*## Multisim Component V3 ##*

vV3 0 VNEG dc 5 ac 0 0
+           distof1 0 0
+           distof2 0 0

*## Multisim Component V2 ##*

vV2 VPOS 0 dc 5 ac 0 0
+           distof1 0 0
+           distof2 0 0

*## Multisim Component V1 ##*

vV1 4 0 dc 0 ac 1 0
+      distof1 0 0
+      distof2 0 0
+      sin(0 {1*1.414213562} 1800 0 0 0)

*## Multisim Component R4 ##*

rR4 2 4 390 vresR4  

.model vresR4 r(  )

*## Multisim Component R1 ##*

rR1 3 0 68000 vresR1  

.model vresR1 r(  )

*## Multisim Component R2 ##*

rR2 BasculeSeuil 3 33000 vresR2  

.model vresR2 r(  )

*## Multisim Component C2 ##*

cC2 1 0 1e-007

*## Multisim Component C1 ##*

cC1 BasculeSeuil 2 1e-007
Muss es eine Einzellieferung sein? Wiederholen Sie die Simulation mit +/- 5V-Schienen und sehen Sie, was passiert.
Das AC-Signal in einen OPAMP mit Einzelversorgung wird keine Lehrbuchergebnisse liefern
Zu den obigen Ausführungen sei daran erinnert, dass es sich bei der oben gezeigten Simulation um eine AC-Simulation handelt, die um den Arbeitspunkt linearisiert ist. Es gibt kein Clipping, überhaupt kein nichtlineares Verhalten für die AC-Analyse. Nun kann es sein, dass der Betriebspunkt einige ungewöhnliche Kleinsignalparameter für die AC-Simulation liefert, und das kann die Wurzel des Problems sein.
Wo haben Sie ein Bild einer Operationsverstärkerschaltung mit den Beschriftungen "i" und "ni" für die Eingänge gefunden? Ich frage mich, ob das früher einmal üblich war? Ich kann mich nicht erinnern, eine solche Notation gesehen zu haben.
Schauen Sie sich ti.com/lit/an/sloa024b/sloa024b.pdf an und suchen Sie nach dem "Effekt der Ausgangsimpedanz". Könnte es das sein? Obwohl es in diesem Fall in einem zu niedrigen Frequenzbereich angezeigt wird.
@Kaz Also, wenn ich gut verstanden habe, was uns das Dokument sagt, tritt der Ausgangsimpedanzeffekt in Sallen-Key-Filtern immer bei hohen Frequenzen auf. Das Problem ist dieser Kondensator C 1 auferlegt wird, und das Einstellen der Eingangswiderstände ändert dieses Problem nicht.

Antworten (3)

Sie haben die Erdung nicht richtig eingerichtet. Im Moment führen Sie die Schaltung um die negative Versorgungsschiene des Operationsverstärkers herum, sodass der untere Teil der Wellenform abgeschnitten wird. Sie müssen dies in ein Split-Rail-Design umwandeln. Dies kann entweder durch Ändern der Opamp-Versorgung von 5 V und 0 V auf +2,5 V und -2,5 V oder durch Ändern der Masse des Rests der Schaltung auf +2,5 V erfolgen. Und versuchen Sie es mit einem Eingangssignal von 1 VRMS, da 5 VRMS Ihre Versorgungsschienen überschreiten.

Danke für die Antwort. Aber ich habe immer den gleichen Bode-Plot, wenn ich das berücksichtige, was Sie gesagt haben.
@ user32866, ersetzen Sie das Operationsverstärkermodell durch ein ideales Spannungsverstärkermodell mit sehr großer Verstärkung und überprüfen Sie die Ergebnisse Ihrer AC-Simulation, um festzustellen, ob sie mit der Theorie übereinstimmen. Wenn ja, ist mit dem Opamp-Modell etwas Seltsames los.
@AlfredCentauri, mit einem idealen Operationsverstärker und gelöster schlechter Erdung erhalte ich die gleichen Ergebnisse. Nur die Form ist etwas besser.
@diminus, das ist sehr seltsam. Würdest du die Netzliste posten?
@AlfredCentauri Ich habe die Netzliste am Ende der Frage hinzugefügt. Ich habe einige Werte geändert, aber das Verhalten bleibt gleich.

Der LT1490 hat eine schlechte Ausgangsimpedanz: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Bei 10 kHz beträgt die Ausgangsimpedanz über 100 Ohm – der 100-nF-Rückkopplungskondensator hat bei 10 kHz eine Impedanz von 159 Ohm – er verhält sich nicht mehr wie ein anständiges Filter, und bei 100 kHz ist die Ausgangsimpedanz dumm hoch, während die 100 nF 15,9 Ohm beträgt .

Wählen Sie einen besseren Operationsverstärker, würde ich empfehlen.

Andy hat es auf den Punkt gebracht, aber vielleicht hat er die Implikationen nicht klar genug gemacht.

Angenommen, die Schaltung ist ein perfekter LPF und der Ausgang des Operationsverstärkers ist daher bei hohen Frequenzen 0. Berücksichtigen Sie nun die Ausgangsimpedanz aus Andys Diagramm; Bei niedrigen Verstärkungen über 20 kHz beträgt er 1 Kiloohm oder mehr.

Zeichnen Sie nun eine Hochfrequenzannäherung an Ihre Schaltung, und es sieht so aus:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

und es wird ein paar dB Dämpfung bei hohen Frequenzen haben, wie Ihre Messungen vermuten lassen (besser bei niedrigeren Frequenzen, wo sich der Zout verbessert).

Sie könnten es verbessern, indem Sie alle Widerstände mindestens 10x höher als den Zout wählen, aber wenn Sie den C1-Wert nicht ändern können, erhalten Sie nicht den gewünschten Frequenzgang. Dann ist die einzige Antwort, wie Andy sagt, ein besserer Operationsverstärker.