Vermeidung von Elektrolytkondensatoren in Hochpassfiltern mit Sub-Hz-Cutoff

Wir müssen einen HPF-Filter entwerfen, um ein bipolares Signal mit einem Verstärker mit hoher Verstärkung zu koppeln. Jeder beträchtliche verbleibende Gleichstrom würde den Verstärker sättigen und muss daher mit dem Hochpassfilter (HPF) entfernt werden.

Aber die interessierende Bandbreite erstreckt sich bis hinunter zu 0,1 Hz, und daher sollte der Grenzwert für den HPF weit unter 1 Hz liegen.

Eine einfache Lösung erster Ordnung würde einen Kondensator in Reihe mit einem Widerstand verwenden.

Dann muss C groß sein, um eine sehr niedrige Grenzfrequenz zu erreichen, aber Elektrolytkondensatoren können nicht verwendet werden, da das Signal bipolar ist. Außerdem sind die Toleranzen für Elkos schlecht, was für unseren Präzisionsverstärker nicht akzeptabel wäre.

Was sind die besten Designs für diesen HPF, die Elektrolytkondensatoren vermeiden?

Eine mögliche Lösung scheint darin zu bestehen, einen Butterworth zweiter Ordnung mit einer Sallen-Key-Architektur zu implementieren. Die (zwei) Kondensatoren, die in diesem Design benötigt werden (gemäß dem Webench-Filterdesign-Tool von TI), sind kleiner als das C, das für einen HPF erster Ordnung erforderlich ist.

Ist dies ein guter Weg nach vorne (erhöhen Sie die Reihenfolge und verwenden Sie mehrere Stufen, um große Kondensatoren zu vermeiden)?

Welches sind die etablierten Ansätze für dieses Problem?

Es ist oft möglich, eine DC-Vorspannung über einen Elektrolyten zu legen, es sei denn, Sie müssen den DC-Wert beibehalten. Sie sind immer noch nicht besonders genau oder verzerrungsarm, aber sie funktionieren.
Was für einen Verstärker willst du verwenden? Was ist der gewünschte Gewinn?
Signale liegen im uV-Bereich mit Offsets im mV-Bereich. Daher sind normalerweise Verstärkungen im Bereich von 1000 bis 5000 erforderlich, und eine AC-Kopplung ist ein Muss, um eine Sättigung zu vermeiden.
Was ist die höchste Frequenz, die Sie verstärken müssen?
Verwenden Sie Operationsverstärker, um die Arbeit zu erledigen?
In Ihrem Fall würde ich in Erwägung ziehen, einen Tiefpassfilter in einer Rückkopplungsschleife zu verwenden, anstatt einen Hochpassfilter in einer Signalkette zu verwenden. Es ist einfach, einen Tiefpassfilter auf Film- oder sogar Keramikkondensatoren und einen Operationsverstärker zu implementieren.
Ihre Signalkette hat dann DC-Kopplung. Die Vorteile sind: keine Verzerrungen in einer Signalkette und einfache Schaltung für Filter.
Bis zu 10 KHz max.
Ja, wir verwenden Operationsverstärker für die Verstärkung. Tatsächlich umfasst der Designentwurf zuerst einen HPF (um zuerst Offset zu eliminieren und später Sättigung zu vermeiden) und mehrere LPF mit hoher Verstärkung nachgeschaltet (um hochfrequentes Rauschen außerhalb des interessierenden Bandes zu verstärken und zu eliminieren).
Es gibt bipolare Elektros, wenn auch vielleicht nicht in den großen Werten, die Sie brauchen werden.
@EricT Bist du zu dem Schluss gekommen, welche Lösung besser geeignet ist? Ich habe ein ähnliches Problem und suche nach Inspiration, wie ich es lösen kann.

Antworten (1)

Ein üblicher Weg, damit umzugehen, besteht darin, eine "DC-Servo" -Schaltung zu verwenden, um die DC-Komponente aufzuheben. Bauen Sie einen Tiefpassfilter, um den Gleichstrom zu isolieren, invertieren Sie ihn und fügen Sie ihn dem ursprünglichen Signal hinzu. Der Vorteil besteht darin, dass Sie im Tiefpassfilter hohe Widerstandswerte und relativ niedrige Kapazitätswerte verwenden können.

Ich hätte erwähnen sollen, dass geringes Rauschen in unserer Anwendung wichtig ist, da die Eingangs-(Bio-)Signale im uV-Bereich liegen. Daher ist eine Addition/Subtraktion vor der Amplifikation normalerweise ausgeschlossen. ABER ich möchte bestätigen, dass ich Ihren Vorschlag vollständig verstanden habe. Warum einen separaten LPF implementieren und dann subtrahieren? Sie vermeiden die Elektrolyse, indem Sie einen sehr großen Widerstand und einen kleineren Kondensator verwenden, was überhaupt im HPF hätte erfolgen können. Richtig?
Ja, es ist genau das gleiche Design, das ich vorschlage. Die richtige Implementierung verursacht keine Probleme mit Rauschen.
@EricT: Ja, richtig. Allerdings gibt es oft Gründe (Biasströme, Rauschen etc.), dass man keine hochohmigen Widerstände direkt im Signalweg haben kann. Die Servoschaltung bringt diese Komponenten in die Rückkopplungsschleife - einen "Seitenkanal", wenn Sie so wollen - wo diese Bedenken nicht bestehen. Der invertierende Operationsverstärker in der Rückkopplungsschleife hat keine Verstärkung im interessierenden Frequenzband, daher sollte Rauschen kein besonderes Problem darstellen, wie Master sagt.
Danke für deinen Kommentar/Lösung. Es lohnt sich auf jeden Fall, die DC-Servolösung zu erkunden. Und der Vollständigkeit halber wäre es möglicherweise auch interessant, sich einen RC-HPF mit einem Widerstand von> 1 MOhm (und einem Keramikkondensator mit niedriger Kappe) anzusehen, um ein großes Tau> 1 Sekunde zu erhalten. Überprüfen Sie dann das Rauschen und die Wirkung des Bias-Stroms des nachgeschalteten Operationsverstärkers. Danke noch einmal.
Vermeidung von Elektrolytkondensatoren in Hochpassfiltern mit Sub-Hz-Cutoff
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