Was ist der Vorteil eines Sallen-Key-Filters gegenüber einem normalen Filter zweiter Ordnung?

Was Sie als "normal" bezeichnen, ist ein einfacher zweistufiger RC-Filter mit sehr schlechter Selektivität (nur zwei echte Pole). Im Gegensatz. Die Sallen-Key-Topologie ist in der Lage, eine Tiefpassantwort zweiter Ordnung mit viel besserer Selektivität (höherer Pol Qp) und verschiedenen möglichen Annäherungen (Butterworth, Chebyshev, Thomson-Bessel, ...) zu erzeugen.

Allerdings gibt es einen großen Nachteil der Sallen-Key-Struktur - verglichen mit anderen aktiven Filtertopologien (Multi-Feedback, GIC-Filter, State-Variable,...): Es gibt einen direkten Pfad (in Ihrem Beispiel: C4 ) vom Eingangsnetzwerk zum Operationsverstärkerausgang.

Das bedeutet: Für Frequenzen viel größer als die Grenzfrequenz ist die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers - wie gewünscht - sehr niedrig. Es gibt jedoch ein Signal, das direkt durch den C4-Pfad kommt, was ein Ausgangssignal am endlichen Ausgangswiderstand des Operationsverstärkers erzeugt. Und dieser Widerstand nimmt mit der Frequenz zu!

Folglich sind die Dämpfungseigenschaften dieses Filters nicht so gut, wie sie sein sollten/könnten. Und das haben Sie beobachtet: Die Magnitude zeigt für größere Frequenzen eine ansteigende Charakteristik. (Diese unerwünschte Dämpfungsverschlechterung wird nicht durch Begrenzungen des Verstärkungsbandbreitenprodukts verursacht).

Verbesserung: Die Situation kann durch Skalierung der Teilewerte verbessert werden: Kleinere Kondensatoren und größere Widerstandswerte.

Kommentar 1 : Diese unerwünschte Eigenschaft jeder Operationsverstärkerschaltung mit einem Rückkopplungskondensator (zwischen Ausgangs- und Eingangsschaltung) kann auch für den klassischen MILLER-Integrator beobachtet werden.

Kommentar 2: Also – gibt es irgendwelche Vorteile, die die Sallen-Key-Filter im Vergleich zu anderen aktiven Filterstrukturen haben? Ja - es gibt. Vergleichen wir die beiden am häufigsten verwendeten Topologien:

(1) Sallen-Key hat sehr niedrige "aktive Empfindlichkeits"-Werte (Empfindlichkeit gegenüber Operationsverstärker-Nichtidealitäten) und ziemlich hohe "passive Empfindlichkeits"-Werte (Empfindlichkeit gegenüber passiven Toleranzen).

(2) Multi-Feedback-Filter (MF): Hohe „aktive Empfindlichkeit“ und niedrige „passive Empfindlichkeit“.

Beide Empfindlichkeiten sind ziemlich wichtige Eigenschaften aller Filter, da sie die Abweichungen zwischen gewünschter und tatsächlicher Filterantwort bestimmen (unter IDEAL-Bedingungen hätten alle Filtertypen identische Leistungseigenschaften).

Bei wirklich hohen Frequenzen, z. B. höher als UnityGainBandWidth, hat der Operationsverstärker die Kontrolle über seinen Vout verloren. Beachten Sie, wie dieser invertierende einpolige Tiefpass auf die schnellen Eingangsimpulse NICHT INVERTIERT reagiert. Das Cfeedback ermöglicht es, dass die Eingangsladung direkt am Ausgang erscheint.

Hier ist die Schaltung und die OpAmp-Parameter:

Der einzige Grund, warum der BODE (2. Screenshot) bei höheren Frequenzen eine Dämpfung aufweist, ist, dass 'CL' 15pF mit den 2 Widerständen in VirtualGround LowPass bildet. [Wenn Sie eine bessere Hochfrequenzdämpfung wünschen, installieren Sie eine 470-pF-Kappe an Masse in der Mitte der 2 Eingangswiderstände.]

Sie werden viel Spaß haben, indem Sie den Amplifiers ROUT bearbeiten. Und durch Aktivieren dieses Eingangsfilterkondensators. Und diese 15pF Cload herausschneiden.

Dieses Beispiel ist eines dieser BUILTIN (keine SPICE-Kenntnisse erforderlich) für den Signal Wave Explorer, das kostenlos von robustcircuitdesign.com für 19 einzigartige Nutzungstage heruntergeladen werden kann.

Und Walt Jung von Analog Devices hat diese Schwachstelle von LPF schon vor Jahrzehnten diskutiert.

Hier ist ein Beispiel für den gemessenen Zout eines Operationsverstärkers (nahe 500 MHz, sieht aus wie 10 pF, 31 Ohm) für den aktiven und für den ShutDown-Modus:

Sie können aus vielen Konfigurationen wählen, abhängig von Ihren Spezifikationen für Gruppenverzögerung, Q, Bandpasswelligkeit, Bandsperrdämpfung, Flankensteilheit.

Sowohl Sallen-Key als auch Multiple Feedback können die gleichen Ergebnisse erzielen.

siehe unten.

Beide können eine hohe Verstärkung erzielen, die durch das GBW des von Ihnen gewählten OP begrenzt ist.

Diese TI-Software kann jeden aktiven Filter entwerfen und ermöglicht Ihnen die Auswahl aus beiden Konfigurationen und die Auswahl von Widerstandstoleranzen, die den geeigneten Wert auswählen. Sie können die Eingangsimpedanz nicht angeben, sodass Sie alle RC-Werte entsprechend skalieren können.

Ich habe die Bessel-Antwort gewählt, sodass die Gruppenverzögerung flach ist.

Hinzugefügt

Aus der anderen Antwort, die die Begrenzung der Operationsverstärker-BW aufdeckt, bei der der Ausgangswiderstand im offenen Regelkreis oder die Strombegrenzung eines Operationsverstärkers (Rail-to-Rail-Typen viel schlechter) ist, schlage ich vor, dass der Sallen-Keys-Filter für die Dämpfung über der BW schlechter ist des Operationsverstärkers und dass die Hochfrequenzdämpfung im offenen Regelkreis (> GBW) vom Eingangs-/Ausgangsimpedanzverhältnis über der GBW-Schwelle abhängt, wo die Reduzierung der negativen Rückkopplung auf Zout aufgrund fehlender Verstärkung keine Auswirkung hat.

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