Was ist der Zweck dieses zusätzlichen Kondensators in diesem Operationsverstärker-Tiefpassfilter?

Ich versuche, diesem Blogbeitrag zum Reverse Engineering des Ultraschall-Abstandssensors HC-SR04 zu folgen .

Das Signal vom empfangenden Wandler wird verstärkt, gefiltert und dann erneut verstärkt.

Auf dem Filter befindet sich zwischen dem Signal und dem invertierenden Eingang eine 1-nF-Kappe C4, von der ich glaube, dass sie ein DC-Block ist. Es gibt eine zweite 1-nF-Kappe C3 zwischen dem Signal und dem Ausgang des Operationsverstärkers.

Was ist der Zweck von C3?

Die erwartete Signalfrequenz beträgt 40 kHz.

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Die gezeigten Teilewerte ergeben eine Bandpass-Mittenfrequenz von ca. fo = 19,8 kHz.
Warum dachten Sie, es seien 40 kHz?

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Was ist der Zweck von C3?

(korrigiert) Verzeihen Sie meine schlechte Ingenieurskunst.

Ich meinte negative Induktivität, nicht -L. L ist immer eine positive ganze Zahl mit positiver Reaktanz, während C eine negative Reaktanz ist, es sei denn, es wird in einem Impedanzwandler mit Rückkopplung verwendet.
(also immer an Impedanz denken)

C4 ist ein aktiver Induktor oder negativer Kondensator als negativer Impedanzwandler (NIC), während C3 der aktive Kondensator oder negative Induktor ist, der negative Rückkopplung als Integrator verwendet, indem er seine Antwort von der 820-Ohm-Eingangsquellenimpedanz subtrahiert. (1k // 6k2) Während C2 sehr wenig Wirkung hat und C4 in Reihe mit C3 einem passiven L//C zu virtuellen AC-Massen entspricht. (Vin- und Vout) Die NIC wandelt den Notch-Filter der Serie C3:C4 in einen BPF um, indem die negative NIC-Rückkopplung über Vin- verwendet wird. (ich hoffe das ist klar)

C2 ist ein schwacher Integratorpol 2 Größenordnungen in f über dem BPF, kurz vor den möglichen GBW-Grenzwerten, um die Filtervarianz mit ICs zu normalisieren, die Toleranzen bei einem GBW von 5 bis 10 MHz aufweisen, oder um die Varianz der Spitzenverstärkung zu reduzieren und dennoch fallen zu lassen um einen festen Betrag von 3dB. Es könnte die Phasenreserve bei ICs mit << 60 Grad verbessern. das ist meine vermutung.

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Die tatsächliche Frequenz beträgt etwa 20 kHz mit einer Verstärkung von 12 dB. Es ist hauptsächlich ein LC-Parallelresonanzfilter zweiter Ordnung mit einer gewissen Verstärkung des R-Verhältnisses. Die 12 pF reduzieren die Q-Spitze von 15 dB auf 12 dB.

Die GBW muss mindestens 4 MHz und vorzugsweise mindestens 10 MHz von meiner RoT (Faustregel) entfernt sein.

GBW = Qmax^2 * Av * fo= 64 * 3,3 * 20 kHz

Wenn wir einen Induktor verwenden müssten, wäre er ziemlich groß, um einen niedrigen ESR <= 10 mOhm und ungefähr das 50-fache der Kosten einer Kappe zu erreichen. Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

ref Dies ist eine grobe Annäherung an einen ähnlichen LC-Filter.

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Dies bedeutet nicht, dass Sie 10 Ampere durch die Induktivität "C4" leiten können. Es könnte etwas explodieren. (LOL)

Aber der Operationsverstärker zieht Strom aus der Versorgung, um dasselbe zu tun wie die Induktivität, außer dass dies eine invertierende NIC ist. oder INIC.

@ Tony Stewart, bei allem Respekt, ich kann deiner Erklärung nicht folgen. Natürlich können Sie die gezeigte aktive RC-Beschaltung durch eine entsprechende LC-Beschaltung ersetzen. Ein solcher Schritt ist immer möglich. Wie können Sie jedoch sagen, dass "C3 ein aktiver Induktor ist"? In der ursprünglichen Schaltung stellt der Kondensator C3 der Schaltung eine TIEFPASS-Funktion zur Verfügung (und C4 wirkt als Hochpass). Aber im LC-Äquivalent ist die Induktivität für die HOCHPASS-Eigenschaften verantwortlich (und sie dämpft tiefe Frequenzen). Der Kondensator C3 macht also genau das Gegenteil wie von Ihnen erwähnt.
Die Logik des Negativimpedanzwandlers besagt, dass SIE eine Kappe C4 als aktive Induktivität definieren können. C3 ist offensichtlich eine Integratorkappe, war mein Irrtum. (BrainFart @LvW)
Aber wo sehen Sie eine Impedanzwandler-NIC? Darüber hinaus ist es die Eingangsimpedanz der gesamten NIC-Schaltung (und NICHT der Kondensator allein), die sich wie eine verlustbehaftete Induktivität verhalten kann. Ich denke, eine solche Ansicht hat nichts mit der fraglichen Schaltung zu tun.
In Bezug auf die korrigierte Version der obigen Antwort: Der Verweis auf einen negativen Impedanzwandler (NIC) ist nicht korrekt. Ein kurzer Blick in das verlinkte Dokument verrät, dass die diskutierte Bandpass-Schaltung keinen Bezug zu einem NIC-Block hat.
Mehr noch: Ich kann lesen, dass „C4 ein aktiver Induktor oder negativer Kondensator“ und „C3 der aktive Kondensator oder negative Induktor“ ist. Eine solche Behauptung bedarf einer Erklärung. Ich frage mich, wie ein negativer Kondensator einen Frequenzgang wie eine Induktivität haben kann.
@LvW Ich bin überrascht, dass du das nicht weißt. Hast du den Ref-Link gelesen? Das erklärt alle Arten von NIC. vom einfachsten Av=-Xf/Xin also Xin wird die Impedanz von Xin invertiert, um den Ausgang zu erzeugen, der einen passiven Induktor modelliert
Die beiden Cs bilden eine Reihenkerbe zum Eingang mit negativer Rückkopplung, die invertiert wird, um ein BPF zu werden. Xc= - XL ispso facto
Zitat: "C4 ist eine aktive Induktivität oder ein negativer Kondensator". Ich frage Sie erneut: Wie kann eine aktive Induktivität mit einem negativen Kondensator identisch sein? Bedeutet dies, dass die Impedanz jwL gleich (-1/jwC=j/wC) ist? Nein natürlich nicht! Wenn Sie den dritten Kommentar oben noch einmal lesen, werden Sie sehen, dass ich etwas über VNIC und INIC weiß. Aber die Hauptsache ist: Die ganze Geschichte über die NIC hat nichts mit der ursprünglichen Frage und der diskutierten Bandpass-Schaltung zu tun. Warum hast du das überhaupt angesprochen?
Klarstellung (für jemanden, der mit NIC-Techniken nicht vertraut ist): Eine NIC ist ein aktives Netzwerk (Operationsverstärker und 3 passive Teile). Die Eingangsimpedanz an einem NIC-Port kann identisch mit der Eingangsimpedanz einer negativen Induktivität (-jwL) sein, wenn einer der drei passiven Teile als Kondensator C gewählt wird. Dies bedeutet jedoch nicht, dass dieser C "eine negative Induktivität ist ". Ich hoffe, das verdeutlicht das Thema.
Hier ist der einfachste Fall einer aktiven Induktivität XL tinyurl.com/cduhetd6 -Xc mit einem Hochpassfilter
In Bezug auf widerstands- oder reaktanzgesteuerte spektral geformte Filter verwenden wir die Eigenschaften von Impedanzverhältnissen mit einem geeigneten Verstärker mit aktiver Verstärkung (Fehler), um einen negativen Widerstand zu erreichen, indem wir Verluste mit negativer Rückkopplung verwenden, um eine Verstärkung zu erhalten. Auch um eine aktive Induktivität aus dem Einfügungskondensator C4 zu erreichen, um mit C3, der Integrationskappe, in Resonanz zu treten. in Serie. Somit verwandelt die invertierende NIC einen Notch-Filter am Fehlereingang Vin- in einen Bandpass-Ausgang.
@LvW Ich denke, Sie wollten meine Begriffe der Impedanz oder Induktivität korrigieren und nicht den falsch ausgelegten negativen ganzzahligen Wert von L. Sind Sie sich schon einig? Wenn ja, stimmen Sie bitte zu, um Ihre Zustimmung anzuzeigen. tinyurl.com/yf69jkcp
Ich fürchte, die ganze Diskussion um NIC und deren Verwendung wird den Fragesteller (Benutzer 364952) verwirren, weil es - wie ich bereits erwähnt habe - nichts mit seiner Frage nach einem Multi-Feedback-Bandpass zu tun hat.
tinyurl.com/yj9tj5j6 Es hat alles damit zu tun, warum RC-Filter mit mehrfacher Rückkopplung Induktoren eliminieren. Es ist eine alternative Perspektive, die erlernt werden muss, aber mehr Nachdenken erfordert als nur ein Etikett.

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Der rot hervorgehobene Block ist ein aktiver Bandpassfilter, zu dem C3 und C4 gehören. Siehe https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_7.html unter Infinite Gain Multiple Feedback Active Filter. Vermutlich ist es auf 40 kHz abgestimmt. Ich habe es nicht überprüft, aber Sie können die Komponentenwerte gerne in die im Link angegebene Formel einfügen.

C2 senkt die Verstärkung bei hohen Frequenzen (>> 40 kHz), um die Stabilität des Filters zu verbessern, dh ein Schwingen zu verhindern.

Der Filter ist stabil - auch ohne C2. Es ist der einzige Zweck von C2, die Dämpfung für sehr große Frequenzen zu erhöhen. C2 fügt dem Bandpass eine Tiefpasscharakteristik hinzu (Dämpfung 3. Ordnung für hohe Frequenzen weit oberhalb der Bandpass-Mittenfrequenz).
Die Mittenfrequenz der gegebenen Schaltung ist ca. bei fo = 19,8 kHz

Diese Filtertopologie wird Schmalband-Multiple-Feedback-(MFB)-Bandpassfilter genannt.

C3 und C4 sind beide Teil des Bandpassfilters und definieren den Frequenzbereich des Passbands.

Dies ist eines der bekannten Verfahren zur Verbesserung der Dämpfungseigenschaften eines Bandpasses zweiter Ordnung.

  • Mit Ausnahme von C2 ähneln alle anderen Teile dem bekannten Bandpass zweiter Ordnung in Multi-Feedback-Topologie.

  • Der Zusatzkondensator C2 fügt der Schaltung mit einem Pol bei ca. eine zusätzliche Tiefpassfunktion hinzu. fp=180 kHz [wp=1/T=1/(12p*75k)]. Dieser Effekt ist im BODE-Diagramm zu sehen: Die ansteigende Flanke beträgt +20dB/dec, während die abfallende Flanke der Magnitude sich -40dB/dec nähert.

Was ist der Zweck dieses zusätzlichen Kondensators in diesem Operationsverstärker-Tiefpassfilter?
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