Filtre passe-bas actif

Auparavant, nous avons décrit le filtre passe-bas passif, dans ce didacticiel, nous allons explorer ce qu'est un filtre passe-bas actif.

Qu'est-ce que c'est, circuit, formules, courbe?

Comme nous l'avons appris dans le tutoriel précédent, le filtre passe-bas passif fonctionne avec des composants passifs. Seuls deux composants passifs, résistance et condensateur, constituent la clé ou le cœur d'un circuit de filtre passe-bas passif. Nous avons appris dans les didacticiels précédents que le filtre passe-bas passif fonctionne sans interruption extérieure ni réponse active. Mais il a certaines limites.

Les limites du filtre passe-bas passif sont les suivantes: -

1. L'impédance du circuit crée une perte d'amplitude. Le Vout est donc toujours inférieur au Vin.
2. L'amplification ne peut pas être effectuée uniquement avec un filtre passe-bas passif.
3. Les caractéristiques du filtre dépendent grandement de l'impédance de charge.
4. Le gain est toujours égal ou inférieur au gain unitaire.
5. Plus les étages de filtre ou l'ordre des filtres ajoutés, la perte d'amplitude devient moindre.

En raison de cette limitation, si une amplification est nécessaire, la meilleure façon d'ajouter un composant actif qui amplifiera la sortie filtrée. Cette amplification est effectuée par un amplificateur opérationnel ou un amplificateur opérationnel. Comme cela nécessite une source de tension, c'est un composant actif. D'où le nom de filtre passe-bas actif.

Un amplificateur typique tire la puissance de l'alimentation externe et amplifie le signal, mais il est très flexible car nous pouvons modifier la bande passante de fréquence de manière plus flexible. En outre, il appartient à l'utilisateur ou au concepteur de sélectionner le type de composants actifs à choisir en fonction des besoins. Il peut s'agir de Fet, Jfet, Transistor, Op-Amp qui offrent beaucoup de flexibilité. Le choix du composant dépend également du coût et de l'efficacité s'il est conçu pour un produit de production de masse.

Pour des raisons de simplicité, d'efficacité du temps et également des technologies croissantes dans la conception des amplis opérationnels, un ampli opérationnel est généralement utilisé pour la conception des filtres actifs.

Voyons pourquoi nous devrions choisir et op-amp pour concevoir un filtre passe-bas actif: -

1. Impédance d'entrée élevée.

   En raison de l'impédance d'entrée élevée, le signal d'entrée n'a pas pu être détruit ou modifié. En général ou dans la plupart des cas, le signal d'entrée de très faible amplitude peut être détruit s'il est utilisé comme circuit à faible impédance. Op-Amp a un avantage dans de tels cas.

2. Très faible nombre de composants. Seules quelques résistances sont nécessaires.
3. Différents types d'amplificateurs opérationnels sont disponibles en fonction du gain et des spécifications de tension.
4. Faible bruit.
5. Conception et mise en œuvre plus faciles.

Mais comme nous savons que rien n'est entièrement parfait, cette conception de filtre actif présente également certaines limites.

Le gain de sortie et la bande passante ainsi que la réponse en fréquence dépendent de la spécification de l'ampli opérationnel.

Explorons plus loin et comprenons ce qui est spécial à ce sujet.

Filtre passe-bas actif avec amplification:

Avant de comprendre la conception de filtre passe-bas actif avec ampli-op, nous devons en savoir un peu plus sur les amplificateurs. Amplify est une loupe, elle produit une réplique de ce que l'on voit mais sous une forme plus grande pour mieux le reconnaître.

Dans le premier tutoriel sur le filtre passe-bas passif, nous avions appris ce qu'était le filtre passe-bas. Le filtre passe-bas a filtré les basses fréquences et bloque la fréquence supérieure d'un signal sinusoïdal AC. Ce filtre passe-bas actif fonctionne de la même manière que le filtre passe-bas passif, la seule différence est qu'ici un composant supplémentaire est ajouté, il s'agit d'un amplificateur comme ampli opérationnel.

Voici la conception simple du filtre passe-bas: -

C'est l'image du filtre passe-bas actif. Ici, la ligne violate nous montre le filtre RC passe-bas passif traditionnel que nous avons vu dans le tutoriel précédent.

Fréquence de coupure et gain de tension:

La formule de fréquence de coupure est la même que celle utilisée dans le filtre passe-bas passif.

fc = 1 / 2πRC

Comme décrit dans le didacticiel précédent, fc est la fréquence de coupure et R est la valeur de la résistance et C est la valeur du condensateur.

Les deux résistances connectées dans le nœud positif de l'ampli opérationnel sont des résistances de rétroaction. Lorsque ces résistances sont connectées au nœud positif de l'ampli-op, cela s'appelle une configuration non inverseuse. Ces résistances sont responsables de l'amplification ou du gain.

Nous pouvons facilement calculer le gain de l'amplificateur en utilisant les équations suivantes où nous pouvons choisir la valeur de résistance équivalente en fonction du gain ou cela peut être vice-versa: -

Gain de l'amplificateur (amplitude CC) (Af) = (1 + R2 / R3)

Courbe de réponse en fréquence:

Voyons quelle sera la sortie du filtre passe-bas actif ou du tracé de Bode / courbe de réponse en fréquence: -

Il s'agit de la sortie finale du filtre passe-bas actif dans une configuration non inverseuse à amplificateur opérationnel. Nous verrons en détail l'explication dans l'image suivante.

Comme nous le voyons, cela est identique au filtre passe-bas passif. De la fréquence de départ au point de coupure Fc ou de fréquence ou la fréquence de coin commencera à partir du point -3 dB. Le gain est de 20 dB dans cette image, donc la fréquence de coupure est de 20 dB - 3dB = 17 dB où se trouve le point fc. La pente est de -20 dB par décennie.

Quel que soit le filtre, du point de départ au point de fréquence de coupure, on l'appelle Bande passante du filtre et après cela, on parle de bande passante à partir de laquelle la fréquence de passage est autorisée.

Nous pouvons calculer le gain de magnitude en convertissant le gain de tension de l'ampli-op.

Le calcul est le suivant

db = 20log (Af)

Cet Af peut être le gain Dc que nous avons décrit précédemment en calculant la valeur de la résistance ou en divisant le Vout par Vin.

Circuit de filtre d'amplificateur non inverseur et inverseur:

Ce circuit de filtre passe-bas actif illustré au début a également une limitation. Sa stabilité peut être compromise si l'impédance de la source du signal change. Par exemple, diminuer ou augmenter.

Une pratique de conception standard pourrait améliorer la stabilité, en retirant le condensateur de l'entrée et en le connectant en parallèle avec une deuxième résistance de rétroaction de l'amplificateur opérationnel.

Voici le circuit Filtre passe-bas actif non inverseur-

Sur cette figure, si nous comparons cela avec le circuit décrit au début, nous pouvons voir que la position du condensateur est modifiée pour la stabilité liée à l'impédance. Dans cette configuration, l'impédance externe n'a aucun effet sur la réactance des condensateurs, donc la stabilité est améliorée.

Sur la même configuration, si nous voulons inverser le signal de sortie, nous pouvons choisir la configuration du signal inverseur de l'ampli opérationnel et connecter le filtre à cet ampli opérationnel inversé.

Voici la mise en œuvre des circuits du filtre passe-bas actif inversé: -

C'est un filtre passe-bas actif en configuration inversée. L'ampli opérationnel est connecté inversement. Dans la section précédente, l'entrée était connectée à travers la broche d'entrée positive de l'ampli-op et la broche négative de l'ampli-op est utilisée pour créer le circuit de rétroaction. Ici, le circuit s'est inversé. Entrée positive connectée à la référence de masse et au condensateur et à la résistance de retour connectés à travers la broche d'entrée négative de l'ampli-op. C'est ce qu'on appelle la configuration de l'amplificateur opérationnel inversé et le signal de sortie sera inversé par rapport au signal d'entrée.

Filtre passe-bas actif de gain unitaire ou de suiveur de tension:

Jusqu'à présent, les circuits décrits ici sont utilisés à des fins de gain de tension et de post-amplification.

Nous pouvons le faire en utilisant un amplificateur à gain unitaire, ce qui signifie que l'amplitude ou le gain de sortie sera le même que l'entrée: 1x. Vin = Vout.

Sans oublier, il s'agit également d'une configuration d'ampli opérationnel souvent décrite comme une configuration de suiveur de tension dans laquelle l'ampli opérationnel a créé la réplique exacte du signal d'entrée.

Voyons la conception du circuit et comment configurer l'ampli opérationnel en tant que suiveur de tension et rendre le filtre passe-bas actif à gain unitaire: -

Dans cette image, les résistances de rétroaction de l'amplificateur opérationnel sont supprimées. Au lieu de la résistance, la broche d'entrée négative de l'ampli-op connecté directement à l'ampli-op de sortie. Cette configuration de l'amplificateur opérationnel est appelée configuration de suiveur de tension. Le gain est de 1x. Il s'agit d'un filtre passe-bas actif à gain unitaire. Il produira une réplique exacte du signal d'entrée.

Exemple pratique avec calcul

Nous allons concevoir un circuit de filtre passe-bas actif dans une configuration amplificateur opérationnel non inverseur.

Caractéristiques:-

1. Impédance d'entrée 10kohms
2. Le gain sera 10x
3. La fréquence de coupure sera de 320 Hz

Calculons d'abord la valeur avant de faire le circuit: -

Gain de l'amplificateur (amplitude CC) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

R2 = 1k (nous devons sélectionner une valeur; nous avons sélectionné R2 comme 1k pour réduire la complexité du calcul).

En mettant la valeur ensemble, nous obtenons

(10) = (1 + R3 / 1)

Nous avons calculé que la valeur de la troisième résistance est de 9k.

Nous devons maintenant calculer la valeur de la résistance en fonction de la fréquence de coupure. Comme le filtre passe-bas actif et le filtre passe-bas passif fonctionnent de la même manière, la formule de coupure de fréquence est la même qu'auparavant.

Vérifions la valeur du condensateur si la fréquence de coupure est de 320Hz, nous avons sélectionné la valeur de la résistance est de 4,7k.

fc = 1 / 2πRC

En mettant toutes les valeurs ensemble, nous obtenons: -

En résolvant cette équitation, nous obtenons la valeur du condensateur d'environ 106nF.

L'étape suivante consiste à calculer le gain. La formule du gain est la même que celle du filtre passe-bas passif. La formule du gain ou de l'amplitude en dB est la suivante: -

20log (Af)

Comme le gain de l'ampli opérationnel est 10x, la magnitude en dB est de 20log (10). C'est 20 dB.

Maintenant que nous avons déjà calculé les valeurs, il est maintenant temps de construire le circuit. Ajoutons tous ensemble et construisons le circuit: -

Nous avons construit le circuit sur la base des valeurs calculées auparavant. Nous fournirons une fréquence de 10 Hz à 1500 Hz et 10 points par décade à l'entrée du filtre passe-bas actif et étudierons plus en détail si la fréquence de coupure est de 320 Hz ou non à la sortie de l'amplificateur.

C'est la courbe de réponse en fréquence. La ligne verte commence de 10 Hz à 1500 Hz car le signal d'entrée est fourni pour cette plage de fréquences uniquement.

Comme nous savons que la fréquence de coin sera toujours à -3 dB de l'amplitude de gain maximale. Ici, le gain est de 20 dB. Donc, si nous découvrons le point -3dB, nous obtiendrons la fréquence exacte à laquelle le filtre arrête les fréquences les plus élevées.

Nous plaçons le curseur à 17 dB comme (20 dB-3dB = 17 dB) la fréquence de coin et obtenons 317,950 Hz ou 318 Hz, ce qui est proche des 320 Hz.

Nous pouvons changer la valeur du condensateur en valeur générique comme 100nF et ne pas mentionner que la fréquence de coin sera également effectuée par quelques Hz.

Filtre passe-bas actif de second ordre:

Il est possible d'ajouter plus de filtres sur un ampli opérationnel comme le filtre passe-bas actif du second ordre. Dans ce cas, tout comme le filtre passif, un filtre RC supplémentaire est ajouté.

Voyons comment le circuit de filtrage du second ordre est construit.

Ceci est le filtre du second ordre. Dans la figure ci-dessus, nous pouvons clairement voir les deux filtres ajoutés ensemble. C'est le filtre du second ordre. C'est un filtre largement utilisé et une application industrielle est un amplificateur, un circuit de système musical avant l'amplification de puissance.

Comme vous pouvez le voir, il y a un ampli-op. Le gain de tension est le même que celui indiqué précédemment en utilisant deux résistances.

(Af) = (1 + R3 / R2)

La fréquence de coupure est

Une chose intéressante à retenir si nous voulons ajouter plus d'ampli-op composé de filtres de premier ordre, le gain sera multiplié par chaque individu. Confus? Peut-être qu'un schéma nous aidera.

Plus l'ampli opérationnel est ajouté, plus le gain est multiplié. Voir la figure ci-dessus, dans cette image, deux amplificateurs opérationnels en cascade avec un amplificateur opérationnel individuel. Dans ce circuit, l'ampli opérationnel en cascade, si le premier a un gain de 10x et le second un gain de 5x, le gain total sera de 5 x 10 = gain de 50x.

Ainsi, la magnitude du circuit de filtre passe-bas de l'amplificateur opérationnel en cascade dans le cas de deux amplificateurs opérationnels est: -

dB = 20 log (50)

En résolvant cette équation, il est de 34 dB. Ainsi, le gain de la formule de gain du filtre passe-bas de l'ampli-op en cascade est

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

Où TdB = magnitude totale

C'est ainsi que le filtre passe-bas actif est construit. Dans le prochain tutoriel, nous verrons comment le filtre passe-haut actif peut être construit. Mais avant le prochain tutoriel, voyons quelles sont les applications du filtre passe-bas actif: -

Applications

Le filtre passe-bas actif peut être utilisé à plusieurs endroits où le filtre passe-bas passif ne peut pas être utilisé en raison de la limitation du gain ou de la procédure d'amplification. En dehors de cela, le filtre passe-bas actif peut être utilisé dans les endroits suivants: -

Le filtre passe-bas est un circuit largement utilisé en électronique.

Voici quelques applications du filtre passe-bas actif: -

1. Égalisation des basses avant amplification de puissance
2. Filtres liés à la vidéo.
3. Oscilloscope
4. Système de contrôle de la musique et modulation de la fréquence des basses ainsi qu'avant le woofer et les haut-parleurs audio pour graves.
5. Générateur de fonctions pour fournir une sortie basse fréquence variable à différents niveaux de tension.
6. Modification de la forme de fréquence à une onde différente de.