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

Wikipedia verlinkt auf einen Sallen-Key-Filter als aktiven Tiefpass, also habe ich es mit LTSpice ausprobiert.

Der Frequenzgang und der Phasengang sind nicht linear, sondern der Frequenzgang wird nach 10 kHz sogar noch höher. Warum ist das so und warum sollte ich einen Sallen-Key-Filter anstelle eines "normalen" Tiefpassfilters verwenden?

Der Sallen-Key befindet sich auf der blauen Linie.

Was Sie "normal" nennen, 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 Näherungen (Butterworth, Chebyshev, Thomson-Bessel, ...) zu erzeugen.

Es gibt jedoch einen großen Nachteil der Sallen-Key-Struktur - im Vergleich zu anderen aktiven Filtertopologien (Multi-Feedback, GIC-Filter, Zustandsvariable, ...): Es gibt einen direkten Pfad (in Ihrem Beispiel: C4 ) vom Eingangsnetz zum Opamp-Ausgang.

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

Infolgedessen sind die Dämpfungseigenschaften dieses Filters nicht so gut, wie es sein sollte / könnte. Und das haben Sie beobachtet: Die Größe zeigt eine ansteigende Charakteristik für größere Frequenzen. (Diese unerwünschte Dämpfungsverschlechterung wird nicht durch Einschränkungen des Verstärkungsbandbreitenprodukts verursacht.)

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

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

Kommentar 2: Gibt es also Vorteile, die die Sallen-Key-Filter gegenüber anderen aktiven Filterstrukturen haben? Ja - das gibt es. Vergleichen wir die beiden am häufigsten verwendeten Topologien:

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

(2) Multi-Feedback-Filter (MF): Hohe Werte für "aktive Empfindlichkeit" und niedrige Werte für "passive Empfindlichkeit".

Beide Empfindlichkeiten sind ziemlich wichtige Eigenschaften aller Filter, da sie die Abweichungen zwischen der gewünschten und der tatsächlichen Filterantwort bestimmen (unter IDEALEN Bedingungen hätten alle Filtertypen identische Leistungseigenschaften).

Bei sehr hohen Frequenzen, beispielsweise höher als UnityGainBandWidth, hat der Opamp die Kontrolle über sein Vout verloren. Beachten Sie, dass dieser invertierende einpolige Tiefpass auf die schnellen Eingangsimpulse NICHT INVERTIERT reagiert. Mit dem Cfeedback kann die Eingangsladung direkt am Ausgang angezeigt werden.

Hier ist die Schaltung und die OpAmp-Parameter:

Der einzige Grund, warum der BODE (2. Screenshot) bei höheren Frequenzen gedämpft wird, ist 'CL' 15pF, wodurch LowPass mit den 2 Widerständen in VirtualGround gebildet wird. [Wenn Sie eine bessere Hochfrequenzdämpfung wünschen, installieren Sie die 470pF-Kappe in der Mitte der 2 Eingangswiderstände gegen Masse.]

Sie werden Spaß haben, indem Sie die Verstärker-ROUT bearbeiten. Und indem dieser Eingangsfilterkondensator aktiviert wird. Und das 15pF Cload herausschneiden.

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

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

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

Abhängig von Ihren Spezifikationen können Sie aus vielen Konfigurationen für Gruppenverzögerung, Q, Bandpasswelligkeit, Bandstoppdämpfung und Randsteilheit auswählen.

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

siehe unten.

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

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

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

Hinzugefügt

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

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}