Hallo zusammen,
ich habe in LTSpice eine Sallen Key Filterschaltung simuliert und hätte
da eine Frage dazu. Warum startet die Dämpfung bei -80dB? Habe leider
relativ wenig Ahnung davon, wäre dankbar wenn mich da jemand aufklären
könnten...
Vielen Dank schon mal!
Der OPV arbeitet nicht richtig, da er keinen Arbeitspunkt im linearen
Teil der Übertragungskennlinie hat (bei single-supply musst Du eine
DC--Vorspannung erzeugen oder - besser - symmetrische Versorgung
vorsehen.)
Was bedeutet das genau "keinen Arbeitspunkt im linearen
Teil der Übertragungskennlinie hat" ?
Ich will ein PWM Signal filtern und das von der Last unabhängig machen.
Wie könnte ich das realisieren? Würde das mit der Sallen-Key Schaltung
prinzipiell funktionieren oder gibt es bessere Lösungen?
Grundsätzlich macht das jeder Tiefpass-Typ - also warum nicht S&K ?
Bei symmetrischen Betriebsspannungen ist der "normale" sich einstellende
Arbeitspunkt in der Mitte - also praktisch bei Null Volt
Ausgangsspannung. Das passt in Deiner Schaltung mit voller Gegenkopplung
(Null Volt auch am inv. Eingang) zu der am nicht.inv Eingang liegenden
Gleichspannung (ebenfalls Null Volt).
Oder bist Du gezwungen, nur EINE Versorgungsspannung zu nehmen?
Michelel schrieb:> weil der dcgain eben -80db ist
DC-Gain ist 1 (exclusive Teiler R3/R4).
nori schrieb:> Was bedeutet das genau "keinen Arbeitspunkt im linearen> Teil der Übertragungskennlinie hat" ?
Ändere mal die Versorgungsspannung auf ±3V. Die Quelle liefert ein
Signal um die 0V herum und der OPA kann keine negativen Eingangssignale
verarbeiten.
Oder: siehe Bild.
nori schrieb:> Was bedeutet das genau "keinen Arbeitspunkt im linearen> Teil der Übertragungskennlinie hat" ?
Siehe Bild, was mit R5, R6 und C4 gemacht wurde.
nori schrieb:> Warum startet die Dämpfung bei -80dB?
Wahrscheinlich weil der TLC das nicht kann bei Single-Supply oder das
Modell des TLC ist nicht für AC-Analyse geeignet.
Michelel schrieb:> weil der dcgain eben -80db ist -
Das erklär mal bitte. ;-(
So wie der Op beschaltet ist, liefert die Übertragungsfunktion für DC
einen Wert von 1.
Wolfgang schrieb:> So wie der Op beschaltet ist, liefert die Übertragungsfunktion für DC> einen Wert von 1.
Richtig - deshalb liefert der im Bild von HildeK. gezeigte Teiler
(R5,R6) ja auch 3V am Ausgang.
nori schrieb:> Was bedeutet das genau "keinen Arbeitspunkt im linearen> Teil der Übertragungskennlinie hat" ?
Guck dir erstmal das Zeitsignal an, bevor du eine AC-Analyse laufen
lässt. Dann siehst du das Problem.
Oder häng .asc und .lib File mit an, damit nicht jeder hier deine
Schaltung nachbauen muss, um dir möglichst ein und direkt zu helfen ;-)
nori schrieb:> Warum startet die Dämpfung bei -80dB? Habe leider> relativ wenig Ahnung davon, wäre dankbar wenn mich da jemand aufklären> könnten...
Man sollte solche Schaltungen zunächst mit symmetrischer
Spannungsversorgung aufbauen um die Übertragungsfunktionen zu testen.
Wenn Du dann etwas Erfahrung gesammelt hast, dann kannst Du die
Schaltung für single Supply umgestalten, siehe HildeK. Und selbst da
gibt es noch spezielle Kniffe, bzw. Fallstricke. Also wenn es möglich
ist, mit einer symmetrischen Spannungsversorgung wird die Schaltung
übersichtlicher.
mfg Klaus
nori schrieb:> Habe leider> relativ wenig Ahnung davon
Ist oft ja auch eine Schutzbehauptung...aber wie hier eine Lernkurve für
den TO aussehen könnte, ist mir nicht klar. Fast möchte ich sagen, ohne
Sinn und Verstand eine Schaltung für Spice kopiert und dann? Aber ich
lass mich auch gerne überraschen!
Gruß Rainer
Rainer V. schrieb:> Ist oft ja auch eine Schutzbehauptung...aber wie hier eine Lernkurve für> den TO aussehen könnte, ist mir nicht klar. Fast möchte ich sagen, ohne> Sinn und Verstand eine Schaltung für Spice kopiert und dann?
Sei nicht so streng. Jeder hatte mal irgendwann von einem Thema wenig
Ahnung!
Klar hat man eine Vorlage für ein Sallen-Key-Filter, woher auch immer,
und die geht halt üblicherweise nur auf die Basisfunktion ohne
Versorgung ein bzw. von der typ. bipolaren Versorgung. Will man unipolar
versorgen, muss man mehr wissen und genau das fehlt dem TO. Es ist nicht
falsch, genau dann nachzufragen - irgendwo muss 'Wissen' ja herkommen.
Heute eben schnell und direkt z.B. aus diesem unserem Forum ...
Ich schau mir auch nur Strukturen von aktiven Filtern in Lehrbüchern
(oder eben in moderneren Medien), habe aber das Wissen, was und wie man
in solchen Fällen verändern muss und weiß auch die Folgen solcher
Änderungen einzuschätzen (hier: untere Grenzfrequenz ist nicht mehr
Null).
nori schrieb:> Ich will ein PWM Signal filtern und das von der Last unabhängig machen
Ich bin nicht wirklich streng, aber die Aufgabe ist ja eine ganz andere
und da wird es schon schwer mit der Lernkurve...meine ich :-)
Gruß Rainer
Trage für V1 einfach den DC-Anteil deines PWM-Signals ein. Hat dieses
den Low-Pegel 0V, den High-Pegel Uh und das Tastverhältnis d, dann ist
der Gleichanteil d·Uh. Solange der DC-Anteil in einem für den Opamp
angenehmen Bereich liegt (also etwa zwischen 0,5V und VCC-0,5V), wirst
du Simulationsergebnisse erhalten, die auch der Theorie entsprechen.
Liegt der DC-Anteil des PWM-Signals hingegen sehr dicht bei GND oder
VCC, dann wird der AC-Anteil stärker gedämpft, wie du in deiner
Simulation bereits festgestellt hast. Das braucht dich aber nicht zu
stören, denn es ist ja gerade dein Ziel, möglichst viel vom AC-Anteil
wegzufiltern.
Rainer V. schrieb:> aber die Aufgabe ist ja eine ganz andere> und da wird es schon schwer mit der Lernkurve...meine ich :-)
Wieso? Der Ansatz bei einer PWM mit einigen kHz einen TP mit rund 10Hz
zu machen ist schon mal nicht unbedingt daneben. Jedenfalls hat er dann
schon einiges an Dämpfung. Ob das reicht und ob die Reaktion auf
Änderungen schnell genug ist, wurde hier ja nicht diskutiert. Ich denke
mal, er sollte es tatsächlich aufbauen; der Ansatz und die sonstige
Dimensionierung sind durchaus sinnvoll, wenn es bei der niederohmigen
Quelle und dem hochohmigen Lastwiderstand bleibt. Welche Fragen dann
kommen werden, wird man sehen.
Wahrscheinlich geht sein Ansatz real schon ohne meine Änderungen und
ohne negative Versorgung, nicht aber eben in der AC-Simulation. Das
Eingangssignal bewegt sich zwischen 0 und 5V; bei 6V VCC zulässig und
gerade noch im aktiven Bereich. Und am Ausgang kann er Rail2Rail.
Recht hast du allerdings mit den Bedenken bezüglich der Anforderung "von
der Last unabhängig machen". Dieser Wunsch ist mir auch nicht ganz klar,
vermutlich meint er die Beeinflussung der Filtereigenschaften vom
Lastwiderstand. Sollte es bei einigen 10k Last bleiben, ok, dann geht es
so.
Yalu X. schrieb:> Liegt der DC-Anteil des PWM-Signals hingegen sehr dicht bei GND oder> VCC, dann wird der AC-Anteil stärker gedämpft, wie du in deiner> Simulation bereits festgestellt hast.
Laut Simulationsergebnis wird der DC-Anteil um 80dB gedämpft.
Schon mit einem kurzen Blick auf die Schaltung - für DC kann man sich
alle Kondensatoren weg denken - ist das grober Unfug, da die Schaltung
für DC einen reinen Spannungsfolger darstellt.
Und bei einem Tastverhältnis von 50% (128µs:256µs) ist man mit dem
DC-Anteil weit weg von Gnd bzw. VCC
nori schrieb:> Sallen-Key.JPG
Wolfgang schrieb:> Laut Simulationsergebnis wird der DC-Anteil um 80dB gedämpft.
Nein, der DC-Anteil taucht im Simulationsergebnis überhaupt nicht auf,
deswegen heißt dieser Spice-Modus "AC Analysis". Den DC-Anteil kann man
mit .op ("DC Operation Point") bestimmen.
Ich glaub das weiß Wolfgang, Yalu. Er wollte nur einen Anhaltspunkt
geben damit man weiß, ob das Ergebnis bei sehr geringen Frequenzen
überhaupt stimmen kann und daher sein Vorschlag das ganze sich mal
DC-mäßig zu betrachten.
HildeK schrieb:> Wahrscheinlich geht sein Ansatz real schon ohne meine Änderungen und> ohne negative Versorgung, nicht aber eben in der AC-Simulation. Das> Eingangssignal bewegt sich zwischen 0 und 5V; bei 6V VCC zulässig und> gerade noch im aktiven Bereich. Und am Ausgang kann er Rail2Rail.
Das denke ich auch. Ich vermute hier ein Problem mit dem Modell welches
für AC nicht optimal ist. Der TLC sollte am Eingang bis auf GND gehen
lt. Datenblatt.
nori schrieb:> Warum startet die Dämpfung bei -80dB?
Weil du in deiner Signalquelle ein Vinitial von 0 V angegeben hast.
Damit hat dein OPV Modell keine Verstärkung und die AC Analyse zeigt
das. Definiere beispielsweise deine Impulse als 2V zu 4V Impulse, oder
was auch immer sinnvoll ist, um von den Rails weg zu bleiben, und die
Schaltung funktioniert. In der AC Analyse reicht es, wenn die Vinitial
vom Rail des verwendeten Modells weg bleibt.
M. K. schrieb:> Ich vermute hier ein Problem mit dem Modell welches> für AC nicht optimal ist. Der TLC sollte am Eingang bis auf GND gehen> lt. Datenblatt.
Ein Versuch mit dem Modell eines LM358 als Spannungsfolger ging bei
Single Supply ohne Anhebung des Offsets auch schief. Also nicht ein
spezielle Problem des TLC, sondern ein generelles. Ich muss zugeben, das
ist mir bisher auch noch nicht aufgefallen.
Offenbar muss der Arbeitspunkt stimmen, die AC-Amplitude kann dann aber
beliebig sein: es wird in dem Arbeitspunkt linearisiert.
Beispiel: Ein Mikrofonverstärker für maximale Eingangssignale im
mV-Bereich kann z.B. ohne Weiteres mit AC=1V richtig simuliert werden,
auch wenn er in der Transientanalyse mit dem Eingangssignal maßlos
übersteuert wäre.
HildeK schrieb:> Ein Versuch mit dem Modell eines LM358 als Spannungsfolger ging bei> Single Supply ohne Anhebung des Offsets auch schief. Also nicht ein> spezielle Problem des TLC, sondern ein generelles. Ich muss zugeben, das> ist mir bisher auch noch nicht aufgefallen.
Interessant, mir ist das bisher auch noch nicht aufgefallen und hab es
jetzt auch mal mit anderen OPVs getestet. Mit dem UniversalOpAmp2
funktioniert es aber z.B. mit dem LT1013 hat man auch einen Gain von
deutlich unter 1 (< -7dB). Da es mit dem UniversalOpAmp geht vermute ich
schon, dass es mit den konkreten Modellen der OPVs zusammen hängt. Das
wirft auf jeden Fall ein neues Licht auf die AC-Analyse.
Der Universal-OpAmp mit .lib opamp.sub ist nur ein ganz einfaches
Rechenmodell mit etwas Tiefpassverhalten, jedenfalls ist er ohne
Versorgungsspannung.
Dem opamp2 muss man ein reales Modell zuweisen, das ist dann nichts
anderes als jeder andere OPA mit dem selben Namen.
M. K. schrieb:> Das wirft auf jeden Fall ein neues Licht auf die AC-Analyse.
Wie immer: man muss sich der Grenzen einer Simulation bewusst sein
(Modelle sind nicht immer genau oder auch unkorrekt, Parameter sind
typisch, parasitäre Effekte fehlen oder sind nur grob, Variationen
zwischen gleichen BE gibt es nicht, die Temperatur ist konstant uvm.)
und gut ist: manchmal lernt man auch dazu ...
Der Einfluss des Arbeitspunkts bzw. des DC-Anteils von Quellen auf die
AC-Simulation macht sich nicht nur bei komplexen Schaltung wie bspw.
Opamps bemerkbar, sondern bei allen nichtlinearen Bauelementen.
Im Anhang habe ich die Serienschaltung einer Diode und eines Widerstands
simuliert. Hat das Eingangssignal einen DC-Anteil ≤0V, sperrt die Diode
fast vollständig, und der AC-Anteil kann die Diode nur bei höheren
Frequenzen (wegen der parasitären Kapazität) passieren.
Für einen positiven DC-Anteil von 0,2V leitet die Diode schon ein ganz
klein wenig (-47dB), bei 1V leitet sie fast perfekt (-0,8dB).
Die Simulationsergebnisse entsprechen also durchaus der Realität.
M. K. schrieb:> Mit dem UniversalOpAmp2> funktioniert es aber z.B. mit dem LT1013 hat man auch einen Gain von> deutlich unter 1 (< -7dB).
Der UniversalOpAmp2 mit Defaultparametern (u.a. rail=0) hat ideales
Rail-to-Rail-Verhalten, d.h. seine Ausgangsspannung kommt beliebig dicht
an die Rails heran, ohne dass dabei die Verstärkung abnimmt. Ein
typischer realer Rail-to-Rail-Opamp kommt unbelastet bis etwa 50mV an
die Rails heran. Setzt du beim UniversalOpAmp2 rail=50m, dann geht seine
Verstärkung bei 0V ähnlich in die Knie wie bei allen anderen
Opamp-Modellen, was auch seine Richtigkeit hat.
Der vom TE beobachtete seltsame Effekt ist also überhaupt kein Fehler in
der Simulation, man muss nur verstanden haben, was die AC-Analyse tut
(nämlich eine Kleinsignalanalyse um den DC-Arbeitspunkt herum), wie sie
anzuwenden ist und wie deren Ergebnisse zu interpretieren sind.
Wäre einfacher, wenn die Simuationsdaten eingestellt werden :-)
Aus
Beitrag "Sallen-Key-Filter funktioniert nur theoretisch"
ursprüngliche Schaltung schnell zusammengestellt .....
Es ist auch möglich mit dem idealen OP zu vergleichen :-)
Yalu X. schrieb:
UniversalOpAmp2 mit Defaultparametern (u.a. rail=0) hat ideales
> Rail-to-Rail-Verhalten, d.h. seine Ausgangsspannung kommt beliebig dicht> an die Rails heran, ohne dass dabei die Verstärkung abnimmt.
....
... war schneller und ... gut erklärt :-)
M. K. schrieb:> Da es mit dem UniversalOpAmp geht vermute ich> schon, dass es mit den konkreten Modellen der OPVs zusammen hängt. Das> wirft auf jeden Fall ein neues Licht auf die AC-Analyse.
Eher ein Licht auf die Analysten. Wenn der OP keinen vernünftigen
Arbeitspunkt hat, kann es nicht funktionieren.
garbage in - garbage out
Trotz der interessanten Erkenntnisse über die Fallstricke der
Simulationen sind wir aber für den TO kaum einen Schritt weitergekommen.
Insbesondere haben wir noch keine Infos über das PWM-Signal, um das es
ja eigentlich geht. Erebnis bisher ist also, ja ein S-K-TP kann zur
Filterung eines Rechtecksignals mit variabler Pulsweite genommen werden.
Und nun?
Gruß Rainer
Rainer V. schrieb:> Insbesondere haben wir noch keine Infos über das PWM-Signal, um das es> ja eigentlich geht.
Bild ganz oben ansehen, Definition der Pulse-Quelle.
Pandur S. schrieb:> Einen PWM filtert man ueblicherweise mit einem RC. Auch wenn der keine> -80dB haben wird.
Mit dem S&K-Tiefpass kommt man höchstens auch nur auf -60dB. Das liegt
am "Schwanz-Effekt", den all S&K-Filter aufweisen: Mit der Frequenz
zunehmende Direktkopplung (über den Feedback-C) auf den endlichen (und
mit der Frequenz leider auch wachsenden) Ausgangswiderstand des OPV.
Elliot schrieb:> Bild ganz oben ansehen, Definition der Pulse-Quelle.
Ja klar, dass ist das Signal für die Simulation...wenn es das war, von
mir aus :-)
Gruß Rainer
Lutz V. schrieb:> Mit dem S&K-Tiefpass kommt man höchstens auch nur auf -60dB. Das liegt> am "Schwanz-Effekt", den all S&K-Filter aufweisen: Mit der Frequenz> zunehmende Direktkopplung (über den Feedback-C) auf den endlichen (und> mit der Frequenz leider auch wachsenden) Ausgangswiderstand des OPV.
Eine Simulation zeigt das nicht ganz so dramatisch, wie du es
schilderst. Der von dir genannte 'Schwanz-Effekt' wird durch die
RC-Kombination 100Ω/100n am Ausgang etwas gedämpft.
Siehe Anhang, mein Filterdesignprogramm (TI FilterPro 2.0) lieferte aber
ein paar andere Werte.
Christoph B. schrieb:> Sallen key ist mist.
Begründung warum Sallen Key Mist ist wäre toll.
Wolfgang schrieb:> Eher ein Licht auf die Analysten. Wenn der OP keinen vernünftigen> Arbeitspunkt hat, kann es nicht funktionieren.
Was ist daran nicht vernünftig? Ich sehe hier (Schaltung aus dem
Eröffnungspost) nicht, dass der OP keinen vernünftigen Arbeitspunkt hat.
Kannst du das etwas erläutern?
> Eine Simulation zeigt das nicht ganz so dramatisch, wie du es> schilderst. Der von dir genannte 'Schwanz-Effekt' wird durch die> RC-Kombination 100Ω/100n am Ausgang etwas gedämpft.> Siehe Anhang, mein Filterdesignprogramm (TI FilterPro 2.0) lieferte aber> ein paar andere Werte.
Ja klar - der RC-Tiefpass am Ausgang "mildert" den Effekt natürlich.
Und zum TI-Programm: OPV real oder ideal?
Lutz V. schrieb:> Und zum TI-Programm: OPV real oder ideal?
Ideal. TI hat keine realen OPAs hinterlegt, es werden nur Anforderungen
an die GBW genannt. Da ist auch der 'Schwanz' nicht zu sehen.
Aber einigermaßen real dürfte die LT-Spice-Simultion mit dem TL074 sein.
Ohne den RC am Ausgang wird die Dämpfung für höhere Frequenzen wieder
geringer, aber die in der Simulation angezeigten 90dB (sogar 100dB bei
der PWM-Frequenz) - selbst wenn real nur 70dB erreicht werden - sind
doch für diese Anwendung völlig ok.
M. K. schrieb:> Ich sehe hier (Schaltung aus dem Eröffnungspost) nicht, dass der OP> keinen vernünftigen Arbeitspunkt hat. Kannst du das etwas erläutern?
Am Eingang des Schaltung bzw. an der Quelle V1) liegt der Arbeitspunkt
bei 0V. Wäre der Opamp ideal, läge auch am Ausgang der Arbeitspunkt bei
0V. Da der reale TLC2272 am Ausgang aber keine 0V, sondern allenfalls
etwa 50 bis 100mV kann, arbeitet er ein ganzes Stück außerhalb seines
linearen Bereichs, weswegen am Ausgang selbst bei niedrigen Frequenzen
nur ein Bruchteil des AC-Anteils des Eingangssignals ankommt.
Ein passender Arbeitspunkt wäre bspw. eingangsseitig 0,5V. Diese 0,5V
kann der Opamp auch ausgangsseitig problemlos erreichen, so dass die
Simulation die erwarteten Ergebnisse liefern wird.
Sallen-Key.JPG
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