Sallen-Key reagiert komisch

[Party (Gast)]

Hallo Gemeinde,

in SwitcherCAD 3 ist ein Tiefpass 2. Ordnung auf zwei Arten aufgebaut.
Einmal als ein RC-Teifpass mit der Grenzfrequenz 3.54KHz, dann ein OPV 
mit V=1 und dann wieder ein RC-Glied mi der Grenzfrequenz 3.54KHz. 
Ergibt zusammen einen TP 2. Ordnung mit fg=2.5KHz. Der Frequenzgang und 
die Phase (gestrichelt) relativ zum Eingangssignal ist in dem Bild als 
V(rc) geplottet.

Parallel habe ich ein Filter mit kritischer Dämpfung und der gleichen 
Grenfrequenz (2.5KHz) in Sallen-Key-Struktur aufgebaut.

Die Kurven liegen nicht exakt über einander weil ich mir die 
Nachkommastelle bei R und C gespart habe.

Was ich nicht verstehe ist, dass der Filter in Sallen-Key-Struktur bei 
3MHz anfängt abzuweichen.
In beiden Schaltungen arbeitet der gleiche OP mit V=1.
Laut Dateblatt hat der OP eine Grenzfrequenz von 220MHz.
Warum tickt der Sallen-Key schon bei knapp 4MHz aus?
Kann mir das bitte jemand erklären?

Party

[Helmut S. (helmuts)]

Weil ein Verstärker mit GBW 240Mhz bei 4Mhz nur noch eine Verstärkung 
von 240/4=60 hat. Da nimmt dann dessen Ausgangswiderstand zu, was 
dazuführt, dass das Signal direkt vom Eingang über den C zum Ausgang 
gelangt. Dem kann man abhelfen indem man Sallen-Key 3.Ordnung macht. Da 
hat man dann ein RC am Eingang das die hohen Frequenzen erst gar nicht 
zum Opamp gelangen lässt.

[Kai Klaas (Gast)]

Hallo Party,

Helmut hat vollkommen Recht. Bei den allerhöchsten Frequenzen hast du am 
zweiten Kondensator des Sallen-Key-Tiefpaßfilters, also am nicht 
invertierenden Eingang des OPamp praktisch gar kein Signal mehr. 
Deswegen will der OPamp, durch seine Gegenkopplung, am Ausgang 
eigentlich ebenfalls 0V erzeugen. Dummerweise schafft er es aber nicht, 
gleichzeitig seinen Ausgangswiderstand unendlich klein zu machen, 
sondern der wird mit zunehmender Frequenz immer größer und rutscht immer 
mehr in Richtung Open Loop Ausgangswiderstand.

Dadurch bilden der erste Widerstand des Sallen-Key-Filters und der 
Ausgangswiderstand des OPamp einen Spannungsteiler, der das Signal am 
Ausgang nicht beliebig klein werden läßt. Stelle dir dazu einfach vor, 
daß beide Filterkondensatoren bei den allerhöchsten Frequenzen wie ein 
Kurzschluß aussehen. Wenn dann der erste Widerstand des 
Sallen-Key-Filters beispielsweise 10k Ohm beträgt und der Open Loop 
Ausgangswiderstand des OPamp 10 Ohm, steigt die Dämpfung bei den 
allerhöchsten Frequenzen wieder auf -60dB an.

Kai Klaas

[Wilhelm F. (Gast)]

Sallen-Key, sind doch aber erprobte Filter.

Hast du da was zugefügt oder weggenommen?

Poste doch mal das Schaltbild.

[Kai Klaas (Gast)]

Hallo Wilhelm

>Sallen-Key, sind doch aber erprobte Filter.

>Hast du da was zugefügt oder weggenommen?

Das Phänomen ist doch seit Jahrzehnten bekannt, siehe Anhang.

Kai Klaas

[Party (Gast)]

Hallo Helmut, hallo Kai,

danke für die gute Erklärung! Das leuchtet mir ein.
Jetzt verstehe ich, wozu im Datenblatt eine Grafik "Output Impedance vs 
Frequency" gut ist.

@Wilhelm: Nein, das ist die normale Struktur wie auf Kais Bild.

Ich habe nach Helmuts Rat vor den Sallen-Key noch einen passiven RC-TP 
geschaltet, der aber die zehnfache Grenzfrequenz (also 25KHz) hat.
Danach verläuft die Dämpfung ab 4MHz konstant bei -150db.
Ich vermute als Grund, dass ab 3MHz die Sallen-Key-Struktur versagt und 
die Steigung des Ausgangswiderstandes des OPs (20db/dek) mit der 
Abschwächung des 25KHz-TPs (-20db/dek) kompensiert wird.
Ist das korrekt?

Gruss Party

[Party (Gast)]

Und noch das Schaltbild...

[Helmut S. (helmuts)]

@Party,
deine Erklärung ist richtig.