Butterworth Filter 4.Ordnung und verstärkung

[huehni h. (huehni_h)]

Hi Forum,

ich möchte einen Butterworthfilter 4.Ordnung in Sallenkey-Architectur 
machen und hab schonmal einiges dafür berechnet. Jedoch wenn ich den 
Verstärkungsfaktor (R5, R7) zu groß Wähle fängt das ganze immer an zu 
schwingen. Im Anhang die simulierte Schaltung, wo es gerade noch geht. 
Vielleicht habt ihr ja noch paar Tipps.

Gruß huehni

[Kai K. (klaas)]

>Jedoch wenn ich den Verstärkungsfaktor (R5, R7) zu groß Wähle fängt das
>Ganze immer an zu schwingen.

Darfst du eben nicht, weil du nicht nur die Verstärkung, sondern auch 
das Q des Filters veränderst und irgendwann schwingt es eben.

Das Thema hatten wir erst:

Beitrag "Sallen Key Filter mit Gain > 2 Instabil?"

[Thosch (Gast)]

huehni h. schrieb:
> ich möchte einen Butterworthfilter 4.Ordnung in Sallenkey-Architectur
> machen und hab schonmal einiges dafür berechnet. Jedoch wenn ich den
> Verstärkungsfaktor (R5, R7) zu groß Wähle fängt das ganze immer an zu
> schwingen.

Du kannst nicht einfach die Verstärkung eines Sallen-Key-Filters ändern 
ohne die Filterschaltung umzudimensionieren!

Wenn Du die "innere" Verstärkung im Filter erhöhst, erhöht sich der 
rückgekoppelte Anteil über C2 bzw. C4, was die Filtercharakteristik 
verändert.

Wenn Du also ein Butterworth-Filter berechnet hast und im nachhinein die 
Verstärkung erhöhst, ändert sich die Filtercharakteristik zu einem 
steileren Filter mit mehr Überschwingen.
Irgendwann ist die Verstärkung so hoch, daß die Schaltung als Oszillator 
schwingt.


Ein Aktivfilter mit Verstärkung erreicht man entweder durch 
Berücksichtigung der Verstärkung bereits beim Filterentwurf,
oder durch Nach- bzw. Vorschalten (je nach Pegelverhältnissen) einer 
getrennten Verstärkerstufe mit einem weiteren OpAmp.

Gruß,
Thorsten

[huehni h. (huehni_h)]

Ursprünglich sollte die rechte Stufe ungefähr en 10x faktor haben, also 
900k. Deswegen war ich ja ein bischen verwirrt. Bzw. darf ich über r12 
und r13 den Spannungsmittelpunkt auf U/2 setzen?

gruß huehni

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Ich verstehe dein Problem nicht ganz:

huehni h. schrieb:
> Ursprünglich sollte die rechte Stufe ungefähr en 10x faktor haben, also
> 900k.

Heißt das, du hast das Filter für Verstärkung 10 dimensioniert? Im
obigen Schaltplan ist die Verstärkung 9, was nahe bei 10 liegt. Nach
deiner Aussage funktioniert damit die Schaltung. Wenn du jetzt die
Verstärkung deutlich erhöhst, z.B. auf 15, dann liegt sie ja auch
deutlich über dem vorgesehenen Wert von 10, was die Filtereigenschaften
logischerweise verändert und schlimmstenfalls zur Instabilität führt.

huehni h. schrieb:
> Bzw. darf ich über r12 und r13 den Spannungsmittelpunkt auf U/2
> setzen?

Das ist in Ordnung, wenn du berücksichtigst, dass die zusätzlichen
Widerstände in den Verstärkungsfaktor eingehen (sie liegen de facto
parallel zu R8 bzw. R6).

[ArnoR (Gast)]

> Bzw. darf ich über r12
> und r13 den Spannungsmittelpunkt auf U/2 setzen?

Das ist keine gute Idee, weil du ja bereits den Eingang mit R9/R10 auf 
Vb/2 gelegt hast, dann eine Gleichspannungsverstärkung mit R7/R8 machst, 
die den OPV an den Anschlag fährt und zur Korrektur in den Summierpunkt 
mit R12 einspeist. Besser wäre es auf R12/R13 zu verzichten und in die 
Masseleitung von R6/R8 einen Kondensator zu legen.

[Kai K. (klaas)]

Schreib doch einfach mal, was du überhaupt machen willst.

[huehni h. (huehni_h)]

Das mitm Kondensator hab ich schon probiert, hat irgendwie nicht so 
funktioniert und hat angefangen zu schwingen.
Der Linke opamp soll 4x und der rechte 10x machen (insgesamt 40x) bei 
einer cutofffrequenz von 15 Hz. für 10x sollte der rechte opamp anstatt 
gegen 400k gegen 900k sein. Das mit R12/R13 hat ziemlich gut 
funktioniert^^ in der Simulation zumindestens.
Q(links)=0,541  Q(rechts)=1,306   ->total=0,707
vlt hab ich mich da irgendwie/wo verrechnet.
Vielleicht sollte ich doch lieber Verstärker/Filter trennen.

Gruß huehni

[radiofox (Gast)]

Hi,

probiers mal mit der Dimensionierung in der Anlage

[huehni h. (huehni_h)]

Mmh interessant, ziemlich gleich vom Aufbau her, mit Spannungsteiler. 
Aber bisschen komische Kapazitätswerte^^ Wie hasst das berechnet?
Ich denk ich werd jedoch den Filter und Verstärker trennen, damit ich 
keine Artefakte etc bekomme.

[radiofox (Gast)]

Hallo,

ein wenig Ironie eingeschaltet - den Leuten, den ich versuche etwas 
beizubringen, erkläre ich manchmal, dass wir früher eine App "Buch" 
kannten, in dem Übertragungsfunktionen behandelt wurden. Man munkelt, 
dass man bei deren Anwendung sogar zum richtigen Ergebnis kommt.. Ironie 
aus

Also das Filter mit Einfachmitkopplung (nomen est omen) ist ein wenig 
kitzlich bezüglich der Dimensionierung. Macht man die innere Verstärkung 
zu groß, schwingt das ganze - wie Du gemerkt hast. Man muss bei der 
Berechnung auch ein wenig darauf achten, nicht zu hochohmig zu werden - 
den Fehler hast Du gemacht - mal zukünftig im 10k-Bereich anfangen. Man 
gibt meist auch die C's vor, deren Stufung grober ist, der Rest ist 
Martermatik.

Bei Deinen Forderungen wird es dann etwas schwierig, ich muss zu meiner 
Schande gestehen, dass ich eine Software dafür benutzt habe..

Vielleicht erzählst Du uns noch etwas über Deine Quelle 
(hoch/niederohmig, DC-Vorspannung) und über Deine Last, dann kommen 
sicher noch mehr Ideen.

Das Filter funktioniert so aber gemäß Deinen Vorgaben, (einfach mal 
simulieren und sehen) eine Trennung Verstärkung Filter/Verstärker ist 
aus rein technischer Sicht nicht notwendig

[Krangel (Gast)]

Moin,
unabhängig von der Dimensionierung, kann es sein, dass das Modell des 
LT6004 fehlerhaft ist?

Grüße

[ArnoR (Gast)]

> kann es sein, dass das Modell des LT6004 fehlerhaft ist?

Das kann schon sein, aber wesentlicher dürfte hier sein, dass der LT6004 
nur eine ft von typ. 3kHz hat und für diese Anwendung total ungeeignet 
ist.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Krangel schrieb:
> kann es sein, dass das Modell des LT6004 fehlerhaft ist?

Das passt schon. Der LT6004 ist so langsam, dass ab ein paar kHz
praktisch nur noch die passiven Bauteile das Übertragungsverhalten der
Schaltung bestimmen. Überschlägig gerechnet komme ich dann bei höheren
Frequenzen auf etwa -30dB am Ausgang, was ganz gut mit dem Plot
übereinstimmt.

Entferne einfach mal die beiden Opamps aus der Schaltung und vergleiche
die Bode-Diagramme vorher und nachher. Dann siehst du, ab welcher
Frequenz sich die Opamps schlafen legen.

[Kai K. (klaas)]

>Vielleicht sollte ich doch lieber Verstärker/Filter trennen.

Bei einer gewünschten Verstärkung von Faktor 40? Auf jeden.