Sallen-Key Filter: -6dB aber nur -75 Grad Phasenverschiebung

Weil eine EC92 eher ungeeignet ist, in einem Sallen-Key bei 500Khz eingesetzt werden zu wollen. Vielleicht macht auch die Impedanzwandlerstufe am Ende mit T4 Probleme.

Martin schrieb:

Ich habe ein Sallen-Key Filter aufgebaut. Die Grenzfrequenz liegt bei ca. 500 KHz. Bei dieser Frequenz erreicht der Betragsgang ca. -6dB. Sieht man sich die Phasenverschiebung in diesem Arbeitspunkt an, so liegt diese bei -75 Grad. Wie ist das möglich?

Ist nur eine Frage der Dimensionierung, siehe hier: Beitrag "Re: Filter für akustische Lichtorgel"

Da ist bei der Grenzfrequenz die Phase aller Filter -90°, die Amplitude aber ist von der eingestellten Filtercharakteristik abhängig.

Aber wie ist das möglich, dass Phase und Betrag entkoppelt sind? Die OPVs können selber Tiefpassverhalten zeigen und die Sallen-Key Schaltung soll das gewünschte Tiefpassverhalten zeigen. Somit kommen einfach gesagt immer PT1 Glieder vor. Also mindestens PT2 aufgrund der Sallen Key Filterung und eventuell noch zusätzliche PTn Glieder aufgrund des Frequenzverhaltens der OPVs. Aber dort sind Phase und Betrag immer gekoppelt. Somit ist es eigentlich nicht möglich, dass ich im Betragsgang -6dB und gleichzeitig nur 75 Grad Phasenverschiebung habe. Das Sallen Key Filter ist so ausgelegt dass R1 = R2 und C1 gleich C2 ist. Darum liegen beide Grenzfrequenzen (ohne Bauteilabweichungen) im selben Punkt. Die Grenzfrequenz der OPVs sollte darüber liegen. Ich verwende OPA828 von TI. Somit müsste ich bei -90 Grad meine -6dB haben oder?

Dein OPV macht eben vorher schon "schlapp". Kann das sein? Was hast Du denn nun für Bauteile verwendet?

Martin schrieb:

Wie ist das möglich, dass bei -6dB im Betragsgang die Phasenverschiebung weniger wie 90 Grad ist?

Was sagt denn LTspice dazu? mfg Klaus

Martin schrieb:

Aber wie ist das möglich, dass Phase und Betrag entkoppelt sind?

Wer sagt denn, daß die entkoppelt sind? Natürlich gibt es einen bestimmten Zusammenhang, aber der ist abhängig von der Filtercharakteristik und nicht allgemein so:

Somit müsste ich bei -90 Grad meine -6dB haben oder?

Martin schrieb:

Das Sallen Key Filter ist so ausgelegt dass R1 = R2 und C1 gleich C2 ist.

Das hatte ich überlesen. Hat die Schaltung eine Verstärkung?

-6db und ~-75°Phase bekommt man bei R1=R2 und C1=C2, wenn die rückgeführte Spannung die Hälfte der OPV-Ausgangsspannung ist

Nein die Schaltung hat keine Verstärkung. Laut OPV Datenblatt schafft das der OPV (je nach Höhe der Eingangsspannung). Wenn sie niedriger ist gehts natürlich höher hinauf mit der Frequenz.

Ich habe jetzt einen OPV genommen und als Impedanzwandler verschalten. Da sieht man oft ein eigenartiges Verhalten. Die Ausgangsspannung folgt der Eingangsspannung oft sehr gut doch dann plötzlich fährt es der steigenden Flanke noch schön nach, doch der fallenden Flanke fährt es dann nicht mehr nach. Da bleibt das Signal ungefähr auf einer Höhe. Bei der nächsten steigenden Flanke kommt es dann manchmal zu einer Überhöhung über die Eingangsspannung hinaus. Nach ein paar Perioden pendelt sich das wieder und dann tritt dann etwas später wieder in ähnlicher Form auf. Bei niedrigeren Frequenzen tritt das Problem nicht auf.

Ich kann leider kein Oszi Bild einfügen, da mir mittlerweile der OPV den Geist aufgegeben hat...

In Lt spice kann ich es nicht simulieren, da es zu diesem OPV kein Modell gibt.

Martin schrieb:

In Lt spice kann ich es nicht simulieren, da es zu diesem OPV kein Modell gibt.

Siehe Anhang. Lässt sich auch in LTSpice einbinden.

Danke! Auf der TI Seite gab es kein Modell.

Wie sehen Schaltplan und Komponentenwerte aus? Dann können wir auch simulieren.

Sie Schaltung sieht so aus. Als OPVs sind OPA828 eingebaut. Die Versorgung des OPVs wird zusätzlich noch über 100nF Kondensatoren stabilisiert.

Zu Testzwecken verwende ich gerade aber nur den vorgeschaltenen Impedanzwandler.

Martin schrieb:

Sie Schaltung sieht so aus.

Viel zu hochohmig. Und 10pF als frequenzbestimmende Kondensatoren? Da versauen dir parasitäre Kapazitäten den Frequenzgang. Mach das mal Faktor 10 (mindestens) niederohmiger.

Die Versorgung des OPVs wird zusätzlich noch über 100nF Kondensatoren stabilisiert.

Nicht "stabilisiert" sondern abgeblockt. Besser als nichts. Aber hoffentlich nah am OPV und induktivitätsarme Bauform.

Hab den OPA828 nicht eingebunden bekommen. Hab stattdessen mal den OPA350 genommen.

Simulation mit LtSpice Im 13k,10p Design liegt der -6dB Punkt bei ca. 895kHz mit -86 Grad Phase. Im 1.3k 100pF Design liegt der -6dB Punkt bei ca. 1.17MHz mit -91 Grad Phase.

Man sieht, daß das niederohmigere Design eine deutlich höhere Grenzfrequenz besitzt. Die Eingangkapazität des OP spielt vermutlich eine Rolle. Die Eingangskapazität des OPA282 liegt bei 6 bzw 9pF (Common/Differential mode). Die Phase liegt in beiden Fällen halbwegs nahe bei 90 Grad.

Bisher also keine Erklärung der gemessenen -75 Grad Phase.

Danke!

Ich hab mir jetzt eine Testplatine gefräst und den OPA828 als Impedanzwandler verschalten. Da zeigt sich jetzt folgendes Verhalten (siehe Oszibilder). Einmal mit 100 Hz und einmal mit 1 MHz Sinus.

Man sieht auch eine starke Rückwirkung auf den Eingang. Und es existiert dieses Hochfrequente Schwingen. Meiner Meinung nach kann es kein Resonanzproblem sein, da es auch bei der niedrigen Frequenz auftritt.

Woher kann dieses Verhalten kommen?

Jetzt mit OPA828!

Simulation mit LtSpice Im 13k,10p Design liegt der -6dB Punkt bei ca. 626kHz mit -76 Grad (!) Phase. Im 1.3k 100pF Design liegt der -6dB Punkt bei ca. 1.18MHz mit -92 Grad Phase.

Jezt stimmt die Simulation mit der -75 Grad Messung überein. Muss irgendwie an der Hochohmigkeit der Schaltung liegen. Genauer Grund also noch unbekannt. Der Unterschied in der Frequenz des -6dB Punktes ist gigantisch.

Vielen Dank! Könnten sie mir die Simulationsfiles vielleicht zukommen lassen?

Schwingt die Schaltung auch wenn Sie den Eingang kurzschliessen? Schwingt die Versorgungsspannung mit?

Anbei die Simulationsfiles für LTspice.

Vielen Dank!

Ich hab jetzt meine Kabel alle gegen BNC Kabel getauscht und gehe mit denen soweit wie möglich zum OPV -> Schwingen ist verschwunden.

Ich kann es mir aber nicht erklären warum dieses Schwingen davor sowohl bei 100 Hz als auch bei 1 MHz aufgetreten ist. Bei 1 MHz kann schon viel passieren, aber 100 Hz ist ja fast noch DC.

Martin schrieb:

Ich kann es mir aber nicht erklären warum dieses Schwingen davor sowohl bei 100 Hz als auch bei 1 MHz aufgetreten ist. Bei 1 MHz kann schon viel passieren, aber 100 Hz ist ja fast noch DC.

Die Signalfrequenz hat nichts mit der Schwingfrequenz des instabilen OPV zu tun. Dem ist es (in gewissen Grenzen natürlich) schlicht egal, ob du seiner Eigenschwingung noch ein beliebiges Signal überlagerst. Das Schwingen des OPV wird nicht durch das Signal ausgelöst, sondern durch Einhalten der Schwingbedingung und angefacht wird es durch Rauschen. Auch ohne dein Signal schwingt der dann.