Quel est l'avantage d'un filtre Sallen-Key par rapport à un filtre normal de second ordre?

Wikipedia établit un lien vers un filtre Sallen-Key en tant que passe-bas actif, donc je l'ai essayé avec LTSpice.

La réponse en fréquence et la réponse en phase ne sont pas linéaires, mais la réponse en fréquence devient même plus élevée après 10 kHz. Pourquoi et pourquoi utiliserais-je un filtre Sallen-Key au lieu d'un filtre passe-bas "normal"?

Le Sallen-Key est sur la ligne bleue.

Ce que vous appelez "normal" est un simple filtre RC à deux étages avec une très mauvaise sélectivité (deux pôles réels uniquement). En revanche. la topologie Sallen-Key est capable de produire une réponse passe-bas de second ordre avec une bien meilleure sélectivité (Qp de pôle supérieur) et diverses approximations possibles (Butterworth, Chebyshev, Thomson-Bessel, ...).

Cependant, il y a un gros inconvénient de la structure Sallen-Key - par rapport à d'autres topologies de filtres actifs (multi-feedback, filtres GIC, variable d'état, ...): il y a un chemin direct (dans votre exemple: C4 ) du réseau d'entrée à la sortie opamp.

Cela signifie: pour des fréquences beaucoup plus grandes que la fréquence de coupure, la tension de sortie de l'ampli-op est - comme souhaité - très faible. Cependant, un signal provenant directement du chemin C4 crée un signal de sortie à la résistance de sortie finie de l'ampli-op. Et cette résistance augmente avec la fréquence!

En conséquence, les caractéristiques d'amortissement de ce filtre ne sont pas aussi bonnes qu'elles devraient / pourraient l'être. Et c'est ce que vous avez observé: la magnitude montre une caractéristique croissante pour les plus grandes fréquences. (Cette dégradation d'amortissement indésirable n'est pas causée par les limitations du produit gain-bande passante).

Amélioration: La situation peut être améliorée en mettant à l'échelle les valeurs des pièces: des condensateurs plus petits et des valeurs de résistance plus grandes.

Commentaire 1 : Cette propriété indésirable de tout circuit opamp avec un condensateur de rétroaction (entre les circuits de sortie et d'entrée) peut également être observée pour l'intégrateur MILLER classique.

Commentaire 2: Donc - les filtres Sallen-Key présentent-ils des avantages par rapport à d'autres structures de filtre actives? Oui il y en a. Comparons les deux topologies les plus utilisées:

(1) Sallen-Key a des chiffres de "sensibilité active" très faibles (sensibilité aux non-idéalités opamp) et des chiffres de "sensibilité passive" plutôt élevés (sensibilité aux tolérances passives).

(2) Filtres à rétroaction multiple (MF): valeurs de «sensibilité active» élevées et de «sensibilité passive» faibles.

Les deux sensibilités sont des propriétés assez importantes de tous les filtres car elles déterminent les écarts entre la réponse souhaitée et réelle du filtre (dans des conditions IDÉALES, tous les types de filtres auraient des propriétés de performance identiques).

À des fréquences très élevées, comme supérieures à UnityGainBandWidth, l'ampli-op a perdu le contrôle de sa Vout. Remarquez comment ce passe-bas unipolaire inverseur a une réponse NON INVERSANTE aux impulsions d'entrée rapides. Le Cfeedback permet à la charge d'entrée d'apparaître directement sur la sortie.

Voici le circuit et les paramètres OpAmp:

La seule raison pour laquelle le BODE (2ème capture d'écran) a une atténuation à des fréquences plus élevées est «CL» 15pF formant LowPass avec les 2 résistances dans VirtualGround. [Si vous voulez une meilleure atténuation High Freq, installez un capuchon de 470pF à la masse au milieu des 2 résistances d'entrée.]

Vous vous amuserez en éditant les amplificateurs ROUT. Et en activant ce condensateur de filtre d'entrée. Et l'édition de ce Cload 15pF.

Cet exemple est l'un de ces BUILTIN (aucune connaissance SPICE requise) pour Signal Wave Explorer, téléchargeable gratuitement sur robustcircuitdesign.com pendant 19 jours d'utilisation.

Et Walt Jung, d'Analog Devices, a discuté de cette fragilité du LPF il y a des décennies.

Voici un exemple de Zout MESURÉ d'un ampli op (près de 500 MHz, ressemble à 10pF.31 Ohms), pour les modes Actif et ShutDown:

Vous pouvez choisir parmi de nombreuses configurations en fonction de vos spécifications pour le retard de groupe, Q, l'ondulation de la bande passante, l'atténuation du coupe-bande, la raideur de la jupe.

Sallen-Key et Multiple Feedback peuvent obtenir les mêmes résultats.

voir ci-dessous.

Les deux peuvent atteindre un gain élevé limité par la GBW de l'OP que vous choisissez.

Ce logiciel TI peut concevoir n'importe quel filtre actif et vous permet de choisir l'une des configurations et de choisir les tolérances de résistance qui sélectionnent la valeur appropriée. Il ne vous permet pas de spécifier l'impédance d'entrée afin que vous puissiez mettre à l'échelle toutes les valeurs RC en fonction de cela.

J'ai choisi la réponse Bessel, donc le délai de groupe est plat.

Ajoutée

De l'autre réponse qui expose la limitation de l'Op Amp BW où la résistance de sortie en boucle ouverte ou la limite de courant de tout ampli Op (types Rail-to Rail bien pire), je propose que le filtre Sallen-Keys soit pire pour l'atténuation au-dessus du BW de l'ampli opérationnel et que l'atténuation des hautes fréquences en boucle ouverte (> GBW) dépend du rapport d'impédance d'entrée / sortie au-dessus du seuil GBW où la réduction de rétroaction négative sur Zout n'a aucun impact en raison du manque de gain.

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}