Warum Sie aktive Filter auf den OPV abstimmen müssen

Das Problem

Vielleicht kennen Sie das folgende Problem: Sie haben ein aktives Filter sorgfältig dimensioniert - entweder mit Hilfe der entsprechenden Formeln aus einem Buch oder mittels eines Filterentwurfsprogramms. Sie bauen Ihre Schaltung auf, um sie auszuprobieren und stellen dabei fest, dass die Grenzfrequenz und/oder Charakteristik Ihres (Hoch- oder Tiefpass-) Filters von Ihren Vorgaben abweicht. Bei einem Bandpass liegt die Mittenfrequenz neben Ihrem Sollwert und die Güte stimmt nicht. Jetzt ersetzen Sie Festwiderstände durch Trimmer und stimmen Ihre Schaltung ab, während Sie immer wieder Messungen des Frequenzgangs durchführen.

Sie werden Ihr Ziel auf diesem Wege erreichen - aber der Weg zum Ziel kann sehr lang sein.

Haben Sie sich schon einmal gefragt, ob dies der einzige und beste Lösungsweg ist?

Überlegen Sie einmal genau, was Sie eigentlich getan haben. Sie mussten Ihre genau berechneten Bauteilwerte an der aufgebauten Schaltung verändern, um den gewünschten Frequenzgang zu erhalten. Warum mussten Sie dies tun, Sie haben doch genau gerechnet, oder? Ja, sicher haben Sie richtig gerechnet. Was ist dann die Ursache?

Die Ursache

Alle Formeln, die Sie zum Filterentwurf in Lehr- und Praxisbüchern finden, gehen von einem idealen Verstärker, einem idealen OPV aus. Ein idealer OPV hat z.B. bei allen Frequenzen eine gleich bleibende hohe Verstärkung. Diese Eigenschaft werden Sie mit einem realen OPV nicht erreichen. Ein realer OPV hat stets eine Verstärkung, die bei höheren Frequenzen abnimmt. Beispielsweise weist der bekannte OPV uA741 bei einer sehr niedrigen Frequenz von 1 Hz eine Verstärkung von über 10000 auf. Bei 100 kHz beträgt seine Verstärkung weniger als 10. Bei diesen hohen Frequenzen ändert sich auch die Phasenverschiebung zwischen Eingang und Ausgang des Operationsverstärkers.

Bedenken Sie ferner, dass dieses Bauteil mit frequenzabhängiger Verstärkung und Phase - der reale OPV - Bestandteil Ihrer Filterschaltung ist.

Es leuchtet ein, dass der reale OPV mit seiner frequenzabhängigen Verstärkung und Phase die Eigenschaften Ihres Filters mehr oder weniger verändert. Lehrbücher sprechen zwar meistens davon, dass durch die Gegenkopplung des Operationsverstärkers seine frequenzabhängige Verstärkung linearisiert wird, aber auch die Gegenkopplung erzeugt keinen idealen Verstärker. Die bei hohen Frequenzen zunehmende Phasenverschiebung kann nämlich nicht durch die Gegenkopplung kompensiert werden.

Die Lösung

Da wir keinen idealen Verstärker kaufen oder bauen können, müssen wir das Problem ähnlich lösen, wie Sie es bereits getan haben: durch Ändern der Bauteilwerte.

Hierzu gibt es ein einzigartiges Computerprogramm, das Ihnen die mühsame Abgleicharbeit erspart und in wenigen Sekunden eine perfekt auf Ihren OPV-Typ abgestimmte Dimensionierung ausgibt: Die Software AktivFilter, mit der Sie aktive Hoch-, Tief- und Bandpassfilter dimensionieren können und dabei Ihr Design auf einen von über 200 im Programm eingebauten OPV-Typen abstimmen können. AktivFilter zeigt Ihnen nach jeder Berechnung den Ampltudengang Ihres berechneten Filters zusammen mit dem Sollfrequenzgang an. Eine PSPICE-Aufrufschnittstelle, die Ihnen eine schnelle Überprüfung Ihres Entwurfs ermöglicht, ist ebenfalls in AktivFilter integriert.

Damit können Sie Ihre Filterschaltungen mit realen Operationsverstärkern so entwickeln, wie Sie es ursprünglich wollten: Vorgaben in das Programm eingeben, Filter berechnen lassen, Filter aufbauen, fertig! Für alle Leute, die ihre Filter abgleichen müssen, bleibt Ihnen nur noch ein Lächeln...

Das Programm stellt ferner den Frequenzgang dar, den das Filter aufweisen würde, wenn es ohne Berücksichtigung der realen Operationsverstärker-Eigenschaften dimensioniert wäre (traditioneller Entwurf). Damit erkennen Sie sofort, wie gut oder schlecht Ihr Design wäre, wenn Sie AktivFilter nicht benutzen würden.

Wie Sie sehen, gibt es auch einen kurzen Weg zum Ziel...

Die Software AktivFilter 3.2

AktivFilter 3.2 ist ein ausgereiftes 32-Bit-Programm für Microsoft Windows 8, 7, Vista, XP und 2000. Sie können damit Hochpässe und Tiefpässe bis 30. Ordnung der Charakteristiken Bessel, Butterworth und Tschebyscheff oder mit einer selbst definierten Charakteristik in Sallen-Key-Struktur und Mehrfachgegenkopplung (Zweifachgegenkopplung) entwerfen. Bei der Tschebyscheff-Charakteristik können Sie eine beliebige Welligkeit bis maximal 20 dB vorgeben. Weiterhin können Sie Bandpassfilter bis 30. Ordnung mit Mehrfachgegenkopplung sowie aktive Doppel-T-Bandsperren entwerfen. AktivFilter ist nach unseren Informationen weltweit das einzige erhältliche Programm, das in der Lage ist, Filterentwürfe auf bestimmte Operationsverstärkertypen abzustimmen.

Preis und Bestellmöglichkeit

Die AktivFilter 3.2 Personal Edition ist ab 64,- € bei SoftwareDidaktik erhältlich. Die AktivFilter 3.2 Personal Edition enthält mehr als 260 Operationsverstärkermodelle, die in das Programm eingebaut sind. Für Anwender, die dem Programm eigene OPV-Modelle hinzufügen wollen, bieten wir die AktivFilter 3.2 Professional Edition an. Diese Ausgabe liefern wir zusammen mit dem Programm OpAmp-Modell aus, mit dem Sie schnell und einfach Ihre eigenen OPV-Modelle erstellen können. Die AktivFilter 3.2 Professional Edition ist ab 89,- € erhältlich.



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