¿Cuál es la ventaja de un filtro Sallen-Key sobre un filtro normal de segundo orden?

Wikipedia enlaza con un filtro Sallen-Key como un paso bajo activo, así que lo probé con LTSpice.

La respuesta de frecuencia y la respuesta de fase no son lineales, en cambio, la respuesta de frecuencia incluso aumenta después de 10 kHz. ¿Por qué es eso y por qué usaría un filtro Sallen-Key en lugar de un filtro de paso bajo "normal"?

Sallen-Key está en la línea azul.

Lo que llama "normal" es un filtro RC simple de dos etapas con muy mala selectividad (solo dos polos reales). A diferencia de. La topología de Sallen-Key es capaz de producir una respuesta de paso bajo de segundo orden con una selectividad mucho mejor (Qp de polo superior) y varias aproximaciones posibles (Butterworth, Chebyshev, Thomson-Bessel, ...).

Sin embargo, hay una gran desventaja de la estructura de Sallen-Key: si se compara con otras topologías de filtro activas (retroalimentación múltiple, filtros GIC, variable de estado, ...): hay una ruta directa (en su ejemplo: C4 ) desde la red de entrada hasta la salida opamp.

Eso significa: para frecuencias mucho más grandes que la frecuencia de corte, el voltaje de salida desde el opamp es, como se desea, muy bajo. Sin embargo, hay una señal que viene directamente a través de la ruta C4 que crea una señal de salida en la resistencia de salida finita del opamp. ¡Y esta resistencia aumenta con la frecuencia!

Como consecuencia, las características de amortiguación de este filtro no son tan buenas como deberían o podrían ser. Y eso es lo que ha observado: la magnitud muestra una característica ascendente para frecuencias más grandes. (Esta degradación de amortiguación no deseada no es causada por limitaciones del producto de ancho de banda de ganancia).

Mejora: La situación se puede mejorar escalando los valores de las piezas: condensadores más pequeños y valores de resistencia más grandes.

Comentario 1 : Esta propiedad no deseada de cualquier circuito opamp con un condensador de retroalimentación (entre los circuitos de salida y entrada) se puede observar también para el clásico integrador MILLER.

Comentario 2: Entonces, ¿hay alguna ventaja que tengan los filtros Sallen-Key en comparación con otras estructuras de filtro activas? Sí hay. Comparemos las dos topologías más utilizadas:

(1) Sallen-Key tiene cifras muy bajas de "sensibilidad activa" (sensibilidad contra no-idealidades opacas) y cifras bastante altas de "sensibilidad pasiva" (sensibilidad contra tolerancias pasivas).

(2) Filtros de retroalimentación múltiple (MF): cifras altas de "sensibilidad activa" y bajas "sensibilidad pasiva".

Ambas sensibilidades son propiedades bastante importantes de todos los filtros porque determinan las desviaciones entre la respuesta del filtro deseada y la real (en condiciones IDEAL, todos los tipos de filtro tendrían propiedades de rendimiento idénticas).

A frecuencias realmente altas, como más altas que UnityGainBandWidth, el opamp ha perdido el control de su Vout. Observe cómo este paso bajo unipolar inversor tiene una respuesta NO INVERTIR a los pulsos de entrada rápidos. El Cfeedback permite que la carga de entrada aparezca directamente en la salida.

Aquí está el circuito y los parámetros de OpAmp:

La única razón por la que el BODE (segunda captura de pantalla) tiene atenuación a frecuencias más altas es 'CL' 15pF formando LowPass con las 2 resistencias en VirtualGround. [Si desea una mejor atenuación de alta frecuencia, instale una tapa de 470pF a tierra en el medio de las 2 resistencias de entrada.]

Te divertirás editando la Amplificadores ROUT. Y al habilitar ese condensador de filtro de entrada. Y editando esa carga de 15pF.

Este ejemplo es uno de esos BUILTIN (no se necesita conocimiento de SPICE) para Signal Wave Explorer, que se puede descargar gratuitamente desde robustcircuitdesign.com durante 19 días únicos de uso.

Y Walt Jung, de Analog Devices, discutió esta fragilidad del LPF hace décadas.

Aquí hay un ejemplo del Zout MEDIDO de un opamp (cerca de 500MHz, se ve como 10pF. 31 Ohms), para los modos Active y ShutDown:

Puede elegir entre muchas configuraciones según sus especificaciones para retraso de grupo, Q, ondulación de paso de banda, atenuación de detención de banda, inclinación de la falda.

Tanto Sallen-Key como Multiple Feedback pueden lograr los mismos resultados.

vea abajo.

Ambos pueden lograr una alta ganancia limitada por el GBW del OP que elija.

Este software de TI puede diseñar cualquier filtro activo y le permite elegir entre la configuración y las tolerancias de resistencia que selecciona el valor apropiado. No le permite especificar la impedancia de entrada para que pueda escalar todos los valores RC para adaptarse a esto.

Elegí la respuesta de Bessel, por lo que el retraso del grupo es plano.

Adicional

De la otra respuesta que expone la limitación de Op Amp BW donde la resistencia de salida de bucle abierto o el límite de corriente de cualquier Op Amp (tipo Rail-to Rail es mucho peor), propongo que el filtro Sallen-Keys sea peor para la atenuación por encima del BW del Op Amp y que la atenuación de alta frecuencia de bucle abierto (> GBW) depende de la relación de impedancia de entrada / salida por encima del umbral de GBW donde la reducción de retroalimentación negativa en Zout no tiene impacto debido a la falta de ganancia.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}