ตัวกรองมีบทบาทสำคัญในด้านการสื่อสาร เนื่องจากช่วยกำจัดสัญญาณรบกวนและช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ การใช้งานตัวกรองในระบบโทรคมนาคมจะแตกต่างกันไปตั้งแต่ความถี่สูงไปจนถึงความถี่ต่ำมาก การเลือกช่องสัญญาณในบริการโทรศัพท์เป็นงานหลักสำหรับตัวกรองผ่านแถบความถี่สูง (BPF) ในขณะที่การรับข้อมูลขึ้นอยู่กับตัวกรองผ่านแถบความถี่ต่ำแบบป้องกันการเกิดเอเลียส (LPF) สำหรับประสิทธิภาพของ วงจร ตัวกรองผ่านแถบความถี่ต่ำและตัวกรองผ่านแถบความถี่ต่ำแบบแอคทีฟ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องทราบความถี่ตัดของวงจรและประสิทธิภาพความถี่สูงสำหรับการออกแบบตัวกรองแบบแอคทีฟ ตัวกรองผ่านแถบความถี่ต่ำแบบพาสซีฟ และตัวกรองผ่านแถบความถี่ต่ำแบบ RC ตัวกรองผ่านแถบความถี่ต่ำที่ระบุได้ง่ายๆ ด้วยส่วนประกอบแบบแอคทีฟและพาสซีฟเรียกว่าตัวกรองผ่านแถบความถี่ต่ำแบบแอคทีฟ บทความนี้ให้ข้อมูลโดยย่อเกี่ยวกับตัวกรอง Sallen-Key วงจร และการใช้งานของมัน

ตัวกรอง Sallen-Key คืออะไร?

วงจรกรองสัญญาณอนาล็อกลำดับที่สองแบบแอคทีฟที่ได้รับความนิยมมากที่สุดคือ วงจรกรองสัญญาณ Sallen-Key ซึ่งเรียกอีกอย่างว่า วงจรแหล่งจ่ายแรงดันควบคุมแรงดันไฟฟ้า วงจรเหล่านี้ได้รับความนิยมอย่างมากเนื่องจากโครงสร้างของมันไม่ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ (op-amp) มากนัก ส่วนใหญ่เป็นเพราะตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการถูกต่อในลักษณะเดียวกับตัวขยายสัญญาณทั่วไป ซึ่งช่วยลดความต้องการด้านอัตราขยายและแบนด์วิดท์ของตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ วงจรกรองสัญญาณ Sallen-Key มีค่าความคลาดเคลื่อนของส่วนประกอบต่ำ ความต้านทานอินพุตสูง และความต้านทานเอาต์พุตต่ำ ซึ่งช่วยให้สามารถต่อวงจรกรองสัญญาณต่างๆ ได้โดยไม่ต้องใช้บัฟเฟอร์ตัวกลาง

วงจรกรองคีย์ซัลเลน

วงจรกรองความถี่แบบ Sallen key เป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้กรองความถี่ที่ไม่ต้องการออกจากสัญญาณเสียง วงจรนี้ออกแบบอย่างง่ายโดยใช้ตัวต้านทานสองตัว ตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ (op-amp) และตัวเก็บประจุสองตัวที่สร้างเป็นวงจรป้อนกลับ ขึ้นอยู่กับค่าของส่วนประกอบ วงจรนี้สามารถทำหน้าที่เป็นทั้งตัวกรองความถี่ต่ำและตัวกรองความถี่สูงได้ต่อไปนี้เป็นการอธิบายวงจรกรองความถี่ต่ำแบบ Sallen key

ตัวกรองความถี่ต่ำ Sallen Key

ในวงจรกรองความถี่ต่ำแบบ Sallen-Key ประสิทธิภาพการกรองที่ดีขึ้นสามารถทำได้โดยการเลือกส่วนประกอบ RC อย่างเหมาะสม คุณสมบัติหลักของตัวกรองนี้คือ การขยายแรงดันและการควบคุมอัตราขยายแรงดัน พร้อมกับการทำงานของตัวกรองที่เสถียร แผนผังวงจรกรองความถี่ต่ำแบบ Sallen Key สำหรับอัตราขยายหนึ่งเท่าแสดงอยู่ด้านล่าง วงจรนี้มีตัวกรอง RC สองส่วนที่ต่ออนุกรมกันอย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม ตัวเก็บประจุในขั้นแรกจะต่อพ่วงผ่านเอาต์พุต

ฟังก์ชันถ่ายโอนทั่วไป (TF) สำหรับ LPS อันดับสองคือ

H(s) = Kω ² 0/S ² + (ω0/Q)S+ ω ² 0 —–(1)

ที่ไหน:

'K' คือปัจจัยการขยาย

'ω0' คือความถี่ลักษณะเฉพาะในหน่วยเรเดียน/วินาที

'Q' คือปัจจัยด้านคุณภาพ

S = jω.

ฟังก์ชันถ่ายโอนของตัวกรองความถี่ต่ำ Sallen-Key อันดับที่ 2 สามารถเขียนได้ในรูปแบบเดียวกับสมการทั่วไปข้างต้น

H(s) = (K/ R1R2 C1C2)/ S ² +[( 1/R1+1/R2) 1/ C1 +(1- K/ R2C2]S + 1/ R1R2C1C2 —–(2)

เมื่อนำสมการทั้งสองข้างต้นมาเท่ากัน เราจะได้สมการความถี่ตัดและค่าคุณภาพ

ความถี่ตัดของสมการตัวกรองคีย์ Sallen คือ fc = 1/2π√ R1R2 C1C2

ค่า Q ของตัวกรอง Sallen Key 'Q' คือ √R1R2 C1C2/ R1C1+R2C1+ R1C2 (1-K)

สมการอัตราขยายคล้ายกับวงจรขยายแบบไม่กลับเฟส

K = 1+ R3/R4

ในทำนองเดียวกัน ตัวกรองความถี่สูงแบบ Sallen Key สามารถออกแบบได้โดยการแทนที่ตัวต้านทานด้วยตัวเก็บประจุ

ตัวกรอง Sallen Key ทำงานอย่างไร?

วงจร Sallen–Key ทำงานโดยการใช้ตัวกรองแอคทีฟอันดับสองเพื่อเพิ่มค่า Q ของตัวกรองด้วยการป้อนกลับเชิงบวกแบบควบคุมได้ วงจรนี้เรียบง่ายมากเมื่อเทียบกับวงจรตัวกรองแอคทีฟแบบอื่น ๆ นี่คือการออกแบบตัวกรองแอคทีฟโดยใช้ตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการแบบไม่กลับเฟสเพียงตัวเดียวและตัวต้านทานสองตัว

ข้อดีของตัวกรอง Sallen-Key

ข้อดีของตัวกรอง Sallen Key มีดังต่อไปนี้

• วงจรกรอง Sallen-Key มีการออกแบบที่เรียบง่ายมาก โดยใช้เพียงตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ (op-amp) และส่วนประกอบ RC เพียงตัวเดียว
• ตัวกรองเหล่านี้สามารถเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขาออกให้สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าได้
• อิมพีแดนซ์อินพุตสูงและอิมพีแดนซ์เอาต์พุตต่ำทำให้การต่ออนุกรมของฟิลเตอร์ Sallen-Key ทำได้ง่ายขึ้นมาก
• ตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ (op-amp) ในวงจรกรอง Sallen-Key ช่วยลดผลกระทบของส่วนประกอบ RC ต่อคุณลักษณะของวงจรกรอง
• ตัวกรองเหล่านี้มีช่วงความถี่กว้าง
• วงจรขยายสัญญาณปฏิบัติการ (op-amp) ภายในตัวกรองนี้สามารถจัดเรียงได้ทั้งในรูปแบบวงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับเฟส หรือแบบบัฟเฟอร์ที่มีอัตราขยายเท่ากับหนึ่ง
• ตัวกรองเหล่านี้มีหลายขั้นตอนและระดับการขยายที่แตกต่างกัน
• ความเสถียรของตัวกรอง Sallen-Key อยู่ในระดับดี
• การทำความเข้าใจการออกแบบตัวกรองนี้เป็นเรื่องง่าย
• การใช้วงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับเฟสสามารถเพิ่มอัตราขยายแรงดันไฟฟ้าได้
• ตัวกรองแบบลำดับที่หนึ่งและลำดับที่สองสามารถต่ออนุกรมกันได้อย่างง่ายดาย
• แต่ละวงจร RC สามารถมีอัตราขยายแรงดันที่แตกต่างกันได้

ข้อเสียของตัวกรอง Sallen Keyมีดังต่อไปนี้

• ตัวกรอง Sallen-Key นั้นปรับแต่งได้ยากเนื่องจากค่าส่วนประกอบของ F0 และ Q มีปฏิสัมพันธ์กัน
• ค่า 'Q' สูงสุดที่ต่ำสามารถหาได้
• ตัวกรองแบบ Sallen key มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงและความคลาดเคลื่อนของส่วนประกอบมาก ซึ่งหมายความว่าค่าความต้านทานและตัวเก็บประจุที่แท้จริงจะแตกต่างจากค่าในอุดมคติ และอาจเปลี่ยนแปลงได้ในที่สุดเนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น การเสื่อมสภาพตามอายุ ความชื้น และอุณหภูมิ ซึ่งอาจส่งผลต่อความเสถียรและความแม่นยำของตัวกรอง
• มันไวต่อการบิดเบือนและสัญญาณรบกวนจากตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการดังนั้นคุณลักษณะและคุณภาพของตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการจึงส่งผลต่อประสิทธิภาพและเอาต์พุตของตัวกรองคีย์ Sallen ได้
• ในการออกแบบตัวกรอง Sallen-Key อัตราขยายแรงดันและปัจจัยการขยายมีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิดเนื่องจากการใช้ออปแอมป์ในการออกแบบนี้
• ค่าตัวประกอบคุณภาพ (Quality factor) ที่มากกว่า 0.5 เกือบทุกค่าสามารถทำได้ เนื่องจากเมื่อใช้การจัดเรียงวงจรของออปแอมป์แบบไม่กลับเฟส อัตราขยายแรงดันจะมากกว่า 1 เสมอ แต่ต้องต่ำกว่า 3 มิฉะนั้นจะเกิดความไม่เสถียร

การใช้งานตัวกรอง Sallen-Key

การประยุกต์ใช้ตัวกรอง Sallen Key มีดังต่อไปนี้

• โดยทั่วไปแล้ว ตัวกรอง Sallen-Key มักเป็นที่นิยมใช้เมื่อต้องการค่า Q ต่ำ การลดสัญญาณรบกวนเป็นสิ่งสำคัญ และจำเป็นต้องมีอัตราขยายแบบไม่กลับเฟสในวงจรกรอง
• ตัวกรองนี้ใช้เป็นส่วนประกอบพื้นฐานในการสร้างวงจรกรองลำดับสูง เช่นวงจร LPF, HPF และ BPF
• ฟิลเตอร์นี้สามารถนำไปใช้ในงานประมวลผลสัญญาณเสียงได้หลากหลาย เช่น การควบคุมโทนเสียง การปรับสมดุลเสียง การสังเคราะห์เสียงการปรับเปลี่ยนสัญญาณและการลดเสียงรบกวน
• ฟิลเตอร์นี้ใช้สำหรับปรับแต่ง/สังเคราะห์สัญญาณเสียงโดยการเปลี่ยนค่า Q หรือความถี่ตัดแบบไดนามิกผ่านสัญญาณเพิ่มเติม เช่น ซองสัญญาณ แรงดันควบคุม หรือออสซิลเลเตอร์

ดังนั้น นี่คือภาพรวมของตัวกรอง Sallen-Key (โครงสร้าง Sallen key) หรือตัวกรอง Sallen and Key ซึ่งเป็นหนึ่งในตัวกรองความถี่ต่ำแบบแอคทีฟลำดับที่สองที่ได้รับความนิยมอย่างมาก สามารถกำหนดค่าได้เป็น LPS, HPS, BPS และ BSF โครงสร้าง Sallen-Key นี้ช่วยในการปรับแต่งตัวกรองต่างๆ เช่น Butterworth, Chebyshev และ Bessel ตัวกรองนี้คล้ายกับ VCVS (แหล่งจ่ายแรงดันควบคุมด้วยแรงดัน) รวมถึงคุณลักษณะของตัวกรอง เช่น ความเสถียรที่ดี อิมพีแดนซ์เอาต์พุตต่ำ และอิมพีแดนซ์อินพุตสูง ตัวกรองความถี่ต่ำ Sallen-Key ถูกนำมาใช้ด้วยเหตุผลหลายประการ เช่น การออกแบบที่เรียบง่าย การต่อตัวกรองแบบอนุกรม ช่วงความถี่ที่กว้าง การควบคุมอัตราขยายแรงดัน หลายขั้นตอน การออกแบบตัวกรองลำดับสูง ความเสถียร และอัตราขยายที่แตกต่างกัน