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Dimensionamento cella Multiple Feedback filtro attivo

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] Dimensionamento cella Multiple Feedback filtro attivo

Messaggioda Foto UtenteGOpamp » 28 mar 2019, 1:59

Buonasera a tutti,
devo progettare una cella MF le cui specifiche sono:
-guadagno 2.82
-f0=2.3kHz
-Q=0.685
-opamp TL082 alimentato a doppia alimentazione +15V,-15V.

Nel dimensionamento della cella ho a disposizione la serie E12 per le resistenze e la serie E6 per i condensatori.
Quello che ho pensato di fare è partire da un valore della resistenza di retroazione R2 non troppo alto (tra 20kΩ e i 40kΩ -- valore scelto 33kΩ) in modo da non far passare troppa corrente in retroazione e inoltre tenere basso il contributo di offset dovuto alle correnti di polarizzazione.
Dopo aver fissato R2, fisso R1 in modo da avere quel guadagno e cioè R1=12kΩ (guadagno 2.75).
Per R3 ho pensato che non dovesse avere un valore troppo basso perché quando "si chiude" il condensatore C5, sulla retroazione avrò R2//R3 e non voglio comunque che sia un valore troppo basso. Seguendo questa logica, che non so se sia corretta oppure no, mi verrebbe da mettere un valore alto di R3 (centinaia di kΩ).
R3 penso sia importante sceglierla con criterio perché influenzerà la scelta dei condensatori.QUAL È LA LOGICA DA SEGUIRE NELLA SCELTA DI R3?
Per avere dei valori dei condensatori sulle svariate centinaia di picofarad come dice il grande (onde evitare che vengano influenzate dai pochi picofarad delle capacità di ingresso dell'opamp) ho scelto R3=33kΩ.

Con i valori scelti:
-guadagno 2.75
-f0=2.24kHz
-Q=0.666



Ora mi chiedo: "Potrebbe andare bene? Ci sono delle considerazioni sbagliate?Ci sono considerazioni in più che devo fare?"
Domanda(forse stupida): "Mettere una resistenza in serie fra il morsetto + e il riferimento potrebbe aiutare nel ridurre i contributi di offset sull'uscita(R+=R1//R2)? Oppure non ha senso?"
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[2] Re: Dimensionamento cella Multiple Feedback filtro attivo

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 28 mar 2019, 9:19

Compliment :ok: i, il criterio dimensionamento mi pare corretto, ma non sono un esperto.
Le formule adoperate valgono con un operazionale dal guadagno infinito?
Quanto vale il guadagno del TL082 a 2000 Hz ?

Se vuoi rispettare con più dettaglio i requisiti, dovreti realizzare un circuito tarabile,
magari a variabili di stato ( mi pare servano tre operazionali), oppure, visto che il Q è basso metti due stadi RC a operazionale in cascata.


Alla domanda:
Mettere una resistenza in serie fra il morsetto + e il riferimento potrebbe aiutare nel ridurre i contributi di offset sull'uscita(R+=R1//R2)? .."

posso rispondere in modo ambiguo:
dipende dai requisiti di offest in uscita, dall'ampiezza del segnale da filtrare, dalla corrente di bias dell'operazionale, io non lo metterei per risparmiare 12+33 = 47 k.

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[3] Re: Dimensionamento cella Multiple Feedback filtro attivo

Messaggioda Foto UtenteGOpamp » 28 mar 2019, 11:59

Ciao Marco D! Grazie per avermi risposto innanzitutto.
Secondo te la logica da seguire nel dimensionamento di R3 è giusta quindi?

Si le formule adoperate valgono con un opamp a guadagno infinito.

Se parli della similazione il guadagno a 2kHz è 8.98db, quindi ci siamo. Se invece intendi il guadagno proprio dell’opamp(prodotto banda guadagno 4MHz) ,ci sono dentro alla grane!

?? Non capisco il 12+33=47k ?? Di che parli??

P.s. Il segnale di ingresso e 2V picco picco e inoltre non ho requisiti di offset in uscita, è solo per capire come potrei ridurlo! :)
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[4] Re: Dimensionamento cella Multiple Feedback filtro attivo

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 28 mar 2019, 15:05

Non capisco il 12+33=47k ?? ..


Consideriamo la corrente di bias polarizzazione che scorre nei due ingressi dell'operazionale
Supponiamo sia il valore enorme di 1 uA.


Supponiano Vi = 0 (ingresso in cortocircuito)
Questa corrente provoca un offset di:
Ibias x ( R3+ R1//R2) = 1 u x ( 33k + 12k//33k) = 1 x 41,8 mV.
L'offset in ingresso di 42 mV, moltiplicato per (R2+R1)/R1 = (33+12)/12= 3,75
crea in uscita 157 mV.

Per controbilanciare l'offset dovresti inserire un resistore R4 da 41,8 k ohm (non 47 k come avevo scritto) in serie all'ingresso + dell'operazionale.

Ma dal data sheet il TL082 ha un valore di corrente di bias di 50 pA, ingresso a JFET , corrente bassissima... ) http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl082-n.pdf
50 pA = 0,05 uV

La R4 non serve !!!.

Auguri di buoni progetti e buone attività

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[5] Re: Dimensionamento cella Multiple Feedback filtro attivo

Messaggioda Foto Utentedimaios » 28 mar 2019, 15:16

Il dimensionamento reale dipende anche da :

1) Comportamento della topologia del filtro attivo nei confronti del rumore. La scelta dei componenti impatta sul livello di rumore trasferito all'uscita.
2) Impedenza di ingresso in base allo stadio che pilota il filtro.
3) Impedenza di uscita in base allo stadio successivo ( es. ADC )

I criteri di dimensionamento e verifica li trovi nelle application notes di vari costruttori.

es. Analog Devices ( quindi Linear ) e Texas Instruments
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[6] Re: Dimensionamento cella Multiple Feedback filtro attivo

Messaggioda Foto UtenteGOpamp » 28 mar 2019, 15:56

Grazie Foto UtenteMarcoD, ho capito perché inutile in questo caso inserire la R4.

Foto Utentedimaios all' ingresso del filtro ci sarà un generatore di segnali (il filtro progettato serve per una esperienza didattica in laboratorio). In uscita ci sarà un altro stadio MF, in quanto il filtro in questione per rientrare nella maschera dovrà essere di ordine 10.

Ringrazio entrambi per i commenti. Progetterò gli altri stadi seguendo lo stesso criterio, sperando di ottenere un filtro che funzioni decentemente!

:D
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[7] Re: Dimensionamento cella Multiple Feedback filtro attivo

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 28 mar 2019, 15:57

Un paio di osservazioni en passant oltre a quelle gia` dette da Foto UtenteMarcoD e Foto Utentedimaios

Direi che abbia un buon intuito per vedere cose che potrebbero essere critiche.

Per quanto riguarda la corrente di offset non devi preoccuparti, stai usando un operazionale con ingresso a JFET, e le correnti di ingresso sono quasi sempre trascurabili (tranne il caso in cui l'operazionale funzioni a temperature ambiente elevatissime).

Buona la preoccupazione di non avere capacita` troppo piccole, non solo per la capacita` di ingresso ma anche per quelle parassite dovute al layout. Avere capacita` grandi implica resistenze piccole a pari frequenza e questo da` impedenza di ingresso ridotta (male) e maggiore insensibilita` ai disturbi accoppiati capacitivamente (bene!)

Talvolta capita che scegliendo due componenti "a buon senso" si ottengano per gli altri componenti valori negativi o complessi.

VIsto che hai a disposizione meno valori di capacita` rispetto alle resistenze, conviene partire scegliendo due valori per le capacita` e poi calcolare le resistenze di conseguenza.

Per migliorare ancora la scelta dovresti considerare la sensibilita` dei parametri rispetto ai componenti ed eventualmente la facilita` di tarare il circuito (quest'ultimo punto pero` non dipende dai valori dei componenti ma dalla topologia del circuito).

Per un'idea dell'applicazione delle sensitivity ai filtri attivi, puoi guardare qui, sfortunatamente non e` un multiple feedback :(

Un suggerimento possibile per il tuo filtro e` di scegliere a buon senso C4 (il tuo valore va benissimo) e poi C5 grande da non sentire le capacita` parassite, ma non troppo grande altrimenti R2 diventa complessa :( Poi da questo si calcolano le resistenze.

Per la taratura, si mette a posto la frequenza variando R3, poi il Q variando R1 (che non influenza la frequenza) e infine usando R2 per mettere a posto il guadagno in continua. Poi si ripete, dato che se si varia R2, cambiano sia la frequenza che il Q (ma poco).
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[8] Re: Dimensionamento cella Multiple Feedback filtro attivo

Messaggioda Foto UtenteGOpamp » 28 mar 2019, 16:22

IsidoroKZ ha scritto:Direi che abbia un buon intuito per vedere cose che potrebbero essere critiche.

Ho avuto delle buone dritte :D .

IsidoroKZ ha scritto:Per quanto riguarda la corrente di offset non devi preoccuparti, stai usando un operazionale con ingresso a JFET, e le correnti di ingresso sono quasi sempre trascurabili (tranne il caso in cui l'operazionale funzioni a temperature ambiente elevatissime).

Quindi me ne preoccupo solo quando gli ingressi sono a BJT, o in generale quando le correnti sono alte (centinaia di nA)? Poi ovviamente dipende anche dal' ampiezza del segnale di ingresso (con 2V picco picco non mi frega di 10mV di offset).

IsidoroKZ ha scritto:VIsto che hai a disposizione meno valori di capacita` rispetto alle resistenze, conviene partire scegliendo due valori per le capacita` e poi calcolare le resistenze di conseguenza.

Non ci avevo pensato, grazie!

IsidoroKZ ha scritto:Un suggerimento possibile per il tuo filtro e` di scegliere a buon senso C4 (il tuo valore va benissimo) e poi C5 grande da non sentire le capacita` parassite, ma non troppo grande altrimenti R2 diventa complessa :( Poi da questo si calcolano le resistenze.

Però dovrei fissare anche una resistenza per ottenere una soluzione, in quanto ho 2 equazioni di progetto (f0 e Q).
Che resistenza fisso? Io opterei per quella di feedback R2.


Grazie mille Foto UtenteIsidoroKZ
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[9] Re: Dimensionamento cella Multiple Feedback filtro attivo

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 28 mar 2019, 16:49

Tre equazioni: fo, Q e il guadagno in continua. Se lo trovi, guarda il Tobey Graeme Huelsmann, Operational Amplifiers Design and Applications. E` un libro "antico", ma per quei filtri va bene.
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[10] Re: Dimensionamento cella Multiple Feedback filtro attivo

Messaggioda Foto UtenteEcoTan » 28 mar 2019, 17:16

GOpamp ha scritto:(il filtro progettato serve per una esperienza didattica in laboratorio). In uscita ci sarà un altro stadio MF, in quanto il filtro in questione per rientrare nella maschera dovrà essere di ordine 10.

Ma è realistico? Ricordo vagamente di avere fatto delle misure su un filtro simile a 2 celle (faceva parte di un modem), non ricordo se montasse condensatori al 2% o addirittura allo 0,5%.
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