Im Fokus: DAS SC-TIEFPASSFILTER
- Elektronik-Minikurse: Inhaltsverzeichnis WICHTIG: Diverse technische Infos
- Elektronik-Minikurse: Philosophie (Sinn, Vorwissen, Praxisbezug)
- Hilfe bei Leserfragen. (WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!)
- Simulieren und Experimentieren, ein Vorwort von Jochen Zilg
- Autor: Thomas Schaerer Opamp-Buch Timer555-Buch
Im Fokus ist eine spezielle
Elektronik-Minikurs-Idee. Es geht darum ein Thema in den Raum zu
stellen, das in verschiedenen Elektronik-Projekten zum Einsatz sich
eignet. Das Thema wird so weit wie nötig erklärt. Oft bietet Wikipedia
eine hervorragende Unterstützung. Danach werden Elektronik-Minikurse
vorgestellt, wo das Thema zum Einsatz kommt. Ein grosser Teil davon
stammt aus früheren Projekten.
Diesmal geht es um das SC-Tiefpassfilter:
Was sind die Vorteile von den SC-Tiefpassfiltern im Vergleich zu den
analogen aktiven Tiefpassfiltern, realisiert mit Operationsverstärkern
(Opamp). Dies wird weitgehend beantwortet in bereits bestehenden
Elektronik-Minikursen mit praktischen Anwendungen von SC-Tiefpassfiltern
aus früheren Projekten. Zusätzlich motiviert, zu diesem einführenden
Teil, hat mich eine Diskussion im
ELKO-Forum.
SC ist die Abkürzung von
Switched-Capacitor.
Auf deutsch: geschaltete Kondensatoren.
Teilbild 1.1: Will man ein Tiefpassfilter mit einer steil
fallenden Spannung Ua f1 im Bereich der Grenzfrequenz und dies
selbstverständlich mit möglichst konstanter Spannung Ua im
Übertragungsbereich Üb, benötigt man einige Opamps mit vielen
Kondensatoren und Widerständen und dies mit sehr präzisen Werten. Je
höher die Anforderung, um so höher die "Kunst" dies mit der dazu
notwendigen Präzision der Kondensatoren CF1 bis CF8 und der Widerstände
RF1 bis RF8 zu realisieren. Die Präzision der Kapazitäten und
Widerstände von 1% genügen oft nicht. Mit diesen vier Opamps und einer
Butterworth-Funktion erreicht man im Bereich der Grenzfrequenz eine
Steilheit von 48 dB/Oktave mit einer Ordnungszahl von 8.
Teilbild 1.2: Vergleichen wir die analoge Filterschaltung mit
dem integrierten SC-Tiefpassfilter
MAX293
von der Firma
MAXIM.
Beide haben die Ordnungszahl 8, jedoch die Steilheit im Bereich der
Grenzfrequenz liegt bei der SC-Version bei deutlich mehr als
80 dB/Oktave, wie man dies in diesem
Diagramm
aus dem Datenblatt des MAX293 erkennt. Dazu kommt, die maximale Dämpfung
im Sperrbereich liegt bei etwa 80 dB. Nachteilig kann es je nach
Anwendung sein, dass im Sperrbereich die Dämpfung nicht konstant ist.
Dies kommt davon, dass der MAX293 anstelle einer Butterworth-Funktion
mit einer Cauer-Funktion realisiert ist. In der Regel, wie z.B. als
Antialiasing-Tiefpassfilter vor einem A/D-Wandler oder als
Glättungsfilter nach einem D/A-Wandler, spielt diese Instabilität im
Bereich der starken Dämpfung kaum je eine Rolle.
Ganz so ideal wie es scheint, ist auch das SC-Filter (nicht nur bei
Tiefpassfiltern) nicht. Es ist ein abgetastetes System, gegeben durch
die Abtastfrequenz (Samplefrequenz). Man nennt es Clock-Feedthrough.
Diese Spannung äussert sich am Ausgang des SC-Filters als schwache
Überlagerung zur Signalspannung mit der Abtastfrequenz. Diese
Störspannung kann man am Ausgang leicht filtern. Mit einem einfachen
aktiven Tiefpassfilter zweiter Ordnung als Smooth-Lowpass bezeichnet.
Die Grenzfrequenz f2 dieses Tiefpassfilter muss höher sein, als
die Grenzfrequenz f1 des SC-Tiefpassfilters, so dass das aktive
Tiefpassfilter den Amplitudenverlauf des SC-Tiefpassfilters
möglichst nicht beeinflusst. Mehr dazu im Kapitel "Warum
SC-Filter?" im Elektronik-Minikurs
Das SC-Filter, eine kurze Einführung.
Im letzten Kapitel "Elektronik-Minikurse mit SC-Filter im
Einsatz" folgen Links zu Projekten mit SC-Tiefpassfilter im Einsatz.
Speziell ist ein
SC-Sinusgenerator....
Thomas Schaerer, 01.01.2021