2016年2月6日土曜日

2次Active Low Pass Filterの実験

2次LPFで、品種を指定してVCVSとMFB(多重帰還)のシミュレーションをLTSpiceでしてみた。

2次LPFだとOPAMPのGB積(利得帯域幅積)は

VCVS
GB積 ≧ G × fc × 100 = 1 × 200kHz × 100 = 20MHz
MFB
GB積 ≧ 100 × G × fc × Q = 100 × 1 × 200kHz × 0.707 ≒ 14MHz
となる。手持ちのOPAMPのスペックをまとめてあるので見てみると


OPA2604がOK。NJM4580が次点。OPA2604は高価なのでNJM4580で実験することにしてシミュレーションしてみた。

回路図

VCVS

MFB

PCM5102の出力をR5、R6のPOTで分圧し出力レベルを調節してU1のボルテージフォロワーでバッファリング。ここから出ている「NOUT」はLPFを通さない出力で、R1以降のLPFを通した出力が「FOUT」とした。

過渡解析

VCVS

MFB

200kHzの三角波を入力してサイン波を出力している。VCVSは同相、MFBは逆位相(プラス位相遅れ)だ。

AC解析

VCVS

20MHzあたりで出力が上がっている。

MFB

MFBは段はあるが出力が上がることはない。

FFT

VCVS

MFB

矩形波を入力してみる。

ブレッドボードで回路を組んで矩形波だけのファンクションジェネレータ―から矩形波を出力して様子をみてみた。

VCVS

ブレッドボード図


R1=R2=8.2kΩ
C1=C2=100pF

電源電圧 +4.46V/-4.53V

出力

16kHz

可聴帯域では波形がなまる程度

160kHz

fcの200kHz付近になると三角波に近くなる。

400kHz

fcの2倍あたりではサイン波に近くなっている。

1.6MHz

1.6MHz以上では出力がおかしくなってしまった。

MFB

ブレッドボード図


R1=R3=1.5kΩ
R2=6.8kΩ
C1=560pF
C2=100pF

電源電圧: +4.47V/-4.50V

16kHz

160kHz

400kHz

1.6MHz

MFBも位相は逆だが1.6MHz以上は出力がおかしくなる。

周波数特性

オシロで測定した値を元にグラフにしてみた。

2nd VCVS LPF fc=194,091Hz


周波数(Hz) 入力(mv) 出力(mv) VO/VI dB
8000 506.9 478.6 0.944170448 -0.498991939
16000 508.2 469.3 0.923455333 -0.69168213
40000 509.3 442.7 0.86923228 -1.217283084
80000 513.2 389.3 0.758573655 -2.40004488
160000 512.9 274 0.534217196 -5.445642725
400000 518.3 94.2 0.181748022 -14.81060612
800000 522.1 47.51 0.090997893 -20.81937326


2nd MFB LPF fc=210,584Hz

周波数(kHz) 入力(mv) 出力(mv) VO/VI dB
8000 506.5 457 0.902270484 -0.893264993
16000 506.6 449.7 0.88768259 -1.034845958
40000 508.7 418.8 0.823275015 -1.689101292
80000 510.9 362.1 0.708749266 -2.990147557
160000 510.4 240.3 0.47080721 -6.543137898
400000 512.3 73.25 0.142982627 -16.89433454
800000 517.8 39.16 0.075627655 -22.42638726


-3dBは100kHz付近に来ている。1MHzあたりではMFBの方が減衰しているが大差ではない。