Praktikum: Verstärkung und Filterung trennen

Ein bewusst nachvollziehbarer aktiver Filter

Platzieren Sie eine nichtinvertierende Stufe mit Verstärkung 2 vor einem Tiefpass aus 15.9 kΩ und 100 nF. Der Verstärker entkoppelt in diesem Lehrmodell den Eingang von der Filterlast; der Ausgang ist unbelastet. Der nominale Pol liegt bei 100.097448 Hz. Bei niedriger Frequenz beträgt die Spannungsverstärkung ungefähr 2, am Pol ungefähr √2 und bei zehnfacher Polfrequenz ungefähr 0.199007.

Speichern Sie active-filter.cir und führen Sie ngspice -b active-filter.cir mit verfügbarem eigenständigem ngspice aus. Eamp ist eine ideale spannungsgesteuerte Spannungsquelle mit endlicher Gleichstromverstärkung 100000. Sie ist kein Operationsverstärker-Makromodell eines Herstellers.

Ideal noninverting gain 2 followed by isolated RC pole
V1 in 0 DC 0 AC 1 SIN(0 0.05 10)
Rg minus 0 10k
Rf amp minus 10k
Eamp amp 0 in minus 100000
Rfilter amp out 15.9k
Cfilter out 0 100n
.op
.ac dec 40 1 100k
.tran 100u 300m 0 100u
.print ac vm(out) vp(out)
.print tran v(in) v(out)
.save all
.end

Die endliche Leerlaufverstärkung macht die geschlossene Gleichspannungsverstärkung zu 100000/(1+50000), ungefähr 1.999960. Das Modell hat keine Versorgungsanschlüsse, Ausgangsbegrenzung, GBW-Pol, Anstiegsgeschwindigkeitsgrenze, Rauschen, Eingangsbiasstrom oder Ausgangsstromgrenze. Es kann daher keinen physischen 3.3-V-Verstärker qualifizieren. Diese Auslassung ist beabsichtigt, um das Widerstands-/Kondensatorverhalten unabhängig zu prüfen.

Vergleichen und verändern

Ersetzen Sie für einen exakten AC-Prüfpunkt den Sweep durch .ac lin 1 100.097448 100.097448. Der Ausgangsbetrag sollte ungefähr 1.414185 und die Phase −0.785398 rad sein. Vergleichen Sie Betrag innerhalb 0.002 und Phase innerhalb 0.001 rad. Bei einer 10-Hz-Eingabe mit 50 mV Spitzenwert beträgt der eingeschwungene Ausgangsspitzenwert des Modells ungefähr 99.503 mV. Lassen Sie den Anfangstransienten vor der Amplitudenmessung abklingen.

Ändern Sie Rfilter auf 31.8 kΩ. Die Grenzfrequenz halbiert sich, während Niederfrequenzverstärkung ungefähr 2 bleibt. Schließen Sie dann 100 kΩ Ausgangslast an und berechnen Sie Gleichstromabschwächung und verschobenen Pol vor dem erneuten Lauf. Ein Puffer vor dem RC entkoppelt das RC nicht von einer danach angeschlossenen Last.

Erfassen Sie Idealmodellergebnisse und verbleibende physikalische Prüfungen getrennt. Im nächsten Entwurfsschritt würden Sie ein Bauteil wählen und Gleichtaktbereich, Ausgangshub, Bandbreite, Anstiegsgeschwindigkeit und Stabilität verifizieren. Syntax für abhängige Quellen und Analysen steht in der ngspice-Dokumentation.