¿El filtro Sallen-key requiere un búfer para aplicaciones de baja potencia?

Su problema es probablemente el ruido. Debe comenzar por calcular el voltaje de ruido térmico en un ancho de banda de 10 kHz a 3,4 kohm y decidir qué relación señal/ruido necesita obtener. Eso probablemente le dirá que necesita un preamplificador/búfer de bajo ruido antes del filtro.

Un filtro activo es muy ruidoso. Tienes R1,2,4, todos agregando ruido térmico. Tienes la señal de entrada atenuada por R1C1 R2C2. Luego tienes amplificadores operacionales que en su mayoría son bastante ruidosos. Para reducir el voltaje del ruido térmico, debe hacer que las R sean mucho más bajas que su fuente R, lo que significa que debe amortiguar. Pero también significa que necesita un opamp que tenga una baja resistencia al ruido equivalente. Los mejores amplificadores operacionales (AD797) tienen alrededor de 500 ohmios ENR, por lo que no puede hacer que el filtro Rs sea mucho más bajo que esto o, nuevamente, la figura de ruido empeora.

Esta disposición de filtro activo es más ruidosa que una que tiene solo un RC por etapa de filtro. Si pones OA2 antes que OA1 (con ganancia) sería el preamplificador, y todo sería más silencioso.

Si tiene una señal fuera de banda que necesita filtrarse antes del preamplificador, lo mejor sería un filtro de paso bajo LC. Necesitarás un preamplificador antes del filtro activo, con una ganancia significativa (40dB/100x) para obtener una buena SNR. Vale la pena considerar los filtros LC. Todo este arreglo funciona peor que una L y 2 C.

¿El filtro "requiere" búferes? "Requerir" y "operar con eficacia" son palabras fuertes. Teóricamente, si la fuente de entrada tiene una impedancia diferente de cero y la siguiente etapa tiene una impedancia menor que infinito, la forma de la función de transferencia de este filtro cambiará. Así que la respuesta depende de cuánto cambio puedas tolerar.

En esta aplicación de bajo nivel de potencia, ¿se requeriría un búfer para alimentar la llave de salida o el circuito operaría efectivamente en este sistema?

No, no lo hará (la mayoría de las veces). Cuando compara los valores de R1 y R2 con la resistencia de entrada del amplificador, normalmente será mucho menor y no afectará la corriente de entrada del amplificador. Si entra en el rango de megaohmios con la resistencia de su filtro, es posible que deba considerarlo, este no será el caso con la mayoría de los filtros.

Dado que la impedancia de la fuente es de 3,4k y la resistencia total del circuito de la llave de sallen está probablemente en el rango de gigaohmios (dependiendo de la selección del amplificador), no debería haber una gran diferencia. Casi no se necesita corriente, de nA a fA de corriente de polarización de entrada del amplificador operacional, por lo que unos pocos mA para la impedancia de la fuente deberían ser suficientes.

El ruido también se agrega al agregar una etapa seguidora de voltaje (y otros costos de energía, huella del amplificador operacional en la PCB y dinero adicional), por lo que existe una compensación entre el bajo ruido y el almacenamiento en búfer de impedancia.

En casi todos los casos, evitaría el búfer seguidor de voltaje adicional.

Primero, necesita una especificación SNR mínima para 10kHz BW a una entrada de 3uV. Esto conduce a un requisito de un amplificador de bajo ruido con una densidad de ruido de corriente en nA/√Hz y una densidad de ruido de voltaje en nV/√Hz.

Presumiblemente, desea> 60: 1 SNR, por lo que el ancho de banda de ruido de las resistencias y el amplificador para 10 ^ 4 Hz BW requiere que el ruido sea> 3uV/50/100 = 0,67 nV/√Hz

Esto será un desafío ya que los amplificadores operacionales de bajo ruido tienden a ser 10 veces esta cantidad.

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Estás haciendo la pregunta equivocada. Debería ser ¿cómo puedo medir la siguiente señal que está por debajo del ruido térmico?

Vin tiene una impedancia de fuente de 3.4Kohm.

Como ocurre con la mayoría de los filtros, es necesario conocer la impedancia de la fuente. La mayoría de los filtros asumen que la fuente está lo suficientemente cerca de cero ohmios pero, si la impedancia de la fuente es de 3,4 kohm, entonces el valor de R1 (tal como se calcula al asumir una impedancia de fuente cero) debe reducirse en 3,4 kohm cuando se alimenta desde una impedancia de fuente de 3,4 kohm.

Por supuesto, si R1 tiene un valor naturalmente bastante alto (cientos de kohm o más), entonces no será absolutamente necesario reducir R1. Con R1 = R2, maximiza la Q del circuito y, por lo tanto, alterar uno con respecto al otro en realidad reduce la Q. Este método se usa para modificar Q a lo que se necesita en el filtro para obtener el rendimiento deseado.

Estoy diseñando un circuito que toma una entrada de 3uV a 10-10kHz

Si se especifica que su amplificador operacional tiene una densidad de ruido equivalente a 1$nV/\sqrt{Hz}$, sobre un ancho de banda de 10 kHz (su rango de señal) el ruido equivalente será 1 nV x$\sqrt{10000}$= 1uV RMS. Así que tenga en cuenta que necesita muy buenos amplificadores operacionales para que este avión vuele.

He ignorado los valores de ruido de baja frecuencia y la tendencia a que el ruido equivalente sea mayor en el rango de CC a 1 kHz. Debe seleccionar cuidadosamente su amplificador operacional y posiblemente reducir sus expectativas si trabaja con un presupuesto ajustado. También he ignorado la densidad de ruido de corriente de entrada equivalente.

Necesitas considerar todas estas cosas.