¿Por qué un filtro de paso bajo de tecla sallen no funciona con tierra virtual?

Veamos un filtro de paso bajo de Sallen-Key:

Una cosa que notará: el filtro no introduce ninguna ruta de CC adicional a tierra. C2 está conectado a "tierra", pero dado que no hay una ruta de CC hacia él, en realidad no importa dónde esté conectado, siempre que sea un voltaje fijo. También podríamos conectarlo a$V_{CC}$, o cualquier otro riel de alimentación. No importa, a excepción de los transitorios de encendido.

¿Qué tal un filtro de paso alto?

Aquí tenemos un camino a tierra a través de R2, pero R2 es 10kΩ. El objetivo de un circuito integrado de tierra virtual es proporcionar una tierra virtual de baja impedancia , pero aquí necesitamos una tierra de 10 kΩ. No necesitamos un IC para eso, solo necesitamos un divisor de voltaje hecho de dos resistencias de 20kΩ. Claro, podría usar un IC de tierra virtual y seguirlo con una resistencia de 10kΩ, pero ¿cuál es el punto? Un par de resistencias de 20 kΩ es mucho más simple.

Mire la topología de Sallen-Key en general:

En esta topología, siempre hay alguna impedancia ($Z_4$) entre el filtro y tierra. Dado que el objetivo de un IC de tierra virtual es hacer una tierra de baja impedancia, pero nunca necesitaríamos eso, Sallen-Key "niega el requisito de una tierra virtual". En otras palabras, no es que no puedas usar un IC de tierra virtual: es que nunca necesitarás usar uno.

En realidad, el divisor de resistencia proporciona una tierra virtual . La diferencia es que, a diferencia de otras topologías de filtro que necesitan una conexión a tierra rígida para absorber la corriente a través de la red o las resistencias de retroalimentación, el filtro de paso bajo de Sallen-Key solo necesita un voltaje de polarización de alta impedancia (su única carga es la entrada no inversora del opamp, que debería extraer una corriente de polarización insignificante).

Con ganancia unitaria, no debería haber ningún problema de acoplamiento de CC en las etapas posteriores, pero una ganancia más alta magnificará cualquier voltaje de compensación presente. Si los amplificadores operacionales tienen un voltaje de compensación inaceptablemente alto con una ganancia alta, es posible que se requiera un acoplamiento de CA. ¡ Por supuesto, cualquier acoplamiento de CA convierte el filtro de 'paso bajo' en un filtro de paso de banda!

Cada circuito basado en opamp que está diseñado para señales de CA (como circuitos de filtro) debe tener la capacidad de que su salida pueda oscilar por debajo y por encima del punto de funcionamiento inactivo. Por tanto, es lógico que este punto Q esté en el medio entre ambas tensiones de alimentación (para alimentación dual: 0 V).

Para la operación de suministro único, este punto Q está en la mitad del voltaje de suministro. Por lo tanto, usamos un divisor de voltaje que produce este sesgo que está conectado a la entrada no inversora. En el caso de una retroalimentación del 100 % (ganancia unitaria), este voltaje de polarización también aparece en la salida (como se desee). Como consecuencia, la salida ahora puede oscilar alrededor de este punto de funcionamiento inactivo.

Como se mencionó al final del artículo de referencia, el divisor de voltaje, por supuesto, influye en el circuito del filtro (constante de tiempo); por lo tanto, puede ser conveniente utilizar un amplificador operacional adicional (como se muestra en la última figura) para fines de desacoplamiento. Por otro lado, es posible, por supuesto, tener en cuenta este divisor durante el cálculo de los elementos de filtro.

Sin embargo, tenga en cuenta que esto solo funciona para la ganancia unitaria de CC. Por lo tanto, este esquema es aplicable solo para la versión de ganancia unitaria de Sallen-Key. Para otros circuitos (p. ej., Sallen-Key con ganancia) debemos discriminar entre realimentación de CA y CC (utilizando un condensador en serie).

Observación (editar): El documento al que se hace referencia también muestra el filtro Fliege basado en GIC. En este caso, no es necesario ningún divisor de tensión para producir el punto Q (50% de la tensión de alimentación) porque el no inv. La entrada del opamp inferior no está conectada a la señal de entrada. Sin embargo, es necesario un condensador de acoplamiento grande (no se muestra en la figura).

Cualquier circuito de amplificador operacional (filtro o amplificador) debe tener señales de entrada que estén restringidas dentro de los rieles de los amplificadores operacionales. Normalmente, esto se logra con un punto medio a 0 V (como en el caso de un amplificador operacional con rieles de suministro de +V y -V) pero, si la amplitud pp de la señal de entrada es solo un voltio, entonces no hay razón por la cual el "punto medio" no debe compensarse con 0 V; la única condición es que si el amplificador operacional proporciona ganancia, la salida (que puede ser de 10 Vp-p, por ejemplo) también está restringida dentro de los rieles de suministro.

En un riel de +/- 15 V, con una salida de señal de 10 Vp-p, el voltaje de CC de "tierra" podría ser fácilmente de 6 V por encima de 0 V. Hay algunos circuitos que pueden requerir esto y no hay nada de malo en esto conceptualmente: la salida de 10Vp-p en realidad alcanzará un máximo de +11V y +1V. Esto es totalmente compatible con la mayoría de los amplificadores operacionales. A los amplificadores operacionales no les importa dónde está el "punto medio".

Los circuitos de amplificador operacional de un solo riel no son diferentes: el "punto medio" interno puede estar en + 6 V y desde un solo suministro de + 15 V, la salida aún estaría en + 11 V (pico máximo) y pico mínimo de + 1 V. Un punto medio más natural sería 7.5 voltios, pero al amplificador operacional no le importa esto en absoluto, siempre que la salida no se acerque demasiado al riel positivo y 0V (riel negativo), si lo hace, use un riel. amplificador operacional de salida a riel.

Por cierto, no existe un amplificador operacional de un solo riel: todos los amplificadores operacionales son capaces de funcionar con un solo riel.

@Respawned Fluff, ¿diría que el divisor de voltaje R1-R2 en el circuito del transistor a continuación crea una tierra virtual?

Hay mucha filosofía en este tema...

Para hacer que fluya corriente entre dos puntos dentro de un circuito, debemos crear una diferencia de potencial (voltaje) entre ellos. Para este propósito, mantenemos constante el voltaje de un punto (la tierra ) y cambiamos el voltaje (de entrada) del otro punto. Entonces el suelo es el otro punto , no el punto de entrada .

"Tierra" hace una asociación con algo estable, sólido, rígido... que no se "mueve" cuando cambiamos el voltaje de entrada del "otro lado" (o generamos/hundimos una corriente hacia/desde la tierra). Entonces, este punto puede tener cualquier voltaje (para ser una "tierra desplazada") pero obligatoriamente debe tener una resistencia lo suficientemente baja ... solo para llamarlo "tierra".

Entonces, aquí la salida del divisor de voltaje no sirve como tierra... produce otro voltaje de entrada (polarización)... es otra fuente de voltaje de entrada. Así tenemos dos fuentes de tensión conectadas en paralelo en un mismo punto que se esfuerzan por fijar su tensión.

Uno de ellos (el divisor de voltaje suministrado por Vcc) está permanentemente conectado (sin importar la frecuencia). Es una "fuente de voltaje malo" (que tiene una resistencia de salida significativa)... o más precisamente, es una "fuente de voltaje empeorado intencionalmente". Por lo tanto, si aún desea considerarlo como una especie de terreno virtual, puede llamarlo "terreno virtual empeorado intencionalmente".

La otra fuente (de entrada) está perfecta... pero, a baja frecuencia, está "desconectada" (por el capacitor) del punto común... y no afecta su voltaje que está puesto a 1/2Vcc por el fuente de tensión imperfecta (el divisor de tensión). A alta frecuencia, el capacitor "conecta" la fuente de entrada perfecta en paralelo con la imperfecta... y fuerza su voltaje en el punto común.

Este es el truco de polarización aquí: a alta frecuencia, para conectar una fuente de voltaje "fuerte" (CA + CC) a una fuente de voltaje "débil" (CC).

Otro punto de vista no convencional es pensar en este arreglo como un verano de voltaje con entradas ponderadas (aplicando el principio de superposición). La entrada del lado del divisor de voltaje tiene un peso relativamente bajo pero constante, mientras que la entrada del lado de la fuente de entrada tiene un peso variable (grande, a alta frecuencia, y pequeño, a baja frecuencia).