Howto Einfaches Biquad-Filter, Tow-Thomas Topologie

[RudiS]

Das Biquad-Filter besitzt zwei Ausgänge: BP (Bandpass) und LP (Lowpass).

Vorgaben (abgesehen von der Eingangsspannung) sind:
- Frequenz f
- Filterkondensator Cf
- Q-faktor des Filters Qf
- Verstärkung des Filters Av
Diese Werte muss man gemäss den eigenen Wünschen auf dem Schaltplan editieren.

Es ist im allgemeinen am günstigsten, den Filterkondensator vorzugeben und die
Filterwiderstände dem anzupassen.
Die Berechnung der Widerstände erfolgt intern ohne weiteres Dazutun.
Die berechneten Werte werden in der LOG-Datei in kOhm (!) angezeigt.

Die Filterfrequenz kann mit dem Trimmpoti U3 (2kOhm) feinjustiert werden.
Dazu bei der Simulation den Wert des Wipers "w=..." ändern. Die gemessene Filterfrequenz
wird ebenfalls in der LOG-datei ausgegeben, allerdings nur für den Bandpass.
Wer möchte, kann anstelle der berechneten genauen Widerstände gerundete Werte
den Widerständen Rf, Rg und Rq per Hand auf dem Schaltplan zuweisen.

RudiS

P.S.: Wer in LTspice das original Farbschema unverändert benutzt, sollte m.E.
zumindest bei Waveform das Dunkelblau heller einstellen, weil das ursprüngliche
auf schwarzem Hintergrund nicht gut lesbar ist. Aber jeder nach seinem Gusto.

 

[RudiS]

Ich habe das Biquad-Filter ein wenig überarbeitet, weil ich dachte, für den einen oder anderen könnte es sinnvoller sein,
den Qualitätsfaktor des Filters Qf über die Bandbreite des Bandpasses festzulegen.

Dazu habe ich die Zeile mit "bw=100Hz" eingefügt. Hier kann man nun die gewünschte Bandbreite festlegen.
Wer das nicht braucht, muss diese Zeile auskommentieren und die andere, zahlenmässige Zuweisung für Qf aktivieren.

Weiterhin wird nun in der Log-Datei die Bandbreite berechnet und angezeigt.

Manch einer wird sich vielleicht über die TRAN-Anweisung gewundert haben. Bei einem grossen Q-Faktor,
verbunden mit einem entsprechenden Verstärkungsfaktor Av, wird Verstärkung der Mittenfrequenz begrenzt,
wenn sie den zulässigen Bereich überschreitet (ca. Versorgungsspannung Ub +- 2V beim TL072).
Das kann man bei der AC-Simulation wegen der dB-Anzeige leicht übersehen, besser zu erkennen,
wenn man die Darstellung von "dB" auf "linear" umschaltet. [Screenshot #2 + #3]

Bei der TRAN-Simulation entgeht dem geübten Auge nicht, dass die Spitzen der Sinuskurve bei der Mittenfrequenz leicht gekappt sind,
die Log-Datei zeigt auch einen deutlich höheren Wert an Verzerrungen: [Screenshot #4 + #5]
Auch die FFT-Analyse bestätigt das. [Screenshot #6]
Die TRAN-Analyse dient also zur Kontrolle, ob Versorgungsspannung und/oder Opamp keine Probleme bereiten.

Abhilfe schaffen kann man auf zweierlei Weise:
- man kann die Betriebsspannung erhöhen (Rechtsklick im Symbol der Spannungsversorgung auf "Ub=15" und Ändern in Ub=18)
- wenn das nicht geht (weil schon ausgereizt), muss man die Verstärkung Av erniedrigen (am besten per FFT überprüfen).
Dabei sollten bis 100kHz bei der Mittenfrequenz eigentlich keine Harmonischen grösser -80dB zu sehen sein.[Screenshot #7]

Bei einem Filter für höhere Frequenzen muss man auch das Gain-Bandwidth-Produkt des verwendeten Opamps im Auge behalten!

Im Schaltplan gibt es jetzt ausser der automatischen Zuweisung der berechneten Bauteilwerte die Möglichkeit,
anhand der berechneten Werte aus der Log-Datei die Werte zu runden und diese manuell den Bauteilen zuzuweisen.
Da kann dann jeder sehen, ob er mit Normwerten seinen Zielen nahe kommt oder eben Widerstände zusammenschalten muss.
Dafür die automatische Zuweisung auskommentieren und die manuelle aktivieren.

Alle notwendigen Dateien befinden sich hier in dem neuen Archiv!

RudiS