Terug naar de Basis pagina

Inleiding.

Opamps worden vaak in filterschakelingen gebruikt. We noemen dat dan actieve filters. Filters zijn elektronische schakelingen die bepaalde frequentiegebieden doorlaten en andere onderdrukken. In de huiskamer hifi techniek worden actieve voornamelijk filters gebruikt om de verschillende audio frequenties over de eindversterkers voor de diverse frequentie gebieden te verdelen. Het gaat dan altijd over "bi- of tri-amping"

We spreken bij filters over "hoogdoorlaat", "laagdoorlaat", "banddoorlaat" en "bandstop" filters, al naar gelang de hoge, of lage frequenties doorgelaten moeten worden, of slechts een beperkt gebied doorgelaten of juist onderdrukt moet worden.

We spreken over de "orde" van een filter, en daarmee doelen we op de steilheid van de overgang van doorlaten naar onderdrukken. Het getal van de orde gaat meestal samen met het totaal aantal condensatoren en zelfinducties in het filter circuit.

Er vallen soms namen als Chebyshev, Butterworth, Bessel, Boode, Cauer, Gauss, Reily, Linkwitz. Het gaat dan om de vlakheid van de doorlaatband en de onderdrukking in de stop-band. Die begrippen zijn vooral van belang bij filters met een hogere dan de tweede orde, en er zijn goede redenen om zulke filters niet te gebruiken in de hifi techniek.

Het begrip "topologie" slaat op het schema van de filterschakeling.

In de audio techniek worden filters van een hoge orde (7 of meer) gebruikt bij de overgang van anloog naar digitaal en omgekeerd, dus in de CD-speler. Deze filters zijn tegenwoordig steevast met digitale technieken gerealiseerd. Zie het hoofdstuk over A-D en D-A conversie.

In equalizers kom je ook wel filters tegen van een vrij hoge orde. Zulke apparaten horen echter niet in een hifi installatie thuis.

Voor actieve luidspreker wisselfilters raad ik het gebruik van hogere dan de tweede orde af. Er treden dan ernstige faseverschuivingen op waardoor het meestal niet meer mogelijk is om een fasegetrouwe optelling van het geluid uit de diverse luidsprekers te krijgen.

Een 2e orde laagdoorlaat filter met de Sallen-Key topologie.

Fig 2.

Met het programma FilterPro kun je de component waardes berekenen voor dit filter, ook voor hogere ordes. Dat programa vertelt je ook hoe je dit filter kunt veranderen in een hoogdoorlaat filter. Er is geen direct equivalent voor een band-pass of een band-stop filter.
Filters met de Sallen-Key topologie worden vaak uitgevoerd met versterking 1 in de doorlaatband. De weerstanden R3 en R4 zijn dan afwezig, en de - ingang van de opamp ligt aan de uitgang.
Bij de Sallen-key topologie voeren de ingangen van de opamp een common-mode signaal. In sommige situatie leidt dat tot extra vervorming. Filters met de Multiple Feadback topologie habben dat probleem niet

Een 2e orde laagdoorlaat filter met de Multiple Feedback topologie.

Fig 3.

Met het programma FilterPro kun je component waardes berekenen voor dit filter, ook voor hogere ordes. Dat programa vertelt je ook hoe je dit filter kunt veranderen in een hoogdoorlaat filter. Er is geen direct equivalent voor een band-pass of een band-stop filter.
Merk op dat de ingangen van de opamp hier altijd op GND potentiaal liggen. Deze schakeling is ongevoelig voor variaties in de ingangs capaciteit of de offsetspanning t.g.v. common mode signalen.

Een All Pass filter.

Fig 4

Het bijzondere van een All-Pass filter is dat het alle frequenties in exact dezelfde mate doorlaat. Alleen de fase keert in een bepaald frequentie gebied om.

In dit geval: Bij zeer lage frequenties wordt Uin volledig doorgegeven aan de + ingang van de opamp. De versterking is dan + 1x  Bij zeer hoge frequenties vormt C1 een kortsluiting en werkt de schakeling als een inverterende versterker. In het overgangs gebied verschuift de fase geleidelijk aan van 0 naar 180 graden. De amplitude van de overdracht blijft perfect gelijk.

Een all-pass filter schijnt wel eens gebruikt te worden om faseverschuivingen in een wisselfilter te compenseren.

Een faserein actief drieweg filter.

Fig. 5

Er is een hoog doorlaatfilter met E2 en een laag doorlaat filter met E3. De filters zijn in de MFB topologie uitgevoerd en hebben de tweede orde. Met E4 worden hoog en laag afgetrokken van ingangs signaal. E1 maakt het ingangssignaal voldoende laagohmig.

Let op de polariteiten: De uitgang E1 = -In;  Hoog = (+In * hoogdoorlaat). Laag  = (+In * laagdoorlaat) Midden = (+In - Hoog - Laag) 

De sommatie van die drie levert exact het oorspronkelijke ingangs signaal op, zonder fasefouten of impuls vervorming. Als de luidsprekers de signalen correct weegeven  en de looptijden van het geluid naar de luisteraar ook gelijk zijn dan telt het geluid exact en faserein op.
Merk op dat alle opamps in dit circuit met de + ingang aan massa liggen. Dat voorkomt enkele mogelijke problemen zoals genoemd in het algemene hoofdstuk over opamps.

Een mogelijk nadeel van deze schakeling is dat het middenkanaal een 1e orde karakteristiek heeft, dus met slechts 6 dB/octaaf afvalt (je ziet dat niet onmiddelijk, maar het blijkt wel uit de simulaties) Dat betekent dat de midden-luidspreker relatief veel laag en hoog te verwerken krijgt. Je moet daarvoor dan ook een type kiezen dat een redelijk breed frequentie gebied goed kan weergeven, en het is aan te raden om de laag-kantelfrequentie tamelijk hoog te kiezen en het hoog- kantelput relatief laag.