In het kort:
Aktieve filters worden toegepast in het geval van multi-amping, dus waarbij iedere luidspreker (bas, midden, tweeter) z'n eigen eindversterker heeft. De filter-circuits zitten dan vóór die eindversterkers. Zulke filters kunnen passief zijn (alleen weerstanden, condensatoren en zelfinducties) of actief, in dat geval maken versterkende elementen (bijv. OpAmps) deel uit van het filter. Met actieve filters heb je in het algemeen de filter-eigenschappen wat beter in de hand.
Ook het bekende Baxandall klankregelcircuit is een actief filter.
In equalizers (die kastjes met zoveel schuifpotmeters) worden meestal gyrators gebruikt, daar vertel ik ook iets over.
Actieve filters kunnen niet tussen een versterker en luidspreker(s) geplaatst worden.
Verwante onderwerpen:
Mult-Amping Luidspreker wisselfilters
Er zijn twee veelvoorkomende basis vormen (topologieën), de Sallen-Key vorm en de Multiple Feedback vorm.
Met beide topologieën kun je exact dezelfde filterkarakteristieken maken.
Met het gratis programma FilterPro, van Texas Instruments kun je zulke filters gemakkelijk ontwepen.
Bij de Sallen-Key topologie wordt de OpAmp in de niet inverterende modus gebruikt (non-inverting) en dan zijn zowel de plus- als de min- ingang van de OpAmp signaalvoerend. Helaas hebben OpAmps, ook die prachtige OPA134 met z'n extreem lage vervorming, een ingangscapaciteit (CP) die spanningsafhankelijk is. Het gaat maar om heel weinig, maar in een wat hoog-Ohmig circuit kan het de vervorming doen toenemen. Het datasheet van de OPA134 waarschuwt daar ook voor.
Fig 1. Fig 2.
In het High-Pass geval kan C2 tamelijk klein zijn en dan is de niet-lineaire CP niet meer te verwaarlozen.
In het Low-Pass geval is C3 meestal wat groter en speelt de kleine CP geen rol meer.
Fig 3. Fig 4.
Bij de MFB topologie wordt de OpAmp in de inverterende modus gebruikt en ligt de plus- ingang aan GND. Derhalve zal ook de minus- ingang en daarmee de niet-liniare CP een zeer kleine signaalspanning voeren (alleen het fout-signaal) en is dat gevaar niet aanwezig.
Er dreigt echter een ander gevaar bij de High-Pass versie. Bij zeer hoge frequenties, ver boven de kantelfrequntie van het filter "kijkt" het voedende circuit in de zeer lage impedantie van C1 en C2. Bedenk dat de schakeling inverterend is, de signaal spanning op de uitgang van de opamp is in tegenfase met het ingangssignaal.
Als de voedende schakeling ook een opamp bevat kan dat tot zeer hoogfrequente parasitaire oscillaties leiden. Zet in dat geval een kleine weerstand, (paar honder Ohm) is serie met de ingang. Dat zal de filter-karakteristiek niet beïnvloeden, maar de HF oscillaties voorkomen.
De Gyrator is een element dat een beetje op de transformator lijkt, maar er is een belangrijk verschil: Bij de transformator zijn de ingangs- en uitgangsspanningen evenredig aan de wikkelverhouding, en de ingangs- en uitgangs stromen omgekeerd evenredig aan de wikkelverhouding.
Bij de gyrator is de ingangsstroom evenredig met de uitgangsspanning, en de ingangsspanning evenredig met de uitgangsstroom. Oftewel, de gyrator verwisselt stroom en spanning. De verhouding heet de Gyratieconstante en heeft de dimensie van een weerstand.
Alhowel de ideale gyrator net als de ideale transformator energie-conservatief is (er gaat geen energie verloren en er komt niet bij) kan 'ie niet met actieve middelen (versterkerschakelingen) gerealiseerd worden.
De grootste leut van de gyrator is dat als je aan de uitgang een condensator aansluit, dan "zie" je aan de ingang een zelfinductie.
In de audiotechniek gebruiken we niet graag (grote) zelfinducties, omdat ze groot van afmetingen zijn, zwaar, -met ijzerkernen kan er vervorming ontstan, ze kunnen brom oppikken, etc. Met een gyrator kun je een -zelfs grote- zelfinductie realiseren met een slechts een paar componentjes die hooguit kwartjes kosten.
Fig 5. Gyrator als tweepool, met 1 pool aan GND.
Deze schakeling gedraagt zich als een serieschakeling van een zelfinductie met L = R1 * R2 * C1 en een serieweerstand Rs = R1.
Als je nog een C parallel schakelt ontstaat er een parallel resonantie kring, dus met een hoge impedantie bij resonantie. Met de C in serie krijg je een serieresonator met de kleinste impedantie bij resonantie.
Je ziet deze schakeling vaak in Graphic Equalizers, maar dan is de opamp soms vervangen door een emittervolger.
Fig 6. Equalizer.
Dit schema heb ik eens opgetekend van een 10-band stereo equalizer uit de auto-audio techniek.
C3 vormt met de gyrator-zelfinductie een serie resonantie kring, dus met een lage impedantie bij de resonantie frequentie.
Het omlijnde stuk komt 10 x voor in de linker en rechter kanalen, met steeds kleinere C3 en C4 voor de hogere frequenties.
Het circuit met R5, R7 en C5 brengt het DC referentie nivo op de halve voedingsspanning, zodat er geen negatieve spanning nodig is.
Mijn wisselfilter.
Zie ook het actieve wisselfilter dat ik in mijn 3-weg systeem gebruik: http://www.breem.nl/lsp/BX_FilterBoard.htm en bekijk het schema.
Het signaal komt differentieel binnen op de RJ45 connector J2. Evt. zeer hoogfrequente storing wordt onderdrukt door C7 en C11.
U6 is differentieel in en uit, en zorgt voor onderdrukking van common-mode ingangs (stoor) signalen.
U7D en U7A zijn 2e orde filters voor tweeter en bas. Met U7C worden die signalen afgetrokken van het origineel signaal om het midden signaal te verkrijgen. Hier komt het geïnverteerde signaal van U6 van pas.
Met U8 worden de volumes van midden en laag softwarematig op afstand ingesteld.
Bas en midden hebben verder een correctie voor het gedrag van de luidspreker in de gesloten box.
Zoals bekend veroorzaakt een gesloten box een verhoging van de eigenresonantie van de luidspreker en valt de output beneden die frequentie met 12 dB/okt af (2e orde) Ter vergelijking: een basreflex systeem valt met de 4e orde, 24 dB/okt af en geeft daarmee een slecht tijdgedrag (impuls responsie).
Die correctie bestaat uit een 1e orde laag-op deel met U7B c.q. U7C, en een anti-resonator met U9, waarbij U9A en U9D de gyratoren vormen.
Vervolgens gaan de signalen via U10, 11 en 12 differentiëel naar de klasse D eindtrappen. (Dat differentiëel is een vereiste van deze eindtrappen.)
In het tweeter signaal zit nog een hoog-op correctie, omdat er bij de elektrostatische tweeters een serieweerstand nodig was voor de versterker stabiliteit. ESL's zijn nl. sterk capacitief en dat vinden versterkers meestal niet erg leuk.
Het principe van het laag ophalen en resonantie compensatie is uitvoerig beschreven in een artikel van mijn hand in Elektor, juli/augustus 2019.
https://www.elektormagazine.nl/magazine/elektor-112/51081
Er is een rekenprogramma beschikbaar om het systeem van filter en luidspreker-in-de-kast door te rekenen: download
Mijn hele systeem is beschreven op http://www.breem.nl/lsp/LoudspeakerSystem.htm
.