Filtros passa-baixo ativos - bom para quais frequências?

O Apêndice E da Arte da Eletrônica, 3ª Edição (filtros LC Butterworth) começa dizendo que " os filtros ativos são convenientes em frequências baixas, mas impraticáveis ​​em frequências mais altas ". Eles dizem e " em frequências de 100kHz e acima, a melhor abordagem são os filtros LC passivos " (parafraseados em ambos os casos).

Minha primeira pergunta: sério? Apenas 100kHz já é muito alto para que os filtros ativos sejam práticos?

Entendo que os amplificadores operacionais com alta largura de banda e alta taxa de giro podem ser caros, tornando-o "impraticável" no caso geral - no entanto, um filtro LC passa-baixo com, digamos, 1MHz de corte, topologia T com 1kΩ a carga acaba exigindo indutores da ordem de centenas de μH --- se eu precisar evitar distorção (saturação do núcleo magnético e histerese), um indutor de núcleo de ar nessa faixa torna tudo impraticável.

A pergunta 2 seria: uma frequência de corte de, digamos, inferior a 10 MHz é alta demais para um filtro passa-baixa de 2ª ordem da Sallen-Key?

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Analisando-o da perspectiva do caso ideal (assumindo o amplificador operacional sempre em operação linear), todos os três pinos do amplificador operacional estarão sujeitos ao sinal de saída de baixa passagem --- na frequência de corte <10MHz que certamente não é uma problema (nem largura de banda nem taxa de variação). A capacitância de entrada não deve ser um grande problema - com R na ordem de 1k, os capacitores estão na ordem de algumas dezenas de pF a algumas centenas de pF --- alta o suficiente para gerar a entrada do amplificador operacional capacitância insignificante.

Existem outras questões práticas que estou ignorando? Estou sendo realista se eu quero um filtro tão ativo com limite na ordem de alguns MHz? (o preço não é um problema - se eu precisar de um amplificador operacional na faixa de US $ 10 ou US $ 20, tudo bem)

Acredito que sua análise seja boa. Criei filtros de 4ª ordem de baixo nível que cortam em torno de 3 MHz sem absolutamente nenhuma preocupação com o desempenho. Não vejo que 10 MHz seja inatingível.

É tudo sobre a escolha do amplificador operacional. Para um estágio de ganho unitário, é fácil determinar onde o ganho começa a cair abaixo (digamos) de 0,99 e considerar isso como a frequência limitante. Por outro lado, a impedância de saída de um amplificador operacional geralmente piora à medida que entra nas regiões de MHz, para que você tenha certeza de que ele pode fornecer o pico de corrente sem cortar ou ficar muito desleixado.

Você também deve considerar limitações de taxa de giro, mas, até onde eu saiba, é isso.

É bem possível que The Art of Electronics, 3rd Editionnão tenha feito nenhuma atualização nessa seção desde que foi lançada, em 1980.

Minha primeira pergunta: sério? Apenas 100kHz já é muito alto para que os filtros ativos sejam práticos?

Não, 100kHz não é nada, mas tudo depende do opamp. Em algum momento, o produto Gain Bandwidth causará problemas. Se você tinha um amplificador operacional com um GBWP de 1 MHz ou 10 MHz (o que pode ter sido típico na época da primeira edição do AofE, talvez eles não tenham sido atualizados, é o meu pensamento, então eu compararia edições), então 100kHz não parece muito irracional, porque você só recebe uma ou duas magnitudes de filtragem e, em seguida, a largura de banda fica abaixo do ganho de unidade. Então seu filtro passa-baixo se parece mais com um passe de banda.

Existem outras questões práticas que estou ignorando? Estou sendo realista se eu quero um filtro tão ativo com limite na ordem de alguns MHz? (o preço não é um problema - se eu precisar de um amplificador operacional na faixa de US $ 10 ou US $ 20, tudo bem)

Se você realmente precisa filtrar além dos 50MHz, os parasitas precisam ser modelados, pois ESR e ESL nos capacitores começarão a afetar os pólos de filtro e a criar seus próprios pólos de filtro em altas frequências. Use um pacote de especiarias, se possível. Verifique se o GBWP está alto o suficiente, hoje em dia não é difícil obter amplificadores operacionais que funcionem na faixa de + 100MHz.

O principal problema com essa topologia da Sallen Key em alta frequência é que a impedância de saída dos amplificadores operacionais aumenta, portanto, falha no controle do avanço do sinal de entrada através do capacitor 2C, destruindo a faixa de parada.

A TI possui uma nota de aplicativo de design de 10 MHz. É baseado em seu THS4001, baixo custo, 270 MHz -3dB Op Amp.

Os amplificadores operacionais possuem uma impedância de saída em loop aberto muito maior que o seu gerador de sinal de 50 Ω. Isso os torna estáveis ​​com sua proteção contra curto-circuito. O GBW mais alto é usado para diminuir o Zout = Zoc / GBW. O ESL da placa de ensaio (0,5nH / mm) e a capacitância perdida precisarão ser minimizados.

Com 150 MHz GBW, você pode usar 1k R ​​com 5 pf, 10pF.

Eu não li o design deles.

http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/sloa032/sloa032.pdf

Para projetar qualquer filtro, considere essas especificações primeiro;

Source impedance \$Z_S(f)\$   
Load Impedance \$Z_L(f)\$   
Gain   -3 dB passband \$f_p\$    
Loss   @ \$f_s\$stop band edge   e.g. \$  ~-dB~ @ ~2*f_p, 10*f_p\$    
 ..  or order of filter    
% load regulation error = % Output/Load impedance ratio ( for low % )    
Phase shift in passband, group delay  
Noise, supply power  
Output swing and slew rate limit