ตัวกรองแบบแอคทีฟมีข้อดีอย่างไรเมื่อเทียบกับตัวกรองแบบพาสซีฟ

การขยายสัญญาณและความสามารถในการขยายพลังงาน

วิธีที่ตัวกรองแบบแอคทีฟให้การขยายแรงดันและกำลังไฟผ่านแอมปลิไฟเออร์ปฏิบัติการที่รวมอยู่ภายใน

ตัวกรองแบบแอคทีฟใช้แอมปลิไฟเออร์เชิงปฏิบัติการ หรือที่เรียกสั้นๆ ว่า โอป-แอมป์ (op-amps) เพื่อเพิ่มระดับแรงดันและกำลังไฟฟ้า ซึ่งเป็นสิ่งที่วงจร RLC แบบพาสซีฟธรรมดาไม่สามารถทำได้ วงจรกรองแบบพาสซีฟมักจะทำให้สัญญาณอ่อนลงแทนที่จะเสริมความเข้มของสัญญาณ ในขณะที่ตัวกรองแบบแอคทีฟที่สร้างขึ้นรอบๆ โอป-แอมป์สามารถขยายสัญญาณขาเข้าที่อ่อนแอเหล่านั้นในเวลาเดียวกันกับที่ปรับรูปแบบการผ่านของความถี่ต่างๆ ยกตัวอย่างเช่น การจัดวางโอป-แอมป์รุ่น TL081 ที่พบได้ทั่วไป วิศวกรหลายคนพบว่าโครงสร้างเหล่านี้มีความน่าเชื่อถือเพียงพอที่จะให้กำไรแรงดันสูงกว่าสัญญาณต้นทางมากกว่า 100 เท่า ตามผลการศึกษาหลายชิ้นเกี่ยวกับเทคนิคการปรับสภาพสัญญาณ สิ่งที่ทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้คือ การกรองแบบแอคทีฟไม่จำเป็นต้องใช้ชิ้นส่วนแม่เหล็กขนาดใหญ่ เช่น คอยล์หรือหม้อแปลง ทำให้วิศวกรสามารถสร้างวงจรขนาดเล็กลงได้มากแต่ยังคงทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในทางปฏิบัติ

การเปรียบเทียบการรักษาระดับความแรงของสัญญาณ: สมรรถนะของตัวกรองแบบแอคทีฟเทียบกับแบบพาสซีฟ

เมื่อพูดถึงการประมวลผลสัญญาณ ตัวกรองแบบพาสซีฟมักจะลดทอนความแรงของสัญญาณลงเนื่องจากเกิดการสูญเสียจากความต้านทานในองค์ประกอบ RLC ของมัน แต่ตัวกรองแบบแอคทีฟทำงานต่างออกไป เพราะสามารถรักษาระดับสัญญาณให้คงที่ หรือแม้แต่เพิ่มความแรงของสัญญาณในช่วงความถี่เฉพาะได้ การย้อนกลับไปดูงานวิจัยบางชิ้นจากปี 2015 แสดงให้เห็นถึงผลลัพธ์ที่น่าประทับใจสำหรับตัวกรองแบบแอคทีฟความถี่สูงในการใช้งานด้านเสียง โดยสามารถรักษาระดับความแรงของสัญญาณเดิมไว้ได้ประมาณ 98.6 เปอร์เซ็นต์ ในขณะที่ตัวกรองแบบพาสซีฟทำได้เพียงประมาณ 72.3 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น ซึ่งความแตกต่างนี้มีนัยสำคัญ คือประสิทธิภาพดีกว่าประมาณสามเท่า ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น? เหตุผลก็คือ ตัวกรองแบบแอคทีฟมีแอมปลิไฟเออร์เชิงปฏิบัติการ (op-amps) ที่สามารถป้อนพลังงานเพิ่มเติมเข้าสู่ระบบ เพื่อชดเชยการสูญเสียต่างๆ ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในองค์ประกอบอิเล็กทรอนิกส์ระหว่างการทำงาน

บทบาทของแอมปลิไฟเออร์เชิงปฏิบัติการในการรักษากำลังขยายโดยไม่เกิดปัญหาเรโซแนนซ์

แอมป์ปฏิบัติการช่วยกำจัดสัญญาณรบกวนจากเรโซแนนซ์ที่รบกวนการทำงานของฟิลเตอร์แบบพาสซีฟ LC โดยการแทนที่ขดลวดเหนี่ยวนำ (inductors) ด้วยขั้นตอนขยายสัญญาณที่ใช้ทรานซิสเตอร์ สิ่งนี้ช่วยป้องกันปัญหาการเก็บพลังงานที่ไม่ต้องการและการเปลี่ยนแปลงค่า Q factor ที่ไม่เสถียร ซึ่งมักทำให้เกิดพีคของสัญญาณและปัญหาเฟสผิดเพี้ยนบริเวณความถี่เรโซแนนซ์ แทนที่จะต้องพึ่งพาอุปกรณ์ทางกายภาพ วิศวกรสามารถปรับแต่งค่า gain และ bandwidth ได้อย่างแม่นยำผ่านการปรับอัตราส่วนของตัวต้านทาน แนวทางนี้ทำให้ประสิทธิภาพของระบบไม่ขึ้นกับความคลาดเคลื่อนของค่าอุปกรณ์และการเลื่อนค่าตามอุณหภูมิ ซึ่งเป็นปัญหาที่พบบ่อยในฟิลเตอร์แบบดั้งเดิม

กรณีศึกษา: การคงค่า gain ในวงจรประมวลผลสัญญาณเสียงโดยใช้ฟิลเตอร์แบบแอคทีฟ

ในเครื่องมิกซ์เซอร์เสียงระดับมืออาชีพ ฟิลเตอร์แบบแอคทีฟบัตเตอร์เวิร์ธอันดับที่ 8 ช่วยให้มั่นใจได้ว่าความผิดเพี้ยนของกําลังขยายอยู่ในช่วง ±0.1 dB ตลอดช่วงความถี่ 20 Hz–20 kHz การคงที่ระดับนี้มีความสําคัญอย่างยิ่งต่อการรักษา dynamic range ขณะที่ทําการบันทึกหลายแทร็ก โดยทั่วไปแล้ว ฟิลเตอร์แบบพาสซีฟจะสร้างความแปรปรวนประมาณ 3–6 dB ใกล้ความถี่ตัด เนื่องจากการโหลดและการปฏิสัมพันธ์ขององค์ประกอบ

การออกแบบที่เหนือกว่าและความสามารถในการปรับแต่งแบบเรียลไทม์

ความสามารถในการปรับแต่งฟิลเตอร์แบบแอคทีฟในสภาพแวดล้อมสัญญาณแบบพลวัต

ฟิลเตอร์แบบแอคทีฟให้ความสามารถในการปรับตัวแบบเรียลไทม์ในสภาพแวดล้อมสัญญาณที่เปลี่ยนแปลง ซึ่งแตกต่างจากฟิลเตอร์แบบพาสซีฟที่มีค่าคงที่ โดยอาศัยโอเปอเรชันแนลแอมพลิไฟเออร์ (op-amps) ฟิลเตอร์เหล่านี้สามารถปรับตัวเองตามรูปแบบการรบกวนและเงื่อนไขของช่องสัญญาณที่เปลี่ยนแปลงได้อย่างต่อเนื่อง ซึ่งมีความสําคัญอย่างยิ่งในระบบการสื่อสารไร้สายที่ระดับสัญญาณรบกวนและความต้องการแบนด์วิธมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไม่แน่นอน

ฟังก์ชันถ่ายโอนที่ปรับได้และการควบคุมการตอบสนองความถี่แบบเรียลไทม์

เมื่อทำงานกับตัวกรองแบบแอคทีฟ วิศวกรมักจะปรับฟังก์ชันถ่ายโอนของพวกมันโดยการปรับแต่งเครือข่ายป้อนกลับแบบ RC ภายนอก งานวิจัยฉบับหนึ่งจาก IEEE ในปี 2021 ได้ชี้ให้เห็นถึงสิ่งที่น่าสนใจเกี่ยวกับแนวทางนี้ ซึ่งก็คือสามารถลดเวลาการปรับแต่งใหม่ลงได้ประมาณสองในสาม เมื่อเทียบกับวิธีการแบบพาสซีฟรุ่นเก่า ข้อได้เปรียบที่แท้จริงคือความสามารถในการปรับเปลี่ยนค่าต่างๆ ได้ทันที วิศวกรสามารถเปลี่ยนความถี่ตัดที่มักอยู่ระหว่าง 20 เฮิรตซ์ ถึง 20 กิโลเฮิรตซ์ ได้อย่างรวดเร็ว และยังสามารถปรับความชันของการลดทอนได้อีกด้วย โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนชิ้นส่วนทางกายภาพใดๆ ซึ่งส่งผลอย่างมากต่อระบบต่างๆ ที่ต้องปรับตัวอย่างรวดเร็วต่อสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลง เช่น อุปกรณ์ประมวลผลเสียง หรืออาร์เรย์เซนเซอร์บางประเภท ที่เวลาตอบสนองมีความสำคัญอย่างยิ่ง

การปรับแต่งอย่างแม่นยำโดยใช้ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุภายนอก

ความแม่นยำของตัวกรองแบบแอคทีฟที่แท้จริงนั้นขึ้นอยู่กับชิ้นส่วน RC เล็กๆ เหล่านี้ แทนที่จะต้องใช้ขดลวดเหนี่ยวนำขนาดใหญ่เก่าๆ ทั่วไป ตัวอย่างเช่น เมื่อวิศวกรเปลี่ยนขดลวดเหนี่ยวนำ 10 มิลลิเฮนรี เป็นเพียงตัวต้านทาน 1 กิโลโอห์ม คู่กับตัวเก็บประจุ 100 นาโนฟารัด ในโครงสร้างซัลเลน-คีย์ (Sallen Key) อันดับสองแบบคลาสสิก จะเกิดอะไรขึ้น? พื้นที่บนบอร์ดจะลดลงอย่างมาก ประมาณ 85% เล็กลง ขณะที่ยังคงรักษาระดับความแม่นยำของความถี่ไว้ที่ ±1% ได้อย่างยอดเยี่ยม และสิ่งต่างๆ จะยิ่งดีขึ้นไปอีกเมื่อมีการนำโพเทนชิโอมิเตอร์แบบดิจิทัลเข้ามาใช้ อุปกรณ์เหล่านี้ช่วยให้นักออกแบบสามารถปรับค่าแอมปลิจูดได้อย่างแม่นยำสูงถึง 0.1 เดซิเบล ตลอดช่วงกว้างถึง 40 เดซิเบล ซึ่งถือว่าเจ๋งมากสำหรับผู้ที่กำลังพัฒนาการออกแบบตัวกรองที่ปรับค่าได้ในปัจจุบัน

ตัวอย่าง: ตัวกรองแบบแอคทีฟที่ปรับความถี่ได้ สำหรับการประมวลสัญญาณทางการแพทย์

เครื่องตรวจคลื่นไฟฟ้าหัวใจ (ECG) และอุปกรณ์ทางการแพทย์ชนิดอื่นๆ ต่างอาศัยตัวกรองแบบแบนด์พาสที่ใช้งานได้และปรับค่าได้ เพื่อครอบคลุมความถี่ระหว่าง 0.5 ถึง 150 เฮิรตซ์ โดยทำหน้าที่แยกสัญญาณหัวใจที่แท้จริงออกจากสัญญาณรบกวนจากขยับเคลื่อนไหวของร่างกายและเสียงรบกวนพื้นหลัง การวิจัยที่เผยแพร่เมื่อปีที่แล้วในวารสาร Medical Engineering & Physics แสดงให้เห็นว่าตัวกรองที่สามารถปรับค่าได้นี้ช่วยเพิ่มความชัดเจนของสัญญาณได้ประมาณ 18 เดซิเบล เมื่อนำไปใช้ในสถานการณ์การติดตามผู้ป่วยจริง ซึ่งให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าการออกแบบตัวกรองแบบพาสซีฟคงที่แบบดั้งเดิม ความสามารถในการปรับตัวของระบบนี้หมายความว่า ผู้ให้บริการด้านสุขภาพสามารถได้รับข้อมูลการวินิจฉัยหลายประเภทจากอุปกรณ์ชิ้นเดียวกัน โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนชิ้นส่วนหรือปรับแต่งฮาร์ดแวร์โดยตรง

การจัดการอิมพีแดนซ์อย่างมีประสิทธิภาพและการกำจัดผลกระทบจากการโหลด

คุณลักษณะของตัวกรองแบบแอคทีฟที่มีอิมพีแดนซ์ขาเข้าสูงและอิมพีแดนซ์ขาออกต่ำ

ตัวกรองแบบแอคทีฟมีอิมพีแดนซ์ขาเข้าสูง (>1 MΩ) และอิมพีแดนซ์ขาออกต่ำ (<100 Ω) ด้วยการใช้ออปแอมป์เป็นตัวบัฟเฟอร์ การรวมกันนี้ช่วยลดการดึงกระแสจากวงจรแหล่งสัญญาณในขณะที่ขับเคลื่อนขั้นตอนถัดไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้มั่นใจได้ว่าสัญญาณจะเสื่อมสภาพน้อยที่สุดในระบบหลายขั้นตอน

ป้องกันการเสื่อมสภาพของสัญญาณในขั้นตอนที่ต่อกันผ่านการแยกสัญญาณ

ขั้นตอนของแอมป์ปฏิบัติการ (Op amp) มีความสามารถในการแยกสัญญาณ ซึ่งช่วยป้องกันไม่ให้เกิดผลกระทบจากการโหลดในตัวกรองแบบพาสซีฟที่ต่อกันเป็นสายโซ่ ซึ่งเป็นปัญหาที่ทำให้การทำงานร่วมกันของตัวกรองเหล่านี้ผิดเพี้ยน เนื่องจากแต่ละขั้นตอนจะมีผลต่อขั้นตอนก่อนหน้าในแง่ของการตอบสนองความถี่ เมื่อไม่มีตัวกันสัญญาณ (buffer) คั่นระหว่างกัน โซ่ของตัวกรองแบบพาสซีฟอาจสูญเสียสัญญาณโดยไม่ตั้งใจได้ตั้งแต่ 12 ถึง 18 dB ตามที่งานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร IEEE Circuits Journal เมื่อปี 2022 ระบุไว้ นี่คือเหตุผลที่ตัวกรองแบบแอคทีฟสามารถแก้ปัญหานี้ได้ดีกว่ามาก เพราะช่วยรักษาฟังก์ชันถ่ายโอน (transfer functions) ของแต่ละขั้นให้คงเดิม ขณะเดียวกันก็ทำให้กระบวนการออกแบบโดยรวมสามารถคาดการณ์ผลลัพธ์ได้ง่ายขึ้น และสร้างเป็นโมดูลย่อยๆ ได้อย่างสะดวก โดยไม่ต้องกังวลเรื่องปฏิสัมพันธ์ที่ไม่คาดคิด

ผลกระทบต่อการออกแบบระบบแบบโมดูลาร์ และประสิทธิภาพในการรวมระบบ

ตัวกรองแบบแอคทีฟทำงานได้ดีกับโมดูลาร์แบบปลั๊กแอนด์เพลย์ เพราะสามารถรักษานิมพนธ์ไฟฟ้าคงที่ตลอดเวลา เมื่อทำงานในโครงการ วิศวกรจะพบว่าการพัฒนา การทดสอบ และการรวมบล็อกตัวกรองแต่ละตัวแยกจากกัน ช่วยลดระยะเวลาในการรวมระบบอย่างมาก เมื่อเทียบกับทางเลือกแบบพาสซีฟ ซึ่งจำเป็นต้องมีการปรับจูนนิมพนธ์ไฟฟ้าที่ซับซ้อนหลายรูปแบบ นอกจากนี้ ความเป็นอิสระของตัวกรองเหล่านี้ยังทำให้สามารถนำมาใช้ได้ทันทีกับแนวทางการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ในปัจจุบัน ซึ่งการมีอินเตอร์เฟซมาตรฐานมีความสำคัญกว่าการสร้างเครือข่ายชดเชยเฉพาะที่ขึ้นมาใหม่ทั้งหมด

ความสามารถในการเลือกที่ดีขึ้น การควบคุมค่า Q-Factor และประสิทธิภาพแถบหยุด

ความแม่นยำในการปรับค่า Q-Factor สำหรับการใช้งานแบบแคบและต้องการการเลือกสูง

ตัวกรองแบบแอคทีฟทำให้วิศวกรสามารถควบคุมค่าตัวประกอบคุณภาพ (Q factor) ได้ดีกว่ามาก เนื่องจากสามารถปรับอัตราส่วนของตัวต้านทานในวงจรตอบกลับได้ สิ่งนี้ทำให้ตัวกรองประเภทนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการช่วงความถี่แคบมาก เช่น ระบบตรวจคลื่นสมอง หรือเครื่องรับสัญญาณความถี่วิทยุ ตัวกรองแบบพาสซีฟ LC มีข้อจำกัดในเรื่องคุณภาพของขดลวดเหนี่ยวนำ โดยทั่วไปมีค่า Q อยู่ที่ประมาณ 50 ถึง 200 แต่ในตัวกรองแบบแอคทีฟ ค่า Q สามารถสูงเกิน 1,000 ได้ ซึ่งหมายความว่าค่าความทนทานต่อแถบความถี่สามารถลดลงต่ำกว่า 1 เปอร์เซ็นต์ ผลลัพธ์คือ อุปกรณ์ทางการแพทย์และอุปกรณ์การสื่อสารได้รับประโยชน์จากระดับการเลือกสรรที่สูงนี้ ทำให้สามารถกรองสัญญาณได้อย่างแม่นยำโดดเด่น โดยไม่เก็บสัญญาณรบกวนที่ไม่ต้องการ

การบรรลุความสามารถในการเลือกสรรสูงโดยไม่ต้องพึ่งพาขดลวดเหนี่ยวนำขนาดใหญ่

เมื่อวิศวกรเปลี่ยนตัวเหนี่ยวนำแบบดั้งเดิมด้วยชุดประกอบของตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ และแอมปลิฟายเชิงปฏิบัติการ จะสามารถแก้ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดอย่างหนึ่งในการออกแบบตัวกรองแบบพาสซีฟ นั่นคือ ความขัดแย้งอย่างต่อเนื่องระหว่างขนาดของชิ้นส่วนกับคุณภาพของประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่น ตัวกรองผ่านความถี่สูง (high pass filter) ธรรมดาที่ทำงานที่ 500 เฮิรตซ์ ซึ่งสร้างจากชิ้นส่วนเชิงกระตือรือร้นเหล่านี้ สามารถให้ระดับการแยกความถี่เทียบเท่ากับรุ่นพาสซีฟแบบดั้งเดิมได้อย่างแม่นยำ แต่ใช้พื้นที่เพียงประมาณ 1/6 ของขนาดทางกายภาพ ซึ่งทำให้แตกต่างอย่างมากเมื่อออกแบบอุปกรณ์ เช่น อิมพลานต์ทางการแพทย์ ที่ทุกๆ มิลลิเมตรมีความสำคัญ หรือระบบในยานอวกาศ ที่ข้อจำกัดด้านน้ำหนักเข้มงวดมาก นอกจากนี้ เนื่องจากไม่มีวัสดุแม่เหล็กเกี่ยวข้องอีกต่อไป ตัวกรองเชิงกระตือรือร้นเหล่านี้จึงไม่ได้รับผลกระทบจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกหรือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ซึ่งจะทำให้ผลการวัดคลาดเคลื่อนในแบบจำลองแบบเดิม

การปรับปรุงการลดทอนแถบหยุดและการเพิ่มอัตราการลดลงโดยใช้วงจรตอบกลับเชิงกระตือรือร้น

ตัวกรองแบบแอคทีฟหลายขั้นตอนใช้สถาปัตยกรรมฟีดแบ็กแบบต่อเนื่องเพื่อให้ได้อัตราการลดทอนสูงถึง 120 dB/เดกาว ซึ่งชันกว่าตัวกรองพาสซีฟลำดับที่ 3 ถึง 4 เท่า การศึกษาความสมบูรณ์ของสัญญาณในปี 2023 แสดงให้เห็นว่าตัวกรองแบบแอคทีฟสามารถรักษาระดับการลดทอนแถบตัดที่ 60 dB ได้ตลอดช่วงอุณหภูมิ 40 ถึง 85°C ซึ่งดีกว่าตัวกรองพาสซีฟที่เทียบเคียงกันได้ถึง 32 dB ในเงื่อนไขเดียวกัน

จุดข้อมูล: ตัวกรองแบบแอคทีฟลำดับที่ 5 มีการลดทอนสูงกว่าตัวกรองพาสซีฟถึง 40 dB

ผลการวัดที่ความถี่ตัด 1 MHz แสดงให้เห็นว่าตัวกรองแบบแอคทีฟสามารถลดทอนแถบตัดได้ 82 dB เมื่อเทียบกับตัวกรองพาสซีฟที่ 42 dB ซึ่งเป็นการปรับปรุงด้านการลดทอนสัญญาณรบกวนถึง 95% ช่องว่างนี้จะเพิ่มขึ้นที่ความถี่ต่ำกว่า โดยสำหรับตัวกรองที่ 100 Hz ความแตกต่างจะอยู่ที่ 55 dB

ตัวกรองพาสซีฟสามารถเทียบชั้นความสามารถในการเลือกความถี่ของตัวกรองแบบแอคทีฟได้หรือไม่? การวิเคราะห์เบื้องต้น

ตัวกรองแบบพาสซีฟขั้นตอนเดียวส่วนใหญ่สามารถให้ค่าการเลือกความถี่ได้ประมาณ 20 ถึง 40 dB ในระดับดีที่สุดเท่านั้น เพื่อให้เทียบเท่ากับประสิทธิภาพของตัวกรองแบบแอคทีฟ วิศวกรจำเป็นต้องต่อตัวกรองพาสซีฟเข้าด้วยกันประมาณ 6 หรือ 7 ขั้นตอน วิธีการต่อนี้จะเพิ่มการสูญเสียการแทรกซึม (insertion losses) อีกประมาณ 18 dB และยังทำให้รายการชิ้นส่วนยาวขึ้นเป็นสี่เท่าด้วย จากผลการสำรวจประสิทธิภาพตัวกรองในปีที่แล้ว ตัวกรองแบบแอคทีฟสามารถปรับปรุงการปฏิเสธแถบหยุด (stopband rejection) ได้ดีขึ้นเกือบ 50 dB สำหรับระบบแบนด์วิดท์กว้าง ซึ่งทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับสภาพการทำงานที่ยากลำบาก โดยเฉพาะเมื่อคุณภาพของสัญญาณมีความสำคัญที่สุด

ขนาดกะทัดรัดและประสิทธิภาพในการรวมวงจรในอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่

ประสิทธิภาพของชิ้นส่วน: การแทนที่ขดลวดเหนี่ยวนำด้วยแอมพลิไฟเออร์เชิงปฏิบัติการและเครือข่าย RC

ตัวกรองแบบแอคทีฟจะแทนที่อินดักเตอร์ขนาดใหญ่ด้วยแอมป์เชิงปฏิบัติการ (op-amps) และเครือข่าย RC ขนาดเล็ก ซึ่งช่วยกำจัดอุปสรรคสำคัญต่อการลดขนาดลงได้ ตัวกรองแบบแอคทีฟลำดับที่ 2 มาตรฐานมีปริมาตรน้อยกว่าตัวกรองแบบพาสซีฟที่เทียบเคียงกันถึง 83% ในขณะที่ยังคงให้การตอบสนองความถี่ในระดับที่ใกล้เคียงกัน ทำให้สามารถออกแบบวงจรที่หนาแน่นและมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

พื้นที่ขนาดเล็ก ทำให้สามารถรวมเข้ากับไอซีและอุปกรณ์พกพาได้

การออกแบบที่เรียบง่ายของชิ้นส่วนเหล่านี้ทำให้สามารถฝังตัวกรองแบบแอคทีฟไว้ภายในไอซีเฉพาะทาง (ASICs) และระบบบนชิป (SoCs) ได้โดยตรง การปรับปรุงล่าสุดในเทคนิคการหุ้มชิปแบบฟลิปชิป (flip chip packaging) ได้ลดขนาดไดอะแอคทีฟฟิลเตอร์ให้เล็กลงเหลือไม่ถึง 1.2 ตารางมิลลิเมตร ซึ่งถือว่ามีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อพูดถึงสมาร์ทโฟนหรืออุปกรณ์ฝังทางการแพทย์ขนาดเล็กมาก ที่ซึ่งพื้นที่บนแผงวงจรมีค่ามากทุกตารางมิลลิเมตร ข้อมูลตลาดล่าสุดบางส่วนระบุว่าต้นทุนพื้นที่บนแผงวงจรอาจอยู่ระหว่าง 18 ถึง 32 ดอลลาร์สหรัฐต่อหนึ่งตารางมิลลิเมตรในปี 2024 ตามรายงานจากระบบฝังตัว การรวมฟังก์ชันทั้งหมดเหล่านี้ไว้บนชิปเดียวจะสร้างเส้นทางสัญญาณที่สะอาดกว่ามาก โดยรวมการกรองสัญญาณ การขยายสัญญาณ และการแปลงสัญญาณจากอนาล็อกเป็นดิจิทัลเข้าด้วยกัน โดยไม่จำเป็นต้องใช้ชิ้นส่วนแยกต่างหากสำหรับแต่ละขั้นตอน

แนวโน้ม: การทำให้เล็กลงในเทคโนโลยี IoT และอุปกรณ์สวมใส่

เทคโนโลยี IoT และอุปกรณ์สวมใส่เน้นย้ำถึงความสามารถในการขยายขนาดของตัวกรองแบบแอคทีฟ บริษัทเท็กซัส อินสตรูเมนต์ ได้แสดงตัวอย่างตัวกรองแบนด์พาสแบบแอคทีฟขนาด 0.8 มม. × 0.8 มม. สำหรับเครื่องตรวจคลื่นหัวใจแบบพกพา ซึ่งใช้พลังงานเพียง 40 นาโนวัตต์ เท่านั้น แม้จะมีขนาดเล็กมาก แต่ยังคงสามารถลดสัญญาณรบกวนได้ 60 เดซิเบล ในสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณรบกวนสูงที่ 3.5 ถึง 4 กิกะเฮิรตซ์ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของการใช้ตัวกรองแบบแอคทีฟในแอปพลิเคชันที่มีขนาดเล็กมากและไวต่อการใช้พลังงาน

ข้อแลกเปลี่ยนในการออกแบบและแนวทางแก้ไขแบบผสมผสานระหว่างแอคทีฟกับพาสซีฟ

ตัวกรองแบบแอคทีฟมีข้อได้เปรียบอย่างชัดเจนในด้านขนาดที่กะทัดรัดและประสิทธิภาพโดยรวม แต่ก็มีข้อเสียอยู่บ้าง นั่นคือ มักจะใช้พลังงานมากกว่าส่วนประกอบแบบพาสซีฟ ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งจ่ายไฟภายนอกเลย โดยตัวกรองแบบแอคทีฟส่วนใหญ่จะใช้พลังงานระหว่าง 5 ถึง 20 มิลลิวัตต์ขณะทำงาน สำหรับผู้ที่ต้องการข้อดีจากทั้งสองประเภท วิศวกรมักหันไปใช้วิธีแบบไฮบริด ซึ่งรวมความสามารถในการกรองสัญญาณอย่างแม่นยำของวงจรแบบแอคทีฟเข้ากับจุดเด่นในการลดสัญญาณรบกวนขององค์ประกอบแบบพาสซีฟ เราสามารถพบการออกแบบลักษณะนี้ได้บ่อยขึ้นในแอปพลิเคชันสมัยใหม่ เช่น สถานีฐาน 5G และระบบเรดาร์ในรถยนต์ เทคโนโลยีที่แท้จริงจะเกิดขึ้นเมื่อโครงสร้างเหล่านี้สามารถสร้างสมดุลที่เหมาะสมระหว่างพื้นที่ที่ใช้ ความเลือกสรรต่อสัญญาณ และต้นทุนด้านการใช้พลังงานในระยะยาว

คำถามที่พบบ่อย

ข้อได้เปรียบหลักของตัวกรองแบบแอคทีฟเมื่อเทียบกับตัวกรองแบบพาสซีฟคืออะไร

เครื่องกรองที่ใช้ได้ให้การขยายสัญญาณที่เพิ่มขึ้น การรักษาความแข็งแรงของสัญญาณในช่วงความถี่ที่กว้าง และความยืดหยุ่นในการออกแบบที่ยิ่งใหญ่ขึ้น ด้วยการปรับเปลี่ยนในเวลาจริง ไม่เหมือนกับเครื่องกรองที่ใช้ไม่ได้ ซึ่งสามารถมีอาการสูญเสียความต้านทาน

เครื่องขยายเสียงในการทํางาน (op-amp) สนับสนุนการทํางานของกรองที่ใช้ได้อย่างไร?

เครื่องขยายเสียงในการทํางานในกรองที่ทํางานเพิ่มความแรงดันและการเพิ่มกําลัง การกําจัดปัญหาความสะท้อนที่พบในกรอง LC ที่ไม่ทํางาน และทําให้สามารถควบคุมการตอบสนองความถี่และการตั้งค่าการเพิ่มความถี่ได้อย่างแม่นยํา

ทําไมเครื่องกรองที่ใช้ได้จึงถูกเลือกในการบูรณาการในระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัย

เครื่องกรองที่ใช้งานมีพื้นที่น้อยกว่า มีความสามารถในการเลือกและการลดความรุนแรงของสายไฟฟ้าได้สูงกว่า และสามารถนําไปใช้ใน IC ได้ง่าย ทําให้เหมาะสําหรับอุปกรณ์ที่คอมพัคต์และมีความรู้สึกต่อพลังงาน เช่น เทคโนโลยี IoT และอุปกรณ์อิ

เครื่องกรองที่ใช้งานได้ใช้พลังงานมากกว่า เครื่องกรองที่ใช้ไม่ได้หรือไม่

ใช่, เครื่องกรองที่ใช้งานได้โดยทั่วไปใช้พลังงานมากกว่า เพราะมันต้องการแหล่งพลังงานภายนอกเพื่อให้เครื่องปรับกําลังทํางาน, ในขณะที่เครื่องกรองที่ใช้งานไม่ได้ไม่ต้องการแหล่งพลังงานภายนอก