Second Order Filters

General Second Filter Responses

  • Topics:
    • General second filter responses
    • Second order filters configurations
    • Sallen-Key filters (KRC)
    • Multiple feedback filters
    • State variable filters
    • Biquad filters

Common Second Order Filter Responses

  • Generic filter response and its characteristics
    • General second order filter response: H(jω)=N(jω)1(ω/ω0)2+(jω/ω0)/QH(jω) = \frac{N(jω)}{1 - (ω/ω0)^2 + (jω/ω0)/Q}
    • Low-pass filter response: HLPF(jω)=11(ω/ω0)2+(jω/ω0)/QH_{LPF}(jω) = \frac{1}{1 - (ω/ω0)^2 + (jω/ω0)/Q}
      • H<em>LP</em>max=Q11/4Q2|H<em>{LP}|</em>{max} = Q \sqrt{1 - 1/4Q^2}
    • High-pass filter response: HHPF(jω)=(ω/ω0)21(ω/ω0)2+(jω/ω0)/QH_{HPF}(jω) = \frac{-(ω/ω0)^2}{1 - (ω/ω0)^2 + (jω/ω0)/Q}
    • Band-pass filter response: HBPF(jω)=(jω/ω0)/Q1(ω/ω0)2+(jω/ω0)/QH_{BPF}(jω) = \frac{(jω/ω0)/Q}{1 - (ω/ω0)^2 + (jω/ω0)/Q}
      • ω<em>L=ω</em>01+14Q212Q\omega<em>L = \omega</em>0 \sqrt{1 + \frac{1}{4Q^2}} - \frac{1}{2Q}, ω<em>H=ω</em>01+14Q2+12Q\omega<em>H = \omega</em>0 \sqrt{1 + \frac{1}{4Q^2}} + \frac{1}{2Q}
      • ω<em>0=ω</em>Lω<em>H\omega<em>0 = \sqrt{\omega</em>L\omega<em>H}, Q=ω</em>0BWQ = \frac{\omega</em>0}{BW}

Second Order Filter Configurations

  • Sallen-Key (KRC) Configuration (Low-pass filter)
    • Transfer function: H(jω)=K11ω2R<em>1C</em>1R<em>2C</em>2+jω[(1K)R<em>1C</em>1+R<em>1C</em>2+R<em>2C</em>2]H(jω) = K \frac{1}{1 - ω^2R<em>1C</em>1R<em>2C</em>2 + jω [(1 - K) R<em>1C</em>1 + R<em>1C</em>2 + R<em>2C</em>2]}
    • Standard design equations:
      • H<em>0LP=K=1+R</em>BRAH<em>{0LP} = K = 1 + \frac{R</em>B}{R_A}
      • ω<em>0=1R</em>1C<em>1R</em>2C2\omega<em>0 = \sqrt{\frac{1}{R</em>1C<em>1R</em>2C_2}}
      • Q=1(1K)R<em>1C</em>1/R<em>2C</em>2+R<em>1C</em>2/R<em>2C</em>1+R<em>2C</em>2/R<em>1C</em>1Q = \frac{1}{(1-K)\sqrt{R<em>1C</em>1/R<em>2C</em>2}+\sqrt{R<em>1C</em>2/R<em>2C</em>1}+\sqrt{R<em>2C</em>2/R<em>1C</em>1}}
    • Simplification: Equal components (R=R<em>1=R</em>2R = R<em>1 = R</em>2, C=C<em>1=C</em>2C = C<em>1 = C</em>2)
      • H<em>0LP=K=1+R</em>BRAH<em>{0LP} = K = 1 + \frac{R</em>B}{R_A}
      • ω0=1RC\omega_0 = \frac{1}{RC}
      • Q=1(3K)Q = \frac{1}{(3-K)}
    • Simplification: Unity gain (H0LP=1V/VH_{0LP} = 1 V/V)
      • R<em>2=R,R</em>1=mR,C<em>2=C,C</em>1=nCR<em>2 = R, R</em>1 = mR, C<em>2 = C, C</em>1 = nC
      • ω0=1mnR2C2=1RCmn\omega_0 = \sqrt{\frac{1}{mnR^2C^2}} = \frac{1}{RC\sqrt{mn}}
      • Q=mnm+1nQ = \frac{\sqrt{mn}}{m+\frac{1}{n}}
      • n4Q2n ≥ 4Q^2
      • m=k+k21,k=(n2Q2)1m = k + \sqrt{k^2 - 1}, k = (\frac{n}{2Q^2}) - 1
    • Modification: Independent (of Q) gain
      • A<em>new=R</em>1BR<em>1A+R</em>1BAoldA<em>{new} = \frac{R</em>{1B}}{R<em>{1A}+R</em>{1B}} A_{old}
      • R<em>1=R</em>1AR1BR<em>1 = R</em>{1A}||R_{1B}
      • R<em>1A=R</em>1A<em>oldA</em>newR<em>{1A} = R</em>1 \frac{A<em>{old}}{A</em>{new}}
      • R<em>1B=R</em>11A<em>newA</em>oldR<em>{1B} = \frac{R</em>1}{1-\frac{A<em>{new}}{A</em>{old}}}
  • Sallen-Key (KRC) Configuration (High-pass filter)
    • Design equations:
      • H<em>0HP=K=1+R</em>BRAH<em>{0HP} = K = 1 + \frac{R</em>B}{R_A}
      • ω<em>0=1R</em>1C<em>1R</em>2C2\omega<em>0 = \sqrt{\frac{1}{R</em>1C<em>1R</em>2C_2}}
      • Q=1(1K)R<em>2C</em>2R<em>1C</em>1+R<em>1C</em>2R<em>2C</em>1+R<em>1C</em>1R<em>2C</em>2Q = \frac{1}{(1-K)\sqrt{\frac{R<em>2C</em>2}{R<em>1C</em>1}}+\sqrt{\frac{R<em>1C</em>2}{R<em>2C</em>1}}+\sqrt{\frac{R<em>1C</em>1}{R<em>2C</em>2}}}
  • Sallen-Key (KRC) Configuration (Band-pass filter)
    • Design equations:
      • H<em>0BP=K1+(1K)R</em>1R<em>3+(1+C</em>1C<em>2)R</em>1R2H<em>{0BP} = \frac{K}{\frac{1+(1-K)R</em>1}{R<em>3}+(1+\frac{C</em>1}{C<em>2})\frac{R</em>1}{R_2}}
      • ω<em>0=1+R</em>1R<em>3R</em>1C<em>1R</em>2C2\omega<em>0 = \sqrt{\frac{1+\frac{R</em>1}{R<em>3}}{R</em>1C<em>1R</em>2C_2}}
      • Q=1+R<em>1R</em>3[1+(1K)R<em>1R</em>3]R<em>2C</em>2R<em>1C</em>1+R<em>1C</em>2R<em>2C</em>1+R<em>1C</em>1R<em>2C</em>2Q = \frac{\sqrt{1+\frac{R<em>1}{R</em>3}}}{[1+(1-K)\frac{R<em>1}{R</em>3}]\sqrt{\frac{R<em>2C</em>2}{R<em>1C</em>1}}+\sqrt{\frac{R<em>1C</em>2}{R<em>2C</em>1}}+\sqrt{\frac{R<em>1C</em>1}{R<em>2C</em>2}}}
    • Simplified design equations: Q>2/3,R<em>1=R</em>2=R<em>3=R,C</em>1=C2=CQ > \sqrt{2/3}, R<em>1 = R</em>2 = R<em>3 = R, C</em>1 = C_2 = C
      • H0BP=K4KH_{0BP} = \frac{K}{4-K}
      • ω0=2RC\omega_0 = \frac{\sqrt{2}}{RC}
      • Q=24KQ = \frac{\sqrt{2}}{4-K}
  • Sallen-Key (KRC) Configuration (Notch filter)
    • Design equations:
      • H<em>0NF=K=1+R</em>BRAH<em>{0NF} = K = 1 + \frac{R</em>B}{R_A}
      • ω0=1RC\omega_0 = \frac{1}{RC}
      • Q=142KQ = \frac{1}{4-2K}
  • Multiple Feedback Configuration (Band-pass filter)
    • Design equations:
      • H<em>0BP=R</em>2/R<em>11+C</em>1/C2H<em>{0BP} = -\frac{R</em>2/R<em>1}{1+C</em>1/C_2}
      • ω<em>0=1R</em>1C<em>1R</em>2C2\omega<em>0 = \sqrt{\frac{1}{R</em>1C<em>1R</em>2C_2}}
      • Q=R<em>2/R</em>1C<em>1/C</em>2+C<em>2C</em>1Q = \sqrt{\frac{R<em>2/R</em>1}{C<em>1/C</em>2}}+\sqrt{\frac{C<em>2}{C</em>1}}
    • Design for H<em>0BP=H</em>0<2Q2|H<em>{0BP}| = H</em>0 < 2Q^2:
      • R<em>1A=QH</em>0ω0CR<em>{1A} = \frac{Q}{H</em>0\omega_0C}
      • R<em>1B=R</em>1A(2Q2H01)R<em>{1B} = R</em>{1A}(\frac{2Q^2}{H_0} - 1)
  • Multiple Feedback Configuration (Low-pass filter)
    • Design equations:
      • H<em>0LP=R</em>3R1H<em>{0LP} = -\frac{R</em>3}{R_1}
      • ω<em>0=1R</em>2C<em>1R</em>3C2\omega<em>0 = \sqrt{\frac{1}{R</em>2C<em>1R</em>3C_2}}
      • Q=(C<em>1/C</em>2R<em>2R</em>3/R<em>12)+R</em>3R<em>2+R</em>2R3Q = \sqrt(\frac{C<em>1/C</em>2}{R<em>2R</em>3/R<em>1^2})+\sqrt{\frac{R</em>3}{R<em>2}}+\sqrt{\frac{R</em>2}{R_3}}
    • One approach: C<em>1=nC</em>2,n4Q2(1+H0LP)C<em>1 = nC</em>2, n ≥ 4Q^2(1 + |H_{0LP}|)
      • R<em>3=1+14Q2(1+H</em>0LP)n2ω<em>0QC</em>2R<em>3 = \frac{1 + \sqrt{1-\frac{4Q^2(1+|H</em>{0LP}|)}{n}}}{2\omega<em>0QC</em>2}
      • R<em>1=R</em>3H0LPR<em>1 = \frac{R</em>3}{|H_{0LP}|}
      • R<em>2=1ω</em>02R<em>3C</em>1C2R<em>2 = \frac{1}{\omega</em>0^2R<em>3C</em>1C_2}
  • Multiple Feedback Configuration (Notch filter)
    • Design equations:
      • Design a BPF with negative output (like the MFB BPF)
      • Design a summation amplifier
  • State Variable Filter
    • Design equations:
      • ω<em>0=R</em>5R<em>4R</em>6R<em>7C</em>2\omega<em>0 = \sqrt{\frac{R</em>5}{R<em>4}}\sqrt{\frac{R</em>6}{R<em>7C</em>2}}
      • Q=(1+R<em>2/R</em>1)R<em>5R</em>6C<em>1/R</em>4R<em>7C</em>21+R<em>5/R</em>3+R<em>5/R</em>4Q = \frac{(1+R<em>2/R</em>1)\sqrt{R<em>5R</em>6C<em>1/R</em>4R<em>7C</em>2}}{1+R<em>5/R</em>3+R<em>5/R</em>4}
      • H<em>0HP=R</em>5R<em>3,H</em>0LP=R<em>4R</em>3,H<em>0BP=1+R</em>2/R<em>11+R</em>3/R<em>4+R</em>3/R5H<em>{0HP} = -\frac{R</em>5}{R<em>3}, H</em>{0LP} = -\frac{R<em>4}{R</em>3}, H<em>{0BP} = \frac{1+R</em>2/R<em>1}{1+R</em>3/R<em>4+R</em>3/R_5}
  • State Variable Filter Topology
    • Design equations (simplified with mostly equal component): R<em>5=R</em>4=R<em>3R<em>5 = R</em>4 = R<em>3, R</em>6=R<em>7=RR</em>6 = R<em>7 = R, C</em>1=C2=CC</em>1 = C_2 = C
      • ω0=1RC\omega_0 = \frac{1}{RC}
      • Q=13(1+R<em>2/R</em>1)Q = \frac{1}{3}(1 + R<em>2/R</em>1)
      • H<em>0HP=1,H</em>0LP=1,H0BP=QH<em>{0HP} = -1, H</em>{0LP} = -1, H_{0BP} = Q
  • Biquad Filter Topology
    • Design equations:
      • ω<em>0=1R</em>4C<em>1R</em>5C2\omega<em>0 = \sqrt{\frac{1}{R</em>4C<em>1R</em>5C_2}}
      • Q=R<em>2C</em>1R<em>4R</em>5C2Q = R<em>2\sqrt{\frac{C</em>1}{R<em>4R</em>5C_2}}
      • H<em>0LP=R</em>5R<em>1,H</em>0BP=R<em>2R</em>1H<em>{0LP} = \frac{R</em>5}{R<em>1}, H</em>{0BP} = -\frac{R<em>2}{R</em>1}
    • Simplified: R<em>5=R</em>4=R,C<em>1=C</em>2=CR<em>5 = R</em>4 = R, C<em>1 = C</em>2 = C
      • ω0=1RC\omega_0 = \frac{1}{RC}
      • Q=R2RQ = \frac{R_2}{R}
      • H<em>0LP=RR</em>1,H<em>0BP=R</em>2R1H<em>{0LP} = \frac{R}{R</em>1}, H<em>{0BP} = -\frac{R</em>2}{R_1}
  • Biquad Filter Topology (Notch design)
    • Similar approach to MFB notch filter design
      • Use a BPF
      • Use a summation amplifier
    • Simplified (symmetric notch):
      • ω<em>z=ω</em>0=1RC\omega<em>z = \omega</em>0 = \frac{1}{RC}
      • Q=R1RQ = \frac{R_1}{R}
      • H<em>0N=R</em>5R2H<em>{0N} = -\frac{R</em>5}{R_2}