Circuite de filtrare cu crestături cu detalii de proiectare

În acest articol vom trece printr-o discuție detaliată cu privire la modul de proiectare a filtrelor de notch cu frecvență centrală precisă și pentru un impact maxim.

În cazul în care se utilizează filtrul Notch

Circuitele cu filtru de notch sunt utilizate în mod normal pentru suprimarea, anularea sau anularea unui anumit interval de frecvențe pentru a evita o interferență enervantă sau nedorită în cadrul unei configurații de circuite.

Devine în mod special util în echipamente audio sensibile, cum ar fi amplificatoare, receptoare radio, unde este necesar să fie eliminate un singur sau un număr selectat de frecvențe interferente nedorite printr-un mijloc simplu.

Filtrele de notch active au fost utilizate în mod activ în deceniile anterioare pentru amplificatoare și aplicații audio pentru eliminarea interferențelor de zgomot de 50 și 60 Hz. Aceste rețele au fost deși oarecum incomode din punct de vedere al reglării, echilibrului și consistenței frecvenței de crestătură centrală (f0).

Odată cu introducerea amplificatoarelor moderne de mare viteză, a devenit imperativ să se creeze filtre compatibile cu crestătură de mare viteză care să poată fi aplicate pentru manipularea filtrării cu frecvență de crestătură de mare viteză la un ritm eficient.

Aici vom încerca să investigăm posibilitățile și complexitățile asociate implicate în realizarea filtrelor cu crestături ridicate.

Caracteristici importante

Înainte de a aprofunda subiectul, să rezumăm mai întâi caracteristicile importante care pot fi strict necesare în timp ce proiectăm filtrele de crestătură de mare viteză propuse.

1) Abruptimea adâncimii nule, care este indicată în simularea din figura 1, poate să nu fie practic posibilă, cele mai eficiente rezultate realizabile nu pot fi peste 40 sau 50 dB.

2) Prin urmare, trebuie înțeles că factorul mai semnificativ care trebuie îmbunătățit este frecvența centrală și Q, iar proiectantul ar trebui să se concentreze asupra acestui lucru în loc de adâncimea crestăturii. Obiectivul principal în timp ce realizează un design al filtrului cu crestături ar trebui să fie nivelul de respingere a frecvenței de interferență nedorite, acesta trebuie să fie optim.

3) Problema de mai sus poate fi rezolvată în mod optim, preferând cele mai bune valori pentru componentele R și C, care pot fi implementate utilizând corect calculatorul RC prezentat în Referința 1, care poate fi utilizat pentru identificarea adecvată a R0 și C0 pentru o anumită aplicație de proiectare a filtrului de notch.

Următoarele date vor explora și vor ajuta la înțelegerea proiectării unor topologii de filtrare de notch interetate:

Filtru Twin-T Notch

Configurația filtrului Twin-T prezentată în figura 3 arată destul de interesantă datorită performanței sale bune și a implicării unui singur opamp în design.

Schematic

Deși circuitul de filtrare cu crestături indicat mai sus este rezonabil de eficient, ar putea avea anumite dezavantaje datorită simplității extreme pe care o poartă, după cum se arată mai jos:

Proiectarea utilizează 6 componente de precizie pentru reglarea sa, în care câteva dintre acestea pentru atingerea raporturilor celorlalte. Dacă această complicație trebuie evitată, circuitul ar putea necesita includerea a 8 componente de precizie suplimentare, cum ar fi R0 / 2 = 2nos de R0 în paralel și 2 în C0 = 2 nos de C0 în paralel.

O topologie Twin-T nu funcționează ușor cu surse de alimentare individuale și nu respectă amplificatoarele diferențiale complete.

Gama valorilor rezistorului continuă să crească datorită RQ<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Cu toate acestea, chiar și cu problemele de mai sus, dacă utilizatorul reușește să optimizeze proiectarea cu componente precise de înaltă calitate, se poate aștepta și implementa o filtrare rezonabilă pentru aplicația dată.

Filtrul Fly Notch

Figura 4 indică designul filtrului Fliege Notch, care identifică câteva avantaje distincte în comparație cu omologul Twin-T, așa cum este relatat mai jos:

1) Incorporează doar câteva componente de precizie sub formă de R și C pentru a îndeplini o reglare precisă a frecvenței centrale.

2) Un aspect apreciabil al acestui design este acela că permite ușoare inexactități în interiorul componentelor și al setărilor fără a afecta profunzimea punctului de crestătură, deși frecvența centrală s-ar putea schimba puțin în consecință.

3) Veți găsi câteva rezistențe responsabile pentru determinarea discretă a frecvenței centrale ale căror valori pot să nu fie extrem de critice

4) Configurația permite setarea frecvenței centrale cu un interval rezonabil de îngust, fără a influența adâncimea crestăturii la un nivel semnificativ.

Cu toate acestea, aspectul negativ al acestei topologii este utilizarea sa de două opamp-uri și totuși nu devine utilizabilă cu amplificatoare diferențiale.

Rezultate Simulare

Simularile au fost inițial realizate cu cele mai potrivite versiuni opamp. Versiunile opamp adevărate au fost folosite la scurt timp, ceea ce a generat rezultate comparabile cu cele detectate în laborator.

Tabelul 1 demonstrează valorile componentelor care au fost folosite pentru schema din Figura 4. Se pare că nu are sens să se efectueze simulări la sau peste 10 MHz, în principal deoarece testele de laborator au fost efectuate în esență ca pornire și 1 MHz a fost frecvența principală în care a fost necesar un filtru de notch pentru a fi aplicat.

Un cuvânt referitor la condensatori : În ciuda faptului că capacitatea este doar un „număr” pentru simulări, condensatorii reali sunt proiectați din elemente dielectrice unice.

Pentru 10 kHz, întinderea valorii rezistorului a obligat condensatorul la o valoare de 10 nF. Deși acest lucru a făcut trucul corect în demo, a solicitat o ajustare de la un dielectric NPO la un dielectric X7R în laborator, ceea ce a determinat căderea completă a filtrului de notch cu caracteristica sa.

Specificațiile condensatoarelor de 10 nF aplicate au fost în apropiere de valoare, ca urmare, scăderea adâncimii de crestătură a fost în principal responsabilă din cauza dielectricității slabe. Circuitul a fost forțat să revină la respect pentru un Q = 10 și a fost folosit un 3-MΩ pentru R0.

Pentru circuitele din lumea reală, este recomandabil să respectați condensatorii NPO. Valorile cerințelor din Tabelul 1 au fost considerate o alegere bună în mod egal în simulări și în dezvoltarea laboratorului.

La început, simulările au fost efectuate fără potențiometrul de 1 kΩ (cele două rezistențe fixe de 1 kΩ au fost asociate în mod specific sincronizate și la intrarea care nu inversează opampul inferior).

Ieșirile demo sunt prezentate în Figura 5. Veți găsi 9 rezultate în Figura 5, totuși este posibil să găsiți că formele de undă pe valoare Q se suprapun pe cele de la celelalte frecvențe.

Calculul frecvenței centrului

Frecvența centrală în orice circumstanță este moderat peste un obiectiv al structurii de 10 kHz, 100 kHz sau 1 MHz. Acest lucru poate fi la fel de aproape pe cât un dezvoltator poate obține cu un rezistor E96 acceptat și un condensator E12.

Gândiți-vă la situație folosind o crestătură de 100 kHz:

f = 1 / 2πR0C0 = 1 / 2π x 1,58k x 1nF = 100,731 kHz

Așa cum se poate vedea, rezultatul pare ușor de marcat, acest lucru poate fi îmbunătățit și mai apropiat de valoarea necesară dacă condensatorul 1nF este modificat cu un condensator de valoare E24 standard, după cum se arată mai jos:

f = 1 / 2π
x 4,42k x 360 pF = 100,022 kHz, arată mult mai bine

Utilizarea condensatoarelor de versiune E24 poate aduce frecvențe centrale mult mai precise de cele mai multe ori, totuși, cumva, obținerea cantităților din seria E24 ar putea fi cheltuieli generale la un preț ridicat (și nejustificat) în numeroase laboratoare.

Deși ar putea fi convenabil să se evalueze valorile condensatorului E24 în ipoteză, în lumea reală majoritatea acestora nu sunt niciodată implementate, precum și au timp de funcționare extins implicat cu ele. Veți descoperi preferințe mai puțin complicate pentru cumpărarea valorilor condensatorului E24.

Evaluarea amănunțită a figurii 5 determină faptul că crestătura ratează frecvența centrală cu o cantitate modestă. La valori Q mai mici, puteți găsi încă o anulare considerabilă a frecvenței de crestătură specificate.

În cazul în care respingerea nu este satisfăcătoare, vă recomandăm să modificați filtrul de notch.

Din nou, contemplând scenariul de 100 kHz, observăm că reacția în jurul valorii de 100 kHz este extinsă în Figura 6.

Colecția de forme de undă la stânga și la dreapta frecvenței centrale (100,731 kHz) corespunde reacțiilor de filtrare, odată ce potențiometrul de 1 kΩ este poziționat și ajustat în trepte de 1%.

De fiecare dată când potențiometrul este reglat la jumătate, filtrul de notch respinge frecvențele la frecvența precisă a miezului.

Gradul crestăturii simulate este de fapt de ordinul a 95 dB, cu toate acestea acest lucru nu ar trebui pur și simplu să se materializeze în entitatea fizică.

O realiniere de 1% a potențiometrului plasează o crestătură care depășește de obicei 40 dB drept pe frecvența preferată.

Încă o dată, acesta poate fi cel mai bun scenariu atunci când se face cu componente ideale, cu toate acestea datele de laborator arată mai precise la frecvențe mai mici (10 și 100 kHz).

Figura 6 determină că trebuie să obțineți o apropiere mult mai mare de frecvența precisă cu R0 și C0 chiar de la început. Deoarece potențiometrul poate fi capabil să rectifice frecvențele pe un spectru extins, adâncimea crestăturii s-ar putea degrada.

Într-un interval modest (± 1%), se poate realiza o respingere a frecvenței proaste de 100: 1, cu toate acestea într-un interval crescut (± 10%), este posibilă doar o respingere de 10: 1.

Rezultatele de laborator

A fost implementată o placă de evaluare THS4032 pentru a pune împreună circuitul în Figura 4.

Este de fapt o structură de uz general care folosește doar 3 jumperi împreună cu traceto pentru a finaliza circuitul.

Cantitățile componente din tabelul 1 au fost aplicate, începând cu cele care probabil ar produce o frecvență de 1 MHz.

Motivul a fost de a căuta reglementări privind lățimea de bandă / rata de rotație la 1 MHz și verificarea la frecvențe mai accesibile sau mai mari, după cum este necesar.

Rezultate la 1 MHz

Figura 7 semnifică faptul că puteți obține un număr de lățimi de bandă specifice și / sau reacții de rotație la 1 MHz. Forma de undă de reacție la un Q de 100 prezintă doar o undă în care poate fi prezentă crestătura.

La un Q de 10, există doar o crestătură de 10 dB și o crestătură de 30 dB la un Q de 1.

Se pare că filtrele de notch nu sunt în măsură să realizeze o frecvență atât de mare pe cât am anticipat-o probabil, totuși THS4032 este pur și simplu un dispozitiv de 100 MHz.

Este firesc să anticipăm funcționalitatea superioară a componentelor cu o lățime de bandă îmbunătățită a câștigului de unitate. Stabilitatea câștigului de unitate este esențială, pentru că topologia Fliege are un câștig de unitate fix.

Când creatorul speră să aproximeze cu precizie ce lățime de bandă este esențială pentru o crestătură la o anumită frecvență, un loc potrivit pentru a merge este combinația câștig / lățime de bandă, așa cum este prezentată în foaia tehnică, care ar trebui să fie de o sută de ori frecvența centrală a crestăturii.

Lățimea de bandă suplimentară ar putea fi probabil așteptată pentru valori Q crescute. Puteți găsi un grad de abatere a frecvenței centrului de crestătură pe măsură ce Q este modificat.

Acest lucru este exact același cu tranziția de frecvență observată pentru filtrele bandpass.

Tranziția de frecvență este mai mică pentru filtrele de notch aplicate pentru a funcționa la 100 kHz și 10 kHz, așa cum este prezentat în Figura 8 și, eventual, în Figura 10.

Date la 100 kHz

Cantitățile de piese din Tabelul 1 au fost ulterior obișnuite să stabilească filtre de notch de 100 kHz cu Q-uri diverse.

Datele sunt prezentate în Figura 8. Se pare clar clar că filtrele de crestătură funcționale sunt de obicei dezvoltate cu o frecvență centrală de 100 kHz, în ciuda faptului că adâncimea de crestătură este semnificativ mai mică la valori mai mari de Q.

Rețineți, totuși, că obiectivul de configurare enumerat aici este de 100 kHz, nu de 97 kHz.

Valorile pieselor preferate au fost aceleași ca și pentru simulare, prin urmare frecvența centrală a crestăturii trebuie să fie tehnic la 100,731 kHz, cu toate acestea impactul este explicat de componentele incluse în proiectarea laboratorului.

Valoarea medie a sortimentului de condensatori de 1000 pF a fost de 1030 pF, iar a sortimentului de rezistențe de 1,58 kΩ a fost de 1,583 kΩ.

De fiecare dată când frecvența centrală este stabilită folosind aceste valori, aceasta ajunge la 97,14 kHz. Părțile specifice, în ciuda acestui fapt, au putut fi greu determinate (placa a fost extrem de sensibilă).

Cu condiția ca condensatorii să fie echivalenți, ar putea fi ușor de crescut cu ajutorul unor valori convenționale ale rezistorului E96 pentru a obține rezultate mai strânse la 100 kHz.

Inutil să spun că acest lucru ar putea fi cel mai probabil nu o alternativă în producția cu volum mare, unde condensatorii de 10% ar putea proveni din practic orice pachet și probabil de la producători diferiți.

Selectarea frecvențelor centrale va fi în funcție de toleranțele R0 și C0, ceea ce este o veste proastă în cazul în care devine necesară o crestătură Q ridicată.

Există 3 metode pentru a face față acestui lucru:

Cumpărați rezistențe și condensatoare de precizie mai mare

minimizați specificația Q și vă mulțumiți cu respingerea mai mică a frecvenței nedorite sau

reglați fin circuitul (care a fost avut în vedere ulterior).

În acest moment, circuitul pare a fi personalizat pentru a primi un Q de 10 și un potențiometru de 1 kΩ integrat pentru reglarea frecvenței centrale (așa cum se arată în Figura 4).

În aspectul din lumea reală, valoarea potențiometrului preferată ar trebui să fie puțin mai mare decât gama necesară pentru a acoperi întreaga gamă de frecvențe centrale cât mai mult posibil, chiar și în cel mai rău caz de toleranțe R0 și C0.

Acest lucru nu a fost realizat în acest moment, deoarece acesta a fost un exemplu în analiza potențialităților, iar 1 kΩ a fost cea mai competitivă calitate a potențiometrului accesibilă în laborator.

Când circuitul a fost reglat și reglat pentru o frecvență centrală de 100 kHz, așa cum este subliniat în Figura 9, nivelul de notch s-a degradat de la 32 dB la 14 dB.

Rețineți că această adâncime a crestăturii ar putea fi îmbunătățită dramatic oferind f0 preliminar mai strâns la cea mai bună valoare adecvată.

Potențiometrul este destinat să fie modificat exclusiv pe o zonă modestă a frecvențelor centrale.

Cu toate acestea, o respingere 5: 1 a unei frecvențe nedorite este credibilă și ar putea fi foarte adecvată pentru utilizarea multor persoane. Programele mult mai importante pot solicita, fără îndoială, piese de precizie mai mare.

Restricțiile de lățime de bandă ale amplificatorului de operare, care au capacitatea de a degrada în plus magnitudinea crestăturii reglate, pot fi, de asemenea, responsabile de oprirea gradului de crestătură de a deveni cât mai mic posibil. Având în vedere acest lucru, circuitul a fost din nou ajustat pentru o frecvență centrală de 10 kHz.

Rezultate la 10 kHz

Figura 10 determină faptul că valea de notch pentru un Q de 10 a crescut la 32 dB, ceea ce ar putea fi prin ceea ce puteți anticipa de la o frecvență centrală cu 4% reducere de la simulare (Figura 6).

Opampul a redus fără îndoială adâncimea crestăturii la o frecvență centrală de 100 kHz! O crestătură de 32 dB este o anulare de 40: 1, care ar putea fi rezonabilă.

Prin urmare, în ciuda pieselor care au creat o eroare preliminară de 4%, a fost ușor să obțineți o crestătură de 32 dB la cea mai dorită frecvență centrală.

Vestea neplăcută este faptul că, pentru a sustrage constrângerile de lățime de bandă opamp, cea mai mare frecvență de notch posibilă posibilă cu un opamp de 100 MHz este de aproximativ 10 și 100 kHz.

În ceea ce privește filtrele cu crestături, „viteza mare” este considerată, prin urmare, autentică la aproximativ sute de kiloherci.

O aplicație practică superbă pentru filtrele de notare de 10 kHz sunt receptoarele AM ​​(unde medii), în care operatorul de la stațiile învecinate generează un sunet puternic de 10 kHz în sunet, în special pe timp de noapte. Acest lucru ar putea, cu siguranță, să se răzbune pe nervii cuiva, în timp ce acordarea este continuă.

Figura 11 afișează spectrul audio preluat al unei stații fără a fi implementată utilizarea și crestătura de 10 kHz. Observați că zgomotul de 10 kHz este cea mai puternică secțiune a sunetului preluat (Figura 11a), chiar dacă urechea umană este substanțial mai puțin susceptibilă la acesta.

Această gamă audio a fost capturată noaptea pe o stație din apropiere care a primit câteva stații puternice de ambele părți. Stipulațiile FCC permit anumite varianțe ale transportatorilor de stații.

Din acest motiv, capcanele modeste în frecvența purtătoare a celor două stații învecinate vor face ca zgomotele de 10 kHz să fie heterodine, sporind experiența de ascultare enervantă.

Ori de câte ori este implementat filtrul de notch (Figura 11b), tonul de 10 kHz este minimizat la nivelul de potrivire ca cel al modulației adiacente. În plus, observabile pe spectrul audio sunt purtători de 20 kHz de la stații la 2 canale distanță și un ton de 16 kHz de la o stație transatlantică.

Acestea nu sunt în general o mare preocupare, deoarece sunt atenuate considerabil de receptorul IF. O frecvență de aproximativ 20 kHz poate fi inaudibilă pentru majoritatea covârșitoare a indivizilor în ambele cazuri.

Referințe: