Urezani krugovi filtra s detaljima dizajna

U ovom članku prolazimo kroz detaljnu raspravu o tome kako dizajnirati usječene filtre s preciznom središnjom frekvencijom i za maksimalni utjecaj.

Gdje se koriste usječeni filtri

Kružni filtri s usjekom obično se koriste za suzbijanje, poništavanje ili poništavanje određenog raspona frekvencija kako bi se izbjegle neugodne ili neželjene smetnje unutar konfiguracije kruga.

To posebno postaje korisno u osjetljivoj audio opremi kao što su pojačala, radio prijamnici gdje se jednostavan ili odabrani broj neželjenih interferencija mora ukloniti jednostavnim sredstvima.

Aktivni usječni filtri aktivno su se koristili tijekom ranijih desetljeća za pojačala i audio programe za uklanjanje smetnji od 50 - i 60 Hz. Te su mreže, iako sa stajališta središnje frekvencije usjeka (f0) podešavanja, ravnoteže i dosljednosti, bile pomalo neugodne.

Uvođenjem modernih brzih pojačala postalo je neophodno stvoriti kompatibilne visokofrekventne usjekajuće filtre koji bi se mogli primijeniti za efikasno rukovanje brzom filtriranjem usjeka.

Ovdje ćemo pokušati istražiti mogućnosti i povezane složenosti povezane s izradom filtera visokog stupnja.

Važne karakteristike

Prije ulaska u temu, sažeti ćemo najprije važne karakteristike koje mogu biti strogo potrebne tijekom dizajniranja predloženih brzih usječnih filtara.

1) Strmina nulske dubine koja je naznačena na simulaciji na slici 1. možda praktički nije izvediva, najučinkovitiji ostvarivi rezultati ne smiju biti iznad 40 ili 50 dB.

2) Stoga se mora shvatiti da su značajniji čimbenik koji treba poboljšati središnja frekvencija i Q, a dizajner bi se trebao usredotočiti na to umjesto na dubinu usjeka. Glavni cilj prilikom izrade ureza s usječenim filtrom trebao bi biti razina odbijanja neželjenih smetnji, koja mora biti optimalna.

3) Gore navedeni problem može se optimalno riješiti, preferirajući najbolje vrijednosti za R i C komponente, što se može implementirati pravilnom upotrebom RC kalkulatora prikazanog u Referenci 1, koji se može koristiti za odgovarajuću identifikaciju R0 i C0 za određena aplikacija za projektiranje usjeka.

Sljedeći će podaci istražiti i pomoći u razumijevanju dizajniranja nekih zanimljivih topologija filtra s urezima:

Twin-T notch filter

Konfiguracija Twin-T filtra prikazana na slici3 izgleda prilično zanimljivo zbog svojih dobrih performansi i sudjelovanja samo jednog opampa u dizajnu.

Shematski

Iako je gore navedeni krug s usječenim filtrom prilično učinkovit, mogao bi imati određene nedostatke zbog krajnje jednostavnosti koju nosi, kako je navedeno u nastavku:

Dizajn koristi 6 preciznih komponenata za njegovo podešavanje, pri čemu nekoliko za postizanje omjera ostalih. Ako ovu komplikaciju treba izbjeći, sklop bi mogao zahtijevati uključivanje 8 dodatnih preciznih komponenata, poput R0 / 2 = 2nos od R0 paralelno i 2 u C0 = 2 broja C0 paralelno.

Topologija Twin-T ne radi lako s jednim napajanjem i nije u skladu s punopravnim diferencijalnim pojačalima.

Raspon vrijednosti otpora neprestano raste zbog RQ<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Međutim, čak i uz gore navedene gnjavaže, ako korisnik uspije optimizirati dizajn visokokvalitetnim preciznim komponentama, može se očekivati ​​i primijeniti razumno učinkovita filtracija za danu aplikaciju.

Fly Notch filter

Slika 4 označava dizajn filtera Fliege Notch, koji identificira nekoliko različitih prednosti u usporedbi s Twin-T kolegom, kako je opisano u nastavku:

1) Uključuje samo nekoliko preciznih komponenata u obliku Rs i Cs kako bi se postiglo točno podešavanje središnje frekvencije.

2) Jedan od značajnih aspekata ovog dizajna je taj što dopušta male netočnosti unutar komponenata i postavki bez utjecaja na dubinu točke usjeka, iako bi se središnja frekvencija mogla malo promijeniti u skladu s tim.

3) Pronaći ćete nekoliko otpornika odgovornih za diskretno određivanje središnje frekvencije čije vrijednosti možda neće biti izuzetno kritične

4) Konfiguracija omogućuje postavljanje središnje frekvencije s relativno uskim rasponom bez utjecaja na dubinu usjeka na značajnu razinu.

Međutim, negativna stvar u vezi s ovom temom je uporaba dva opampa, ali još uvijek ne postaje upotrebljiva s diferencijalnim pojačalima.

Rezultati simulacija

Simulacije su u početku izvedene s najprikladnijim verzijama opampa. Uskoro su primijenjene istinite verzije opampa, što je rezultiralo rezultatima usporedivima s onima otkrivenim u laboratoriju.

Tablica 1. prikazuje vrijednosti komponenata koje su korištene za shematski prikaz na slici 4. Činilo se da nema smisla provoditi simulacije na ili iznad 10 MHz uglavnom zato što su laboratorijska ispitivanja u osnovi provedena kao start-up, a 1 MHz je vodeća frekvencija na kojoj je trebalo primijeniti usječeni filter.

Riječ u vezi s kondenzatorima : Unatoč činjenici da je kapacitet samo 'broj' za simulacije, stvarni kondenzatori konstruirani su od jedinstvenih dielektričnih elemenata.

Za 10 kHz, rastezanje vrijednosti otpornika kondenzator je zahtijevalo vrijednost od 10 nF. Iako je ovo u demonstraciji ispravno izvelo trik, zatražio je prilagodbu s NPO dielektrika na dielektrik X7R u laboratoriju, što je svojom značajkom uzrokovalo krajnji pad notch filtra.

Specifikacije primijenjenih kondenzatora od 10 nF bile su u neposrednoj blizini vrijednosti, što je rezultiralo smanjenjem dubine ureza uglavnom zbog lošeg dielektrika. Krug je bio prisiljen vratiti se na poštivanje za Q = 10, a korišten je 3-MΩ za R0.

Za krugove u stvarnom svijetu poželjno je pridržavati se NPO kondenzatora. Vrijednosti zahtjeva u tablici 1. smatrale su se dobrim izborom jednako u simulacijama i u razvoju laboratorija.

Na početku su se simulacije izvodile bez potenciometra od 1 kΩ (dva fiksna otpora od 1 kΩ bila su povezana sinhronizirano i na neinvertirajući ulaz donjeg opampa).

Demo izlazi su predstavljeni na slici 5. Na slici 5 naći ćete 9 rezultata, no možda ćete naći da se valni oblici po Q vrijednosti preklapaju s onima na ostalim frekvencijama.

Izračunavanje središnje frekvencije

Središnja frekvencija u bilo kojim je okolnostima umjereno iznad strukturnog cilja od 10 kHz, 100 kHz ili 1 MHz. To može biti približno onoliko koliko programer može dobiti s prihvaćenim otporom E96 i kondenzatorom E12.

Razmislite o situaciji koristeći zarez od 100 kHz:

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

KAO što se može vidjeti, rezultat izgleda pomalo kao znak, to se može dalje usmjeriti i približiti traženoj vrijednosti ako je kondenzator 1nF modificiran standardnim kondenzatorom vrijednosti E24, kao što je prikazano u nastavku:

f = 1 / 2π
x 4,42 k x 360 pF = 100,022 kHz, izgleda puno bolje

Korištenje kondenzatora verzije E24 većinu vremena može dovesti do znatno preciznijih središnjih frekvencija, no na neki način dobivanje količina serije E24 može biti skupa (i neprimjerena) režija u brojnim laboratorijima.

Iako bi u hipotezi moglo biti prikladno procijeniti vrijednosti kondenzatora E24, u stvarnom svijetu većina ih se teško uopće primjenjuje, kao i produženo vrijeme rada. Otkrićete manje složene sklonosti kupnji vrijednosti E24 kondenzatora.

Temeljitom procjenom slike 5 utvrđuje se da usjek umjereno propušta središnju frekvenciju. Pri manjim Q vrijednostima možete još uvijek znatno poništiti navedenu frekvenciju usjeka.

U slučaju da odbijanje nije zadovoljavajuće, možda ćete htjeti doraditi usječni filter.

Ponovno, razmišljajući o scenariju od 100 kHz, opažamo da je reakcija oko 100 kHz produžena na slici 6.

Kolekcija valnih oblika lijevo i desno od središnje frekvencije (100,731 kHz) odgovara reakcijama filtra, nakon što se potenciometar od 1 kΩ postavi i dotjera u koracima od 1%.

Svaki put kad je potenciometar podešen na pola, usječeni filtar odbija frekvencije na točno određenoj frekvenciji jezgre.

Stupanj simuliranog usjeka zapravo je reda od 95 dB, međutim to se jednostavno ne bi trebalo ostvariti u fizičkom entitetu.

Preusmjeravanje potenciometra od 1% stavlja usjek koji obično prelazi 40 dB ravno na željenu frekvenciju.

Još jednom, ovo je stvarno možda najbolji scenarij kada se radi s idealnim komponentama, ali laboratorijski podaci pokazuju preciznije na nižim frekvencijama (10 i 100 kHz).

Slika 6 određuje da na samom početku trebate postići mnogo bliže preciznoj frekvenciji s R0 i C0. Kako bi potenciometar mogao ispraviti frekvencije u opsežnom spektru, dubina ureza mogla bi se smanjiti.

U skromnom opsegu (± 1%), može se postići odbijanje loše frekvencije 100: 1, unatoč povećanom rasponu (± 10%), moguće je samo odbijanje 10: 1.

Rezultati laboratorija

Provedena je ploča za procjenu THS4032 za sastavljanje sklopa na slici 4.

To je zapravo struktura opće namjene koja koristi samo 3 kratkospojnika zajedno s tragom kako bi finalizirala krug.

Primijenjene su količine komponenata u tablici 1., počevši od onih koje bi vjerojatno ispustile frekvenciju od 1 MHz.

Motiv je bio loviti propise o širini pojasa / brzini pojave na 1 MHz i provjeravati na pristupačnijim ili višim frekvencijama po potrebi.

Rezultati na 1 MHz

Slika 7 označava da na 1 MHz možete dobiti određeni broj reakcija propusnosti i / ili brzine pojave. Reakcijski valni oblik na Q od 100 pokazuje samo mreškanje u kojem može biti prisjek.

Kod Q od 10 postoji samo usjek od 10 dB, a pri Q od 1 je usjek od 30 dB.

Čini se da usječeni filtri nisu u stanju postići tako visoku frekvenciju kao što bismo vjerojatno očekivali, no THS4032 je jednostavno uređaj od 100 MHz.

Prirodno je predvidjeti vrhunsku funkcionalnost komponenata s poboljšanom širinom pojasa s jedinstvenim pojačanjem. Stabilnost jedinstvenog dobitka je kritična iz razloga što Fliegeova topologija nosi fiksni dobitak jedinstva.

Kad se tvorac nada da će točno odrediti koja je širina pojasa bitna za urez na određenoj frekvenciji, pravo mjesto za postizanje je kombinacija pojačanja / širine pojasa kako je predstavljena u tehničkom listu, a to bi trebalo biti sto puta više od središnje frekvencije ureza.

Za povećane vrijednosti Q može se očekivati ​​dopunska širina pojasa. Možete pronaći stupanj frekvencijskog odstupanja središta ureza kako je Q modificiran.

To je potpuno isto kao i prijelaz frekvencije primijećen kod propusnih filtara.

Frekvencijski prijelaz je niži za usječene filtre koji se primjenjuju na rad na 100 kHz i 10 kHz, kako je prikazano na slici 8 i na kraju na slici 10.

Podaci na 100 kHz

Količine dijelova iz tablice 1. naknadno su navikle uspostaviti usječne filtre od 100 kHz s različitim Qs.

Podaci su predstavljeni na slici 8. Izgleda odmah kristalno jasno da su izvodljivi usječni filtri obično razvijeni sa središnjom frekvencijom od 100 kHz, unatoč činjenici da je dubina ureza znatno manja kod većih vrijednosti Q.

Međutim, imajte na umu da je ovdje naveden konfiguracijski cilj 100 kHz, a ne 97 kHz.

Vrijednosti dijelova koje su se poželjele bile su iste kao i za simulaciju, stoga središnja frekvencija usjeka mora biti tehnički na 100,731 kHz, unatoč tome utjecaj se opisuje komponentama koje su uključene u dizajn laboratorija.

Prosječna vrijednost asortimana kondenzatora od 1000 pF iznosila je 1030 pF, a asortimana otpornika od 1,58 kΩ 1,583 kΩ.

Svaki put kad se središnja frekvencija izrađuje pomoću ovih vrijednosti, ona doseže 97,14 kHz. Usprkos tome, konkretni dijelovi teško bi se mogli utvrditi (ploča je bila izuzetno osjetljiva).

Pod uvjetom da su kondenzatori ekvivalentni, možda je lako povećati ih pomoću nekih konvencionalnih vrijednosti otpora E96 kako bi se postigli rezultati stroži na 100 kHz.

Nepotrebno je reći da ovo najvjerojatnije ne bi moglo biti alternativa u velikoserijskoj proizvodnji, gdje 10% kondenzatori mogu potjecati iz gotovo bilo kojeg paketa i vjerojatno različitih proizvođača.

Odabir središnjih frekvencija bit će prema tolerancijama R0 i C0, što je loša vijest u slučaju da postane potreban visoki Q zarez.

Postoje 3 metode suočavanja s tim:

Kupite otpornike i kondenzatore veće preciznosti

minimizirati Q specifikaciju i zadovoljiti se manjim odbijanjem neželjene frekvencije ili

fino podesiti strujni krug (koji je naknadno razmatran).

Trenutno se čini da je sklop personaliziran za primanje Q od 10 i potenciometar od 1 kΩ integriran za podešavanje središnje frekvencije (kao što je prikazano na slici 4).

U stvarnom rasporedu poželjna vrijednost potenciometra trebala bi biti malo veća od potrebnog raspona kako bi što je moguće više pokrila cijeli raspon središnjih frekvencija, čak i uz najgori slučaj tolerancija R0 i C0.

To u ovom trenutku nije postignuto, jer je ovo bio primjer za analizu potencijala, a 1 kΩ je bila najkonkurentnija kvaliteta potenciometra dostupna u laboratoriju.

Kada je sklop podešen i podešen za središnju frekvenciju od 100 kHz, kao što je prikazano na slici 9, razina usjeka pala je sa 32 dB na 14 dB.

Imajte na umu da bi se ova dubina usjeka mogla dramatično poboljšati pružanjem preliminarnog f0 čvršće do najbolje prikladne vrijednosti.

Namjera je da se potenciometar namjesti na isključivo skromno područje središnjih frekvencija.

Međutim, odbijanje neželjene frekvencije 5: 1 zaslužno je i moglo bi biti vrlo primjereno za mnoge upotrebe. Daleko presudniji programi nesumnjivo mogu zahtijevati preciznije dijelove.

Ograničenja opsega optičkog pojačala koja mogu dodatno pogoršati podešenu veličinu usjeka, također mogu biti odgovorna za zaustavljanje što manjeg mogućeg stupnja usjeka. Imajući to na umu, krug je ponovno podešen za središnju frekvenciju od 10 kHz.

Rezultati na 10 kHz

Slika 10 utvrđuje da se dolina usjeka za Q od 10 povećala na 32 dB, što bi moglo biti ono što možete predvidjeti iz središnje frekvencije od 4% od simulacije (slika 6).

Opamp je bez sumnje smanjio dubinu usjeka na središnjoj frekvenciji od 100 kHz! Zarez od 32 dB otkazivanje je 40: 1, što bi moglo biti razumno pristojno.

Stoga, unatoč dijelovima koji su stvorili preliminarnu pogrešku od 4%, bilo je lako izbiti 32-dB zarez na najtraženijoj središnjoj frekvenciji.

Neugodna vijest je činjenica da je za izbjegavanje ograničenja propusnosti opampa najveća moguća zarezna frekvencija koja se može zamisliti sa opamperom od 100 MHz približno 10 i 100 kHz.

Kada je riječ o usječenim filtrima, 'velika brzina' se prema tome smatra izvornom na stotinama kiloherca.

Izvrsna praktična primjena za usječene filtre od 10 kHz su AM (srednjevalni) prijemnici, u kojima nosač iz susjednih postaja generira glasno vrištanje od 10 kHz u zvuku, posebno tijekom noći. Ovo bi sigurno moglo nekome ići na živce dok je ugađanje kontinuirano.

Slika 11 prikazuje odabrani audio spektar stanice bez primjene i korištenja usjeka od 10 kHz. Primijetite da je šum od 10 kHz najglasniji dio pokupljenog zvuka (slika 11a), iako je ljudsko uho znatno manje osjetljivo na njega.

Taj je raspon zvuka snimljen noću na obližnjoj stanici koja je primila nekoliko moćnih postaja s obje strane. FCC odredbe dopuštaju određena odstupanja nosača stanica.

Iz tog razloga, skromne zamke u nositeljskoj frekvenciji dviju susjednih postaja vjerojatno će stvoriti zvuk od 10 kHz heterodinima, pojačavajući dosadno iskustvo slušanja.

Kad god je implementiran notch filter (slika 11b), ton od 10 kHz minimiziran je na odgovarajuću razinu kao ona susjedne modulacije. Nadalje, na audio spektru se mogu uočiti 20-kHz nosači od stanica udaljenih 2 kanala i 16-kHz ton od prekooceanske postaje.

To općenito nije velika briga, jer ih prijemnik IF znatno umanjuje. Frekvencija od oko 20 kHz u većini slučajeva može biti nečujna.

Reference: