Obwody filtrów wycinających ze szczegółami konstrukcyjnymi

W tym artykule przeprowadzimy szczegółową dyskusję dotyczącą projektowania filtrów wycinających z precyzyjną częstotliwością środkową i maksymalnym oddziaływaniem.

Gdzie używany jest filtr wycinający

Obwody filtrów wycinających są zwykle używane do tłumienia, niwelowania lub anulowania określonego zakresu częstotliwości w celu uniknięcia irytujących lub niepożądanych zakłóceń w konfiguracji obwodu.

Jest szczególnie przydatny w czułym sprzęcie audio, takim jak wzmacniacze, odbiorniki radiowe, w których pojedyncza lub wybrana liczba niepożądanych częstotliwości zakłócających musi być wyeliminowana w prosty sposób.

Filtry z aktywnymi wycięciami były aktywnie wykorzystywane we wcześniejszych dziesięcioleciach we wzmacniaczach i aplikacjach audio w celu eliminacji zakłóceń przydźwiękowych 50 i 60 Hz. Sieci te były nieco niewygodne z punktu widzenia dostrojenia, równowagi i spójności częstotliwości środkowej (f0).

Wraz z wprowadzeniem nowoczesnych, szybkich wzmacniaczy, konieczne stało się stworzenie kompatybilnych, szybkich filtrów wycinających, które można by zastosować do obsługi filtracji o wysokiej częstotliwości z wycięciem z wydajną szybkością.

Tutaj spróbujemy zbadać możliwości i związaną z nimi złożoność związaną z tworzeniem filtrów wysokotonowych.

Ważne cechy

Zanim zagłębimy się w ten temat, najpierw podsumujmy ważne cechy, które mogą być ściśle wymagane podczas projektowania proponowanych filtrów wysokoobrotowych.

1) Stromość zerowej głębokości wskazana w symulacji na rysunku 1 może nie być praktycznie wykonalna, najbardziej efektywne osiągalne wyniki nie mogą przekraczać 40 lub 50 dB.

2) Dlatego należy rozumieć, że bardziej znaczącym czynnikiem, który należy poprawić, jest częstotliwość środkowa i Q, a projektant powinien skupić się na tym zamiast na głębokości wcięcia. Głównym celem przy projektowaniu filtra wycinającego powinien być poziom odrzucenia niepożądanej częstotliwości zakłócającej, musi on być optymalny.

3) Powyższy problem można optymalnie rozwiązać, preferując najlepsze wartości dla komponentów R i C, które można zaimplementować prawidłowo używając kalkulatora RC pokazanego w Odniesieniu 1, który może być użyty do odpowiedniego zidentyfikowania R0 i C0 dla konkretną aplikację do projektowania filtrów wycinających.

Poniższe dane pozwolą zbadać i pomóc zrozumieć projektowanie niektórych ciekawych topologii filtrów wycinających:

Filtr Notch Twin-T

Konfiguracja filtra Twin-T pokazana na rysunku 3 wygląda dość interesująco ze względu na dobre działanie i zaangażowanie w projekt tylko jednego wzmacniacza operacyjnego.

Schematyczny

Chociaż powyżej wskazany obwód filtra wycinającego jest dość wydajny, może mieć pewne wady ze względu na ekstremalną prostotę, jaką ma, jak podano poniżej:

Konstrukcja wykorzystuje 6 precyzyjnych komponentów do dostrojenia, z których kilka do uzyskania współczynników pozostałych. Jeśli trzeba uniknąć tej komplikacji, obwód może wymagać włączenia 8 dodatkowych elementów precyzyjnych, takich jak R0 / 2 = 2nos z R0 równolegle i 2 do C0 = 2 nosy C0 równolegle.

Topologia Twin-T nie działa łatwo z pojedynczymi zasilaczami i nie jest zgodna z pełnoprawnymi wzmacniaczami różnicowymi.

Zakres wartości rezystorów stale rośnie ze względu na RQ<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Jednak nawet przy powyższych kłopotach, jeśli użytkownikowi uda się zoptymalizować projekt za pomocą wysokiej jakości precyzyjnych komponentów, można oczekiwać i wdrożyć dość skuteczną filtrację dla danego zastosowania.

Filtr Fly Notch

Rysunek 4 przedstawia projekt filtra Fliege Notch, który identyfikuje kilka wyraźnych zalet w porównaniu z odpowiednikiem Twin-T, jak opisano poniżej:

1) Zawiera tylko kilka precyzyjnych komponentów w postaci R i C, aby zapewnić dokładne dostrojenie częstotliwości środkowej.

2) Istotnym aspektem tego projektu jest to, że dopuszcza niewielkie niedokładności w komponentach i ustawieniach bez wpływu na głębokość punktu wycięcia, chociaż częstotliwość środkowa może się nieco zmienić.

3) Znajdziesz kilka rezystorów odpowiedzialnych za dyskretne określanie częstotliwości środkowej, których wartości mogą nie być ekstremalnie krytyczne

4) Konfiguracja umożliwia ustawienie częstotliwości środkowej w dość wąskim zakresie bez znaczącego wpływu na głębokość wycięcia.

Jednak negatywną stroną tej toplogii jest użycie dwóch wzmacniaczy operacyjnych, a mimo to nie nadaje się do użytku ze wzmacniaczami różnicowymi.

Wyniki symulacji

Symulacje były początkowo wykonywane przy użyciu najbardziej odpowiednich wersji opampów. Prawdziwe wersje opampów zostały wkrótce zastosowane, co przyniosło wyniki porównywalne z wynikami wykrytymi w laboratorium.

Tabela 1 przedstawia wartości składowe, które zostały wykorzystane na schemacie na rysunku 4. Wydawało się, że nie ma sensu przeprowadzać symulacji przy 10 MHz lub powyżej, głównie dlatego, że testy laboratoryjne były zasadniczo przeprowadzane jako rozruch, a 1 MHz wiodąca częstotliwość, przy której należało zastosować filtr wycinający.

Słowo dotyczące kondensatorów : Pomimo faktu, że pojemność jest tylko „liczbą” dla symulacji, rzeczywiste kondensatory są projektowane z unikalnych elementów dielektrycznych.

Dla 10 kHz, rozciągnięcie wartości rezystora obligowało kondensator do wartości 10 nF. Chociaż to zadziałało poprawnie w wersji demonstracyjnej, wymagało to zmiany w laboratorium z dielektryka NPO na dielektryk X7R, co spowodowało, że filtr wycinający całkowicie opadł wraz ze swoją funkcją.

Specyfikacje zastosowanych kondensatorów 10-nF miały bardzo zbliżone wartości, w wyniku czego spadek głębokości karbu był głównie spowodowany złym dielektrykiem. Obwód został zmuszony do powrotu do warunków dla Q = 10 i zastosowano 3-MΩ dla R0.

W przypadku obwodów w świecie rzeczywistym zaleca się przestrzeganie kondensatorów NPO. Wartości wymagań w tabeli 1 uznano za dobry wybór zarówno w symulacjach, jak i podczas rozwoju laboratorium.

Na początku symulacje były wykonywane bez potencjometru 1-kΩ (dwa stałe rezystory 1-kΩ były skojarzone z synchronizacją i nieodwracającym wejściem dolnego wzmacniacza operacyjnego).

Wyjścia demonstracyjne przedstawiono na rysunku 5. Na rysunku 5 znajdziesz 9 wyników, jednak może się okazać, że przebiegi na wartość Q nakładają się na inne częstotliwości.

Obliczanie częstotliwości środkowej

Częstotliwość środkowa w każdych okolicznościach jest umiarkowanie wyższa od docelowej struktury 10 kHz, 100 kHz lub 1 MHz. Może to być tak bliskie, jak tylko deweloper może uzyskać z zaakceptowanym rezystorem E96 i kondensatorem E12.

Pomyśl o sytuacji z wycięciem 100 kHz:

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

Jak widać, wynik wygląda nieco na znak, można to jeszcze bardziej usprawnić i zbliżyć do wymaganej wartości, jeśli kondensator 1nF zostanie zmodyfikowany standardowym kondensatorem o wartości E24, jak pokazano poniżej:

f = 1 / 2π
x 4,42k x 360 pF = 100,022 kHz, wygląda znacznie lepiej

Użycie kondensatorów w wersji E24 może przez większość czasu zapewnić znacznie dokładniejsze częstotliwości środkowe, ale w jakiś sposób uzyskanie wielkości serii E24 może być kosztownym (i nadmiernym) narzutem w wielu laboratoriach.

Chociaż oszacowanie wartości kondensatorów E24 w hipotezie może być wygodne, w rzeczywistości większość z nich prawie nigdy nie jest wdrażana, a także mają wydłużony czas pracy z nimi związany. Odkryjesz mniej skomplikowane preferencje dotyczące zakupu wartości kondensatorów E24.

Dokładna ocena z fig. 5 wskazuje, że wycięcie omija częstotliwość środkową w niewielkim stopniu. Przy mniejszych wartościach Q można znaleźć nadal znaczną redukcję określonej częstotliwości karbu.

Jeśli odrzucenie nie jest zadowalające, możesz dostosować filtr wycinający.

Znowu, rozważając scenariusz 100 kHz, obserwujemy, że reakcja wokół 100 kHz jest wydłużona na rysunku 6.

Zbieranie przebiegów po lewej i prawej stronie częstotliwości środkowej (100,731 kHz) odpowiada reakcjom filtra, gdy potencjometr 1-kΩ jest ustawiony i dostrojony w krokach co 1%.

Za każdym razem, gdy potencjometr jest dostrojony do połowy, filtr wycinający odrzuca częstotliwości z dokładną częstotliwością rdzenia.

Stopień symulowanego wycięcia jest w rzeczywistości rzędu 95 dB, jednak po prostu nie powinno się to urzeczywistniać w jednostce fizycznej.

Wyrównanie potencjometru o 1% powoduje wprowadzenie wycięcia, które zwykle przekracza 40 dB na wprost preferowanej częstotliwości.

Ponownie, to naprawdę może być najlepszy scenariusz, gdy zostanie wykonany z idealnymi komponentami, niemniej jednak dane laboratoryjne wykazują większą dokładność przy niższych częstotliwościach (10 i 100 kHz).

Rysunek 6 wskazuje, że musisz osiągnąć znacznie bliżej dokładnej częstotliwości z R0 i C0 na samym początku. Ponieważ potencjometr może być w stanie korygować częstotliwości w szerokim zakresie, głębokość wycięcia może się zmniejszyć.

W niewielkim zakresie (± 1%) można osiągnąć tłumienie złej częstotliwości 100: 1, niemniej w zwiększonym zakresie (± 10%) możliwe jest tylko odrzucenie 10: 1.

Wyniki laboratoryjne

Zaimplementowano płytkę ewaluacyjną THS4032 w celu złożenia obwodu na rysunku 4.

W rzeczywistości jest to struktura ogólnego przeznaczenia wykorzystująca zaledwie 3 zworki wraz z trasą do sfinalizowania obwodu.

Zastosowano ilości składowe z tabeli 1, zaczynając od tych, które prawdopodobnie spowodowałyby wytworzenie częstotliwości 1 MHz.

Motywem było poszukiwanie regulacji szerokości pasma / szybkości narastania przy 1 MHz i sprawdzanie bardziej przystępnych lub wyższych częstotliwości w razie potrzeby.

Wyniki przy 1 MHz

Rysunek 7 pokazuje, że można uzyskać szereg reakcji o określonej szerokości pasma i / lub szybkości narastania przy 1 MHz. Przebieg reakcji przy Q równym 100 wykazuje tylko tętnienie, w którym może występować karb.

Przy Q równym 10 istnieje tylko wycięcie 10 dB i wycięcie 30 dB przy Q 1.

Wygląda na to, że filtry wycinające nie są w stanie osiągnąć tak wysokiej częstotliwości, jak byśmy się tego spodziewali, niemniej jednak THS4032 jest po prostu urządzeniem 100 MHz.

Naturalne jest oczekiwanie lepszej funkcjonalności od komponentów o ulepszonej przepustowości jedności. Stabilność wzmocnienia jedności jest krytyczna, ponieważ topologia Fliege zapewnia stały przyrost jedności.

Kiedy twórca ma nadzieję dokładnie oszacować, jakie pasmo jest niezbędne dla wycięcia na określonej częstotliwości, właściwym miejscem do zrobienia jest kombinacja wzmocnienia / przepustowości, jak przedstawiono w arkuszu danych, która powinna być sto razy większa od częstotliwości środkowej wycięcia.

W przypadku zwiększonych wartości Q można oczekiwać dodatkowej przepustowości. Możesz znaleźć stopień odchylenia częstotliwości środka wcięcia, gdy Q jest modyfikowane.

Jest to dokładnie to samo, co zmiana częstotliwości zauważona dla filtrów pasmowoprzepustowych.

Zmiana częstotliwości jest niższa dla filtrów wycinających zastosowanych do pracy przy 100 kHz i 10 kHz, jak przedstawiono na rysunku 8 i ostatecznie na rysunku 10.

Dane przy 100 kHz

Ilości części z tabeli 1 były następnie przyzwyczajane do ustalenia filtrów wycinających 100 kHz z różnymi Qs.

Dane przedstawiono na Rysunku 8. Od razu wydaje się, że krystalicznie jasne, że działające filtry wycinające są zwykle opracowywane z częstotliwością środkową 100 kHz, pomimo faktu, że głębokość wycięcia jest znacznie mniejsza przy wyższych wartościach Q.

Należy jednak pamiętać, że wymieniony tutaj cel konfiguracji to wycięcie 100 kHz, a nie 97 kHz.

Preferowane wartości części były takie same, jak w przypadku symulacji, stąd środkowa częstotliwość wcięcia musi być technicznie równa 100,731 kHz, niemniej jednak wpływ jest określony przez komponenty uwzględnione w projekcie laboratorium.

Średnia wartość zestawu kondensatorów 1000 pF wynosiła 1030 pF, a zestawu rezystorów 1,58 kΩ 1,583 kΩ.

Za każdym razem, gdy częstotliwość środkowa jest wyliczana przy użyciu tych wartości, dochodzi do 97,14 kHz. Mimo to trudno było określić poszczególne części (płyta była niezwykle wrażliwa).

Pod warunkiem, że kondensatory są równoważne, może być łatwo uzyskać wyższą wartość za pomocą niektórych konwencjonalnych wartości rezystora E96, aby uzyskać wyniki dokładniejsze do 100 kHz.

Nie trzeba dodawać, że najprawdopodobniej nie jest to alternatywa w produkcji wielkoseryjnej, gdzie 10% kondensatorów mogłoby pochodzić z praktycznie dowolnego opakowania i prawdopodobnie od różnych producentów.

Dobór częstotliwości środkowych będzie odbywał się zgodnie z tolerancjami R0 i C0, co jest złą wiadomością na wypadek, gdyby konieczne było zastosowanie wycięcia o wysokim Q.

Istnieją 3 metody radzenia sobie z tym:

Kup rezystory i kondensatory o wyższej precyzji

zminimalizować specyfikację Q i zadowolić się mniejszym odrzucaniem niepożądanej częstotliwości lub

dostroić obwód (rozważano to później).

W tej chwili wydaje się, że obwód jest spersonalizowany, aby odbierać Q 10 i zintegrowany potencjometr 1-kΩ do strojenia częstotliwości środkowej (jak pokazano na rysunku 4).

W rzeczywistym układzie preferowana wartość potencjometru powinna być nieco większa niż wymagany zakres, aby w jak największym stopniu pokryć pełny zakres częstotliwości środkowych, nawet w najgorszym przypadku tolerancji R0 i C0.

Na tym etapie nie udało się tego osiągnąć, ponieważ był to przykład analizy potencjałów, a 1 kΩ był najbardziej konkurencyjną jakością potencjometru dostępną w laboratorium.

Gdy obwód został wyregulowany i dostrojony do częstotliwości środkowej 100 kHz, jak przedstawiono na rysunku 9, poziom wycięcia spadł z 32 dB do 14 dB.

Należy pamiętać, że tę głębokość wycięcia można by radykalnie zwiększyć, zapewniając wstępne wzmocnienie f0 do najbardziej odpowiedniej wartości.

Potencjometr jest przeznaczony do podkręcania wyłącznie w niewielkim obszarze częstotliwości środkowych.

Jednak odrzucenie niepożądanej częstotliwości 5: 1 jest godne uznania i może być bardzo dobre dla wielu zastosowań. O wiele ważniejsze programy mogą niezaprzeczalnie wymagać części o wyższej precyzji.

Ograniczenia przepustowości wzmacniacza operacyjnego, które mogą dodatkowo obniżyć dostrojoną wielkość wycięcia, mogą również być odpowiedzialne za powstrzymanie stopnia wycięcia od tak małego, jak to tylko możliwe. Mając to na uwadze, obwód ponownie wyregulowano na częstotliwość środkową 10 kHz.

Wyniki przy 10 kHz

Rysunek 10 pokazuje, że dolina wycięcia dla Q 10 wzrosła do 32 dB, co może wynikać z tego, co można przewidzieć na podstawie częstotliwości środkowej 4% niższej od symulacji (Rysunek 6).

Wzmacniacz operacyjny bez wątpienia zmniejszał głębokość wycięcia przy częstotliwości środkowej 100 kHz! Wycięcie 32 dB to redukcja 40: 1, co może być całkiem przyzwoite.

Dlatego pomimo części, które wygenerowały wstępny błąd 4%, łatwo było uzyskać wycięcie 32 dB przy najbardziej pożądanej częstotliwości środkowej.

Nieprzyjemną wiadomością jest fakt, że aby ominąć ograniczenia przepustowości wzmacniacza operacyjnego, najwyższa możliwa częstotliwość wycięcia, jaką można sobie wyobrazić przy 100-MHz opampie, wynosi około 10 i 100 kHz.

Jeśli chodzi o filtry wycinające, „high speed” jest odpowiednio uważany za autentyczny przy około setkach kiloherców.

Doskonałym praktycznym zastosowaniem filtrów notch 10 kHz są odbiorniki AM (fale średnie), w których nośna z sąsiednich stacji generuje głośny pisk 10 kHz w audio, szczególnie w nocy. To z pewnością może działać na nerwy, gdy dostrajanie jest ciągłe.

Rysunek 11 przedstawia odebrane widmo audio stacji bez użycia i stosowania wycięcia 10 kHz. Zauważ, że szum 10 kHz jest najgłośniejszą częścią odbieranego dźwięku (Rysunek 11a), mimo że ucho ludzkie jest na niego znacznie mniej podatne.

Ten zakres audio został przechwycony w nocy na pobliskiej stacji, która otrzymała kilka potężnych stacji po obu stronach. Przepisy FCC dopuszczają pewną różnorodność nośników stacji.

Z tego powodu niewielkie pułapki w częstotliwości nośnej dwóch sąsiednich stacji mogą sprawić, że szumy 10 kHz będą heterodynowe, zwiększając irytujące wrażenia słuchowe.

Za każdym razem, gdy stosowany jest filtr wycinający (rysunek 11b), ton 10 kHz jest minimalizowany do poziomu dopasowania, jak w sąsiedniej modulacji. Ponadto w widmie audio można zaobserwować nośne 20 kHz ze stacji oddalonych o 2 kanały oraz ton 16 kHz ze stacji transatlantyckiej.

Zwykle nie są to duże problemy, ponieważ są znacznie tłumione przez odbiornik IF. Częstotliwość około 20 kHz może być niesłyszalna dla przytłaczającej większości osób w obu przypadkach.

Bibliografia: