Obvody zářezového filtru s konstrukčními detaily

V tomto článku projdeme podrobnou diskusi o tom, jak navrhnout zářezové filtry s přesnou středovou frekvencí a pro maximální dopad.

Kde se používá zářezový filtr

Obvody se zářezovým filtrem se obvykle používají k potlačení, zrušení nebo zrušení konkrétního rozsahu frekvencí, aby se zabránilo nepříjemnému nebo nežádoucímu rušení v konfiguraci obvodu.

Specificky se stává užitečným v citlivých zvukových zařízeních, jako jsou zesilovače, rádiové přijímače, kde je zapotřebí jednoduchým způsobem eliminovat jeden nebo vybraný počet nežádoucích interferujících frekvencí.

Aktivní zářezové filtry se v dřívějších desetiletích aktivně používaly pro zesilovače a zvukové aplikace k eliminaci rušení 50- a 60-Hz. Tyto sítě byly, i když poněkud trapné, z hlediska ladění, vyvážení a konzistence středního zářezu frekvence (f0).

Se zavedením moderních vysokorychlostních zesilovačů se stalo nezbytností vytvořit kompatibilní vysokorychlostní zářezové filtry, které by mohly být použity pro efektivní vysokorychlostní zářezovou frekvenční filtraci.

Zde se pokusíme prozkoumat možnosti a související složitosti spojené s vytvářením filtrů vysokého stupně.

Důležité vlastnosti

Než se ponoříme do předmětu, nejprve shrňme důležité charakteristiky, které mohou být přísně vyžadovány při navrhování navrhovaných vysokorychlostních zářezových filtrů.

1) Strmost nulové hloubky, která je naznačena v simulaci obrázku 1, nemusí být prakticky možná, nejúčinnější dosažitelné výsledky by neměly být vyšší než 40 nebo 50 dB.

2) Proto je třeba si uvědomit, že významnějším faktorem, který je třeba zlepšit, je střední frekvence a Q, a návrhář by se měl zaměřit na to místo hloubky zářezu. Hlavním cílem při vytváření zářezového filtru by měla být úroveň odmítnutí nežádoucí rušivé frekvence, která musí být optimální.

3) Výše ​​uvedený problém lze vyřešit optimálně upřednostňováním nejlepších hodnot pro komponenty R a C, které lze implementovat správným použitím kalkulačky RC zobrazené v referenci 1, kterou lze použít pro příslušnou identifikaci R0 a C0 pro konkrétní aplikace navrhující zářezový filtr.

Následující data prozkoumají a pomohou pochopit návrh některých topologií intersetujících zářezových filtrů:

Twin-T zářezový filtr

Konfigurace filtru Twin-T zobrazená na obrázku 3 vypadá docela zajímavě díky svému dobrému výkonu a zapojení jediného operačního zesilovače do designu.

Schematické

Ačkoli výše uvedený obvod filtru se zářezem je přiměřeně efektivní, může mít určité nevýhody kvůli extrémní jednoduchosti, kterou nese, jak je uvedeno níže:

Konstrukce využívá k vyladění 6 přesných komponent, přičemž pár z nich pro dosažení poměrů ostatních. Pokud je nutné se této komplikaci vyhnout, může obvod vyžadovat zahrnutí dalších 8 přesných komponent, jako je R0 / 2 = 2nos R0 paralelně a 2 do C0 = 2 nosy C0 paralelně.

Topologie Twin-T nefunguje snadno s jednotlivými napájecími zdroji a nevyhovuje plnohodnotným diferenciálním zesilovačům.

Rozsah hodnot rezistorů se díky RQ neustále zvyšuje<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Avšak i při výše zmíněných potížích, pokud se uživateli podaří optimalizovat design pomocí vysoce kvalitních přesných komponent, lze očekávat a implementovat přiměřeně efektivní filtraci pro danou aplikaci.

Filtr Fly Notch

Obrázek 4 ukazuje design filtru Fliege Notch, který identifikuje několik odlišných výhod ve srovnání s protějškem Twin-T, jak je popsáno níže:

1) Zahrnuje jen několik přesných komponent ve formě R a C, aby bylo možné provést přesné vyladění středové frekvence.

2) Jedním z pozoruhodných aspektů tohoto návrhu je, že umožňuje nepatrné nepřesnosti v rámci komponent a nastavení, aniž by to ovlivnilo hloubku bodu zářezu, i když se střední frekvence může podle toho trochu změnit.

3) Najdete několik rezistorů odpovědných za diskrétní určení střední frekvence, jejichž hodnoty nemusí být extrémně kritické

4) Konfigurace umožňuje nastavení středové frekvence s přiměřeně úzkým rozsahem bez ovlivnění hloubky zářezu na významnou úroveň.

Negativem této topologie je však použití dvou operačních zesilovačů, a přesto se stává nepoužitelným pro diferenciální zesilovače.

Výsledky simulací

Simulace byly zpočátku prováděny s nejvhodnějšími verzemi operačních zesilovačů. Brzy poté byly použity skutečné verze operačních zesilovačů, které generovaly výsledky srovnatelné s výsledky zjištěnými v laboratoři.

Tabulka 1 ukazuje hodnoty komponent, které byly použity pro schéma na obrázku 4. Zdálo se, že nemá smysl provádět simulace na nebo nad 10 MHz hlavně proto, že laboratorní testy byly v zásadě prováděny jako spuštění a 1 MHz byl hlavní frekvence, kde bylo třeba použít zářezový filtr.

Slovo týkající se kondenzátorů : Navzdory skutečnosti, že kapacita je pouze „číslem“ pro simulace, skutečné kondenzátory jsou navrženy z jedinečných dielektrických prvků.

Pro 10 kHz hodnota hodnoty odporu odporovala kondenzátor na hodnotu 10 nF. Ačkoli to v ukázce fungovalo správně, vyžadovalo to úpravu z dielektrika NPO na dielektrikum X7R v laboratoři, což způsobilo, že filtr zářezu s jeho funkcí zcela poklesl.

Specifikace použitých kondenzátorů 10-nF byly v těsné blízkosti hodnoty, v důsledku čehož pokles hloubky vrubu byl způsoben hlavně kvůli špatnému dielektriku. Obvod byl nucen vrátit se k respektům pro Q = 10 a byl použit 3-MΩ pro R0.

U obvodů reálného světa je vhodné dodržovat kondenzátory NPO. Hodnoty požadavků v tabulce 1 byly považovány za dobrou volbu stejně při simulacích i při vývoji laboratoře.

Na začátku byly simulace prováděny bez potenciometru 1 kΩ (dva pevné rezistory 1 kΩ byly přidruženy konkrétně synchronizovaně a k neinvertujícímu vstupu dolního operačního zesilovače).

Demo výstupy jsou uvedeny na obrázku 5. Na obrázku 5 najdete 9 výsledků, na obou frekvencích se však mohou překrývat průběhy vln na hodnotu Q.

Výpočet střední frekvence

Střední frekvence je za jakýchkoli okolností mírně nad objektivním cílem 10 kHz, 100 kHz nebo 1 MHz. To může být tak blízko, jak to může vývojář získat s akceptovaným odporem E96 a kondenzátorem E12.

Přemýšlejte o situaci pomocí zářezu 100 kHz:

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

Jak je vidět, výsledek vypadá mírně jako značka, lze jej dále zefektivnit a přiblížit k požadované hodnotě, pokud je kondenzátor 1nF upraven standardním kondenzátorem hodnoty E24, jak je ukázáno níže:

f = 1 / 2π
x 4,42k x 360 pF = 100,022 kHz, vypadá mnohem lépe

Použití kondenzátorů verze E24 může po většinu času přinést podstatně přesnější střední frekvence, přesto by získání množství sériových E24 mohlo být v mnoha laboratořích nákladnou (a nepřiměřenou) režií.

I když by mohlo být vhodné hodnotit hodnoty kondenzátoru E24 v hypotéze, v reálném světě je většina z nich stěží někdy implementována a má s nimi prodlouženou dobu běhu. Objevíte méně komplikované preference nákupu hodnot kondenzátoru E24.

Důkladné vyhodnocení obrázku 5 určuje, že zářezu chybí střední frekvence o skromné ​​množství. Při nižších hodnotách Q najdete stále značné zrušení zadané frekvence zářezu.

Pokud odmítnutí není uspokojivé, možná budete chtít vyladit zářezový filtr.

Znovu, uvažujeme o scénáři 100 kHz, pozorujeme, že reakce kolem 100 kHz je na obrázku 6 prodloužena.

Shromažďování křivek nalevo a napravo od střední frekvence (100,731 kHz) odpovídá filtračním reakcím, jakmile je potenciometr 1 kΩ umístěn a vyladěn v krocích po 1%.

Pokaždé, když je potenciometr naladěn do poloviny, filtr zářezu odmítne frekvence s přesnou frekvencí jádra.

Stupeň simulovaného zářezu je ve skutečnosti řádově 95 dB, ale to se ve fyzické entitě jednoduše předpokládat nemusí.

1% přeladění potenciometru umístí zářez, který obvykle přesahuje 40 dB přímo na preferovanou frekvenci.

Opět platí, že toto může být nejlepší scénář, pokud je provedeno s ideálními součástmi, nicméně laboratorní data jsou přesnější při nižších frekvencích (10 a 100 kHz).

Obrázek 6 určuje, že musíte dosáhnout mnohem blíže přesné frekvenci pomocí R0 a C0 na samém začátku. Vzhledem k tomu, že potenciometr může být schopen napravit frekvence v širokém spektru, mohla by se hloubka zářezu snížit.

Ve skromném rozsahu (± 1%) lze dosáhnout odmítnutí špatné frekvence 100: 1, ve zvýšeném rozsahu (± 10%) je však možné pouze odmítnutí 10: 1.

Laboratorní výsledky

Pro sestavení obvodu na obrázku 4 byla implementována vyhodnocovací deska THS4032.

Je to vlastně struktura pro všeobecné použití, která používá pouze 3 propojky a traceto dokončí obvod.

Použily se množství složek v tabulce 1, počínaje těmi, které by pravděpodobně vyvinuly frekvenci 1 MHz.

Motivem bylo hledat regulaci šířky pásma / rychlosti přenosu na 1 MHz a podle potřeby kontrolovat dostupnější nebo vyšší frekvence.

Výsledky při 1 MHz

Obrázek 7 znamená, že můžete získat řadu specifických reakcí na šířku pásma a / nebo rychlost přeběhu na 1 MHz. Reakční křivka při Q 100 vykazuje pouze zvlnění, kde může být přítomen zářez.

Při Q 10 existuje pouze 10-dB zářez a 30-dB zářez při Q 1.

Zdá se, že zářezové filtry nejsou schopny dosáhnout tak vysoké frekvence, jakou bychom pravděpodobně očekávali, nicméně THS4032 je jednoduše 100-MHz zařízení.

Je přirozené očekávat vynikající funkčnost komponent s vylepšenou šířkou pásma jednoty a zisku. Stabilita zisku jednoty je zásadní z toho důvodu, že topologie Fliege nese pevný zisk jednoty.

Když tvůrce doufá, že přesně přiblíží, jaká šířka pásma je nezbytná pro zářez na konkrétní frekvenci, je správným místem kombinace zisku / šířky pásma, jak je uvedeno v datovém listu, což by mělo být stonásobek střední frekvence zářezu.

Pro zvýšené hodnoty Q lze pravděpodobně očekávat doplňkovou šířku pásma. Při změně Q můžete najít stupeň frekvenční odchylky středu zářezu.

Je to přesně to samé, co si frekvenční přechod všiml u pásmových filtrů.

Frekvenční přechod je nižší u zářezových filtrů použitých pro práci při 100 kHz a 10 kHz, jak je uvedeno na obrázku 8 a případně na obrázku 10.

Data při 100 kHz

Množství dílů z tabulky 1 byla následně zvyklá na vytvoření zářezových filtrů 100 kHz s různými Qs.

Data jsou uvedena na obrázku 8. Vypadá to naprosto jasně, že funkční filtry zářezů jsou obvykle vyvíjeny se středovou frekvencí 100 kHz, a to navzdory skutečnosti, že hloubka zářezu je při vyšších hodnotách Q podstatně menší.

Pamatujte však, že zde uvedený konfigurační cíl je zářez 100 kHz, nikoli zářez 97 kHz.

Upřednostňované hodnoty dílů byly stejné jako pro simulaci, a proto je nutné, aby středová zářezová frekvence byla technicky na 100,731 kHz, nicméně vliv je vysvětlen pomocí komponent zahrnutých do návrhu laboratoře.

Průměrná hodnota sortimentu kondenzátorů 1000-pF byla 1030 pF a sortimentu rezistorů 1,58 kΩ byla 1,583 kΩ.

Kdykoli se pomocí těchto hodnot vypracuje střední frekvence, dosáhne 97,14 kHz. Konkrétní části se přesto nedaly určit (deska byla extrémně citlivá).

Za předpokladu, že kondenzátory jsou ekvivalentní, může být snadné dosáhnout vyšších hodnot některými konvenčními hodnotami rezistoru E96, aby bylo dosaženo výsledků těsnějších až 100 kHz.

Není nutné říkat, že by to pravděpodobně nebyla alternativa ve velkoobjemové výrobě, kde by 10% kondenzátory mohly pocházet prakticky z jakéhokoli balení a pravděpodobně od různých výrobců.

Volba středních frekvencí bude v souladu s tolerancemi R0 a C0, což je špatná zpráva pro případ, že bude nutný vysoký Q zářez.

Existují 3 způsoby, jak se s tím vyrovnat:

Kupte si přesnější rezistory a kondenzátory

minimalizovat specifikaci Q a spokojit se s menším odmítáním nežádoucí frekvence nebo

doladit obvod (o kterém se uvažovalo později).

Právě teď se obvod jeví jako přizpůsobený pro příjem Q 10 a integrovaného potenciometru 1 kΩ pro vyladění střední frekvence (jak je znázorněno na obrázku 4).

V reálném uspořádání by preferovaná hodnota potenciometru měla být o něco více, než je požadovaný rozsah, aby co nejvíce pokryl celý rozsah středních frekvencí, a to i při nejhorším případě tolerancí R0 a C0.

To se v tomto okamžiku nedosáhlo, protože to byl příklad při analýze potenciálu a 1 kΩ byla nejkonkurenceschopnější kvalita potenciometru dostupná v laboratoři.

Když byl obvod upraven a naladěn na střední frekvenci 100 kHz, jak je znázorněno na obrázku 9, úroveň zářezu poklesla z 32 dB na 14 dB.

Mějte na paměti, že tato hloubka zářezu by mohla být dramaticky vylepšena poskytnutím předběžné f0 těsnější na nejvhodnější hodnotu.

Potenciometr je určen k vyladění výhradně přes skromnou oblast středních frekvencí.

Odmítnutí nežádoucí frekvence 5: 1 je však důvěryhodné a mohlo by velmi dobře stačit pro mnoho využití. Mnohem důležitější programy mohou nepochybně vyžadovat součásti s vyšší přesností.

Omezení šířky pásma operačního zesilovače, která má schopnost dodatečně degradovat vyladěnou velikost zářezu, může být také zodpovědná za zastavení toho, aby stupeň zářezu nebyl tak malý, jak je to možné. S ohledem na to byl obvod znovu upraven na střední frekvenci 10 kHz.

Výsledky při 10 kHz

Obrázek 10 určuje, že zářezové údolí pro Q 10 se zvýšilo na 32 dB, což by mohlo být podle toho, co můžete očekávat od střední frekvence o 4% nižší než simulace (obrázek 6).

Operační zesilovač bezpochyby snižoval hloubku vrubu při střední frekvenci 100 kHz! Zářez 32 dB je zrušení 40: 1, což by mohlo být přiměřeně slušné.

Proto i přes součásti, které vytvořily předběžnou 4% chybu, bylo snadné vyvinout zářez 32 dB při nejhledanější střední frekvenci.

Nepříjemnou zprávou je skutečnost, že aby se zabránilo omezením šířky pásma operační zesilovače, je nejvyšší možná zářezová frekvence myslitelná pro operační zesilovač 100 MHz přibližně 10 a 100 kHz.

Pokud jde o zářezové filtry, je „vysokorychlostní“ odpovídajícím způsobem považována za skutečnou již kolem stovek kilohertů.

Vynikající praktickou aplikací pro zářezové filtry 10 kHz jsou přijímače AM (střední vlny), ve kterých nosič ze sousedních stanic generuje hlasitý výkřik 10 kHz ve zvuku, zejména v noci. To by jistě mohlo někomu vytrhnout nervy, zatímco ladění je kontinuální.

Obrázek 11 zobrazuje vyzvednuté zvukové spektrum stanice bez implementace a použití 10kHz zářezu. Všimněte si, že 10kHz šum je nejhlasitější částí zachyceného zvuku (obrázek 11a), i když je lidské ucho na něj podstatně méně náchylné.

Tento zvukový rozsah byl zachycen v noci na nedaleké stanici, která přijímala několik výkonných stanic na obou stranách. Ustanovení FCC povolují určité odchylky staničních dopravců.

Z tohoto důvodu je pravděpodobné, že mírné úskalí nosné frekvence dvou sousedních stanic způsobí 10-kHz zvuky heterodyne, což zvýší nepříjemný zážitek z poslechu.

Kdykoli je implementován zářezový filtr (obrázek 11b), je tón 10 kHz minimalizován na odpovídající úroveň jako sousední modulace. Na zvukovém spektru jsou dále pozorovatelné nosiče 20 kHz ze stanic vzdálených 2 kanály a tón 16 kHz od transatlantické stanice.

Obecně to není velký problém, protože jsou přijímačem IF značně oslabeny. Frekvence kolem 20 kHz může být v obou případech pro drtivou většinu jednotlivců neslyšitelná.

Reference: