Zarezna filtrirna vezja s podrobnostmi o zasnovi

V tem članku gremo skozi podrobno razpravo o tem, kako oblikovati zarezne filtre z natančno sredinsko frekvenco in za največji učinek.

Kjer se uporablja zarezni filter

Zarezna filtrirna vezja se običajno uporabljajo za zatiranje, izničenje ali preklic določenega frekvenčnega območja, da bi se izognili motečim ali neželenim motnjam v konfiguraciji vezja.

Posebej postane uporaben v občutljivi zvočni opremi, kot so ojačevalniki, radijski sprejemniki, kjer je treba enostavno ali izbrano število neželenih motečih frekvenc odpraviti s preprostimi sredstvi.

Aktivni zarezni filtri so se v prejšnjih desetletjih aktivno uporabljali za ojačevalnike in zvočne programe za odpravljanje motenj med 50 in 60 Hz. Ta omrežja so bila sicer nekoliko nerodna s stališč uglaševanja, uravnoteženosti in skladnosti osrednje frekvence (f0).

Z uvedbo sodobnih visokohitrostnih ojačevalnikov je postalo nujno treba ustvariti združljive visokohitrostne zarezne filtre, ki jih je mogoče uporabiti za učinkovito obdelavo visokofrekvenčnih zareznih frekvenc.

Tu bomo poskusili raziskati možnosti in s tem povezane zapletenosti, povezane z izdelavo visoko zareznih filtrov.

Pomembne značilnosti

Preden se poglobimo v temo, najprej povzamemo pomembne značilnosti, ki so morda nujno potrebne pri oblikovanju predlaganih visokohitrostnih zareznih filtrov.

1) Strmina ničelne globine, ki je navedena na simulaciji na sliki 1, morda praktično ni izvedljiva, najučinkovitejši dosegljivi rezultati ne smejo biti nad 40 ali 50 dB.

2) Zato je treba razumeti, da sta najpomembnejša dejavnika, ki ga je treba izboljšati, sredinska frekvenca in Q, oblikovalec pa se mora namesto na globino zareze osredotočiti na to. Glavni cilj pri izdelavi zasnove zareznega filtra mora biti stopnja zavrnitve neželene moteče frekvence, ki mora biti optimalna.

3) Zgornjo težavo je mogoče optimalno rešiti tako, da dajemo prednost najboljšim vrednostim za komponente R in C, kar lahko izvedemo s pravilno uporabo kalkulatorja RC, prikazanega v sklicu 1, ki ga lahko uporabimo za ustrezno identifikacijo vrednosti R0 in C0 za posebno zasnovo filtra za uporabo.

Naslednji podatki bodo raziskali in pomagali razumeti oblikovanje nekaterih topologij filtrov z zarezo:

Twin-T zarezni filter

Konfiguracija filtra Twin-T, prikazana na sliki 3, je zaradi svoje dobre zmogljivosti in sodelovanja samo enega opampa videti precej zanimiva.

Shema

Čeprav je zgoraj navedeno zarezno filtrirno vezje razmeroma učinkovito, bi lahko bilo zaradi neučinkovitosti, kot je navedeno spodaj, izredno preprosto:

Zasnova uporablja 6 natančnih komponent za njegovo nastavitev, pri čemer nekaj teh za doseganje razmerij drugih. Če se je treba temu zapletu izogniti, lahko vezje zahteva vključitev 8 dodatnih natančnih komponent, na primer R0 / 2 = 2nos R0 vzporedno in 2 v C0 = 2 števili C0 vzporedno.

Topologija Twin-T ne deluje zlahka z enim napajalnikom in ni v skladu s polnopravnimi diferencialnimi ojačevalniki.

Območje vrednosti uporov se zaradi RQ povečuje<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Kljub zgoraj navedenim težavam pa, če uporabniku uspe optimizirati zasnovo z visokokakovostnimi natančnimi komponentami, lahko pričakujemo in izvedemo razmeroma učinkovito filtracijo za določeno aplikacijo.

Fly Notch filter

Na sliki 4 je prikazana zasnova filtra Fliege Notch, ki opredeljuje nekaj posebnih prednosti v primerjavi s primerkom Twin-T, kot je opisano spodaj:

1) Vključuje le nekaj natančnih komponent v obliki Rs in Cs, da se doseže natančna nastavitev centralne frekvence.

2) Eden pomembnih vidikov te zasnove je ta, da dopušča rahle netočnosti znotraj komponent in nastavitev, ne da bi to vplivalo na globino zarezne točke, čeprav bi se lahko sredinska frekvenca nekoliko spremenila.

3) Našli boste nekaj uporov, ki so odgovorni za diskretno določanje sredinske frekvence, katerih vrednosti morda niso izredno kritične

4) Konfiguracija omogoča nastavitev osrednje frekvence z razmeroma ozkim obsegom, ne da bi vplivala na globino zareze do pomembne ravni.

Negativna stvar te tologije pa je uporaba dveh opampov, vendar z diferencialnimi ojačevalniki še vedno ni uporabna.

Rezultati simulacij

Simulacije so bile sprva izvedene z najprimernejšimi različicami opampa. Resnične verzije opampov so bile kmalu zatem uporabljene, kar je prineslo rezultate, primerljive z rezultati v laboratoriju.

Tabela 1 prikazuje vrednosti komponent, ki so bile uporabljene za shemo na sliki 4. Zdi se, da ni smiselno izvajati simulacij pri 10 MHz ali več, predvsem zato, ker so bili laboratorijski testi v bistvu izvedeni kot zagon, 1 MHz pa vodilna frekvenca, kjer je bilo treba uporabiti zarezni filter.

Beseda glede kondenzatorjev : Kljub temu, da je kapacitivnost zgolj 'število' za simulacije, so pravi kondenzatorji zasnovani iz edinstvenih dielektričnih elementov.

Za 10 kHz je raztezanje vrednosti upora kondenzator zahtevalo vrednost 10 nF. Čeprav je bilo to v triku pravilno izvedeno, je v laboratoriju zahteval prilagoditev z NPO dielektrika na dielektrik X7R, zaradi česar je zarezni filter s svojo funkcijo popolnoma padel.

Specifikacije uporabljenih 10-nF kondenzatorjev so bile v neposredni bližini vrednosti, zato je bil upad globine zareze v glavnem posledica slabega dielektrika. Vezje se je bilo prisiljeno vrniti v spoštovanje za Q = 10 in uporabljen je bil 3-MΩ za R0.

Za realna vezja je priporočljivo upoštevati NPO kondenzatorje. Vrednosti zahtev v tabeli 1 so veljale za dobro izbiro tako pri simulacijah kot pri razvoju laboratorija.

Na začetku so bile simulacije izvedene brez potenciometra 1-kΩ (dva fiksna upora 1-kΩ sta bila sinhronizirana posebej in z neinvertirnim vhodom spodnjega opampa).

Predstavitveni izhodi so predstavljeni na sliki 5. Na sliki 5 boste našli 9 rezultatov, vendar lahko opazite, da se valovne oblike na vrednost Q prekrivajo s tistimi na drugih frekvencah.

Izračunavanje sredinske frekvence

Osrednja frekvenca je v vseh okoliščinah zmerno nad strukturnim ciljem 10 kHz, 100 kHz ali 1 MHz. To je lahko tako blizu, kot ga lahko dobi razvijalec s sprejetim uporom E96 in kondenzatorjem E12.

Razmislite o situaciji z zarezo 100 kHz:

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

Kot je razvidno, je rezultat videti nekoliko označen, to je mogoče še bolj poenostaviti in približati zahtevani vrednosti, če je kondenzator 1nF spremenjen s standardnim kondenzatorjem vrednosti E24, kot je prikazano spodaj:

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

Uporaba kondenzatorjev različice E24 lahko v večini primerov prinese bistveno natančnejše sredinske frekvence, vendar je lahko pridobivanje količin serije E24 nekako drago (in neupravičeno) režijski stroški v številnih laboratorijih.

Čeprav bi lahko bilo primerno oceniti vrednosti kondenzatorjev E24 v hipotezi, se v resnici večina teh komaj kdaj izvede, pa tudi podaljšani čas delovanja je povezan z njimi. Odkrili boste manj zapletene nastavitve za nakup vrednosti kondenzatorjev E24.

Poglobljena ocena slike 5 ugotavlja, da zareza zmerno pogreša osrednjo frekvenco. Pri manjših vrednostih Q lahko še vedno občutno prekličete določeno frekvenco zareze.

Če zavrnitev ni zadovoljiva, boste morda želeli prilagoditi zarezni filter.

Spet nazaj, ko razmišljamo o scenariju 100 kHz, opazimo, da je reakcija okoli 100 kHz razširjena na sliki 6.

Zbir valovnih oblik levo in desno od sredinske frekvence (100,731 kHz) ustreza filtrirnim reakcijam, ko je potenciometer 1-kΩ nameščen in nastavljen v korakih po 1%.

Vsakič, ko je potenciometer nastavljen na polovico, zarezni filter zavrne frekvence z natančno frekvenco jedra.

Stopnja simulirane zareze je v resnici približno 95 dB, vendar se to v fizični entiteti preprosto ne bi smelo uresničiti.

1-odstotna poravnava potenciometra postavi zarezo, ki običajno presega 40 dB, naravnost na želeno frekvenco.

Še enkrat, to je res lahko najboljši scenarij, če naredimo z idealnimi komponentami, kljub temu pa laboratorijski podatki kažejo natančnejše pri nižjih frekvencah (10 in 100 kHz).

Slika 6 določa, da morate na samem začetku z R0 in C0 doseči precej bližje natančni frekvenci. Ker potenciometer lahko popravi frekvence v obsežnem spektru, se lahko globina zareze poslabša.

V skromnem območju (± 1%) lahko dosežemo zavrnitev slabe frekvence 100: 1, kljub temu pa v povečanem območju (± 10%), izvedljiva je le zavrnitev 10: 1.

Rezultati laboratorija

Za sestavljanje vezja na sliki 4 je bila izvedena ocenjevalna plošča THS4032.

Pravzaprav gre za splošno namensko strukturo, ki uporablja le 3 skakalce skupaj s sledmi, da zaključi vezje.

Uporabljene so bile količine komponent v tabeli 1, začenši s tistimi, ki bi verjetno izpuščale frekvenco 1 MHz.

Motiv je bil loviti predpise o pasovni širini / hitrosti ubiranja pri 1 MHz in po potrebi preverjati na cenovno ugodnejših ali višjih frekvencah.

Rezultati pri 1 MHz

Slika 7 pomeni, da lahko pri 1 MHz dosežete številne specifične pasovne širine in / ali reakcije hitrosti obračanja. Reakcijska valovna oblika pri Q 100 kaže le valovanje, kjer je lahko zareza.

Pri Q 10 obstaja le 10-dB zareza in 30-dB zareza pri Q 1.

Zdi se, da zarezni filtri ne morejo doseči tako visoke frekvence, kot bi verjetno pričakovali, kljub temu pa je THS4032 preprosto 100-MHz naprava.

Seveda je pričakovati vrhunsko funkcionalnost komponent z izboljšano pasovno širino z enakim dobičkom. Stabilnost enotnega dobička je ključnega pomena, ker topologija Fliege nosi fiksni dobiček enotnosti.

Ko ustvarjalec upa, da bo natančno približal pasovno širino, ki je bistvena za zarezo na določeni frekvenci, je pravi kraj kombinacija dobiček / pasovna širina, kot je predstavljena v obrazcu, ki bi morala biti stokrat večja od osrednje frekvence zareze.

Za povečane vrednosti Q bi lahko pričakovali dodatno pasovno širino. Ko spremenite Q, lahko ugotovite stopnjo frekvenčnega odstopanja središča zareze.

To je popolnoma enako kot frekvenčni prehod, opažen pri pasovnih filtrih.

Frekvenčni prehod je nižji za zarezne filtre, ki delujejo pri 100 kHz in 10 kHz, kot je prikazano na sliki 8 in sčasoma na sliki 10.

Podatki pri 100 kHz

Delne količine iz tabele 1 so bile nato navajene, da vzpostavijo 100-kHz zarezne filtre z različnimi Q-ji.

Podatki so predstavljeni na sliki 8. Videti je takoj kristalno jasno, da so uporabni zarezni filtri običajno razviti s sredinsko frekvenco 100 kHz, kljub temu da je pri večjih vrednostih Q globina zareza bistveno manjša.

Upoštevajte pa, da je tukaj naveden konfiguracijski cilj 100 kHz in ne 97 kHz zarez.

Prednostne vrednosti delov so bile enake kot pri simulaciji, zato mora biti sredinska frekvenca zareze tehnično 100,731 kHz, kljub temu pa vpliv določajo komponente, vključene v laboratorijsko zasnovo.

Povprečna vrednost asortimana kondenzatorjev 1000 pF je bila 1030 pF, asortimana uporov 1,58 kΩ pa 1,583 kΩ.

Vsakič, ko se s pomočjo teh vrednosti izračuna sredinska frekvenca, doseže 97,14 kHz. Konkretnih delov kljub temu skorajda ni bilo mogoče določiti (tabla je bila izredno občutljiva).

Pod pogojem, da so kondenzatorji enakovredni, je lahko z nekaterimi običajnimi vrednostmi uporov E96 enostavno doseči višje rezultate, da dosežemo tesnejše rezultate na 100 kHz.

Ni treba posebej poudarjati, da to najverjetneje ne bi bilo alternativa v obsežni proizvodnji, kjer bi 10-odstotni kondenzatorji lahko izvirali iz skoraj vseh paketov in verjetno različnih proizvajalcev.

Izbira srednjih frekvenc bo v skladu z dovoljenimi odstopanji R0 in C0, kar je slaba novica, če bo potrebna visoka stopnja Q.

Obstajajo trije načini za spopadanje s tem:

Kupite visoko natančne upore in kondenzatorje

minimizirajte specifikacijo Q in se zadovoljite z manjšo zavrnitvijo neželene frekvence oz

natančno prilagodi vezje (o čemer smo razmišljali pozneje).

Zdaj se zdi, da je vezje personalizirano tako, da prejme Q 10 in potenciometer 1-kΩ, integriran za uravnavanje sredinske frekvence (kot je prikazano na sliki 4).

V resnični postavitvi bi morala biti prednostna vrednost potenciometra malo večja od zahtevanega obsega, da bi kar najbolj pokrila celoten obseg srednjih frekvenc, tudi ob najslabših tolerancah R0 in C0.

To v tem trenutku še ni bilo doseženo, ker je bil to primer za analizo potencialov in 1 kΩ je bila najbolj konkurenčna kakovost potenciometra, ki je bila dostopna v laboratoriju.

Ko je bilo vezje prilagojeno in nastavljeno na sredinsko frekvenco 100 kHz, kot je prikazano na sliki 9, se je stopnja zareze poslabšala z 32 dB na 14 dB.

Upoštevajte, da bi lahko to globino zareze dramatično povečali tako, da bi predhodno f0 zaostrili na najprimernejšo vrednost.

Potenciometer naj bi bil nastavljen na izključno skromno območje sredinskih frekvenc.

Vendar je zavrnitev neželene frekvence 5: 1 verodostojna in bi lahko bila primerna za mnoge uporabe. Veliko bolj ključni programi lahko nedvomno zahtevajo natančnejše dele.

Omejitve pasovne širine op amp, ki lahko dodatno poslabšajo nastavljeno velikost zareze, so lahko odgovorne tudi za to, da stopnja zareze ne postane čim manjša. Ob upoštevanju tega je bilo vezje spet prilagojeno za sredinsko frekvenco 10 kHz.

Rezultati pri 10 kHz

Slika 10 določa, da se je dolina zareze za Q 10 povečala na 32 dB, kar lahko pričakujete iz osrednje frekvence, ki je za 4% od simulacije predvidena (slika 6).

Opamp je nedvomno zmanjšal globino zareze pri sredinski frekvenci 100 kHz! 32-dB zareza je odpoved 40: 1, kar bi lahko bilo primerno.

Kljub delom, ki so ustvarili predhodno 4-odstotno napako, je bilo enostavno iztisniti 32-dB zarezo pri najbolj iskani sredinski frekvenci.

Neprijetna novica je dejstvo, da je za izogibanje omejitvam pasovne širine opampa najvišja možna zarezna frekvenca, ki si jo lahko zamislimo s 100-MHz opampom, približno 10 in 100 kHz.

Kar zadeva zarezne filtre, se zato šteje, da je 'hitra' resnična pri približno sto kilohercih.

Odlična praktična aplikacija za 10-kHz zarezne filtre so sprejemniki AM (srednje valovi), pri katerih nosilec s sosednjih postaj v zvoku, zlasti ponoči, ustvari glasno krikanje 10 kHz. To bi zagotovo lahko šlo na živce, medtem ko je uglaševanje neprekinjeno.

Slika 11 prikazuje izbrani zvočni spekter postaje brez uporabe in uporabe 10-kHz zareze. Upoštevajte, da je 10-kHz hrup najbolj glasen del zajetega zvoka (slika 11a), čeprav je človeško uho zanj bistveno manj dovzetno.

Ta zvočni obseg je bil posnet ponoči na bližnji postaji, ki je sprejela nekaj močnih postaj na obeh straneh. Določbe FCC dovoljujejo določeno odstopanje postajnih prevoznikov.

Zaradi tega bodo zaradi skromnih pasti nosilne frekvence obeh sosednjih postaj 10-kHz zvoki heterodinski, kar bo povečalo nadležno poslušanje.

Vsakič, ko je nameščen zarezni filter (slika 11b), je ton 10 kHz minimiziran na nivo ujemanja kot nivo sosednje modulacije. Poleg tega je v zvočnem spektru mogoče opaziti 20-kHz nosilce od postaj, oddaljenih 2 kanala, in 16-kHz ton od čezatlantske postaje.

To na splošno ni velika skrb, saj jih sprejemnik IF močno oslabi. V obeh primerih velika večina posameznikov morda ne sliši frekvence približno 20 kHz.

Reference: