Įpjovos filtro grandinės su išsamia konstrukcijos informacija

Šiame straipsnyje mes išsamiai aptariame, kaip suprojektuoti griovelių filtrus su tiksliu centro dažniu ir maksimaliu poveikiu.

Kur naudojami įpjovos filtrai

Įpjovos filtro grandinės paprastai naudojamos tam tikram dažnių diapazonui slopinti, anuliuoti ar panaikinti, kad būtų išvengta erzinančių ar nepageidaujamų trukdžių grandinės konfigūracijoje.

Tai specialiai tampa naudinga jautrioje garso įrangoje, tokioje kaip stiprintuvai, radijo imtuvai, kai paprastomis priemonėmis reikia pašalinti vieną ar pasirinktą skaičių nepageidaujamų trukdžių.

Ankstesniais dešimtmečiais aktyvūs įpjovos filtrai buvo aktyviai naudojami stiprintuvų ir garso programoms, siekiant pašalinti 50 ir 60 Hz garsų trukdžius. Šie tinklai, nors ir šiek tiek nepatogūs, vertinant centrinio įpjovos dažnio (f0) derinimą, pusiausvyrą ir nuoseklumą.

Įvedus šiuolaikinius greitaeigius stiprintuvus, tapo būtina sukurti suderinamus didelės spartos įstrižainės filtrus, kurie galėtų būti naudojami efektyviam greito įpjovos dažnio filtravimo procesui.

Čia mes pabandysime ištirti galimybes ir susijusius sudėtingumus, susijusius su aukšto lygio filtrų gamyba.

Svarbios charakteristikos

Prieš gilindamiesi į temą, pirmiausia apibendrinkime svarbias charakteristikas, kurių gali prireikti griežtai kuriant siūlomus greitaeigius filtrus.

1) Nulinio gylio, nurodyto 1 paveiksle, modeliavimas gali būti praktiškai neįmanomas, efektyviausi pasiekiami rezultatai gali būti ne didesni nei 40 arba 50 dB.

2) Todėl reikia suprasti, kad reikšmingesnis pagerintinas veiksnys yra centrinis dažnis ir Q, o dizaineris turėtų sutelkti dėmesį į tai, o ne įpjovos gylį. Kuriant įstrižainės filtrą, pagrindinis tikslas turėtų būti nepageidaujamo trukdančio dažnio atmetimo lygis, kuris turi būti optimalus.

3) Pirmiau pateiktą problemą galima išspręsti optimaliai teikiant pirmenybę geriausioms R ir C komponentų vertėms, kurias galima įgyvendinti teisingai naudojant 1 nuorodoje pateiktą RC skaičiuoklę, kuri gali būti naudojama tinkamai identifikuojant R0 ir C0 tam tikros įpjovos filtro projektavimo programa.

Šie duomenys bus ištirti ir padėti suprasti kai kurių tarpusavyje susijusių filtrų topologijų projektavimą:

„Twin-T“ išpjovos filtras

„Twin-T“ filtro konfigūracija, parodyta paveikslėlyje3, atrodo gana įdomi dėl savo gerų rezultatų ir tik vieno opampo dalyvavimo projekte.

Schema

Nors pirmiau nurodyta griovelio filtro grandinė yra pakankamai efektyvi, ji gali būti tam tikra nepalanki dėl itin paprasto, kaip nurodyta toliau:

Konstrukcijai pritaikyti naudojami 6 tikslūs komponentai, iš kurių pora pasiekia kitų santykius. Jei reikia vengti šios komplikacijos, grandinėje gali tekti įtraukti 8 papildomus tikslumo komponentus, tokius kaip R0 / 2 = 2nos R0 lygiagrečiai ir 2 į C0 = 2 nosis C0 lygiagrečiai.

„Twin-T“ topologija lengvai neveikia su atskirais maitinimo šaltiniais ir neatitinka pilnaverčių diferencialinių stiprintuvų.

Rezistoriaus verčių diapazonas nuolat didėja dėl RQ<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Tačiau net ir turint pirmiau minėtų rūpesčių, jei vartotojui pavyksta optimizuoti dizainą naudojant aukštos kokybės tikslius komponentus, galima tikėtis ir veiksmingai filtruoti konkrečią programą.

„Fly Notch“ filtras

4 paveiksle parodytas „Fliege Notch“ filtro dizainas, kuriame nurodomi keli atskiri pranašumai, palyginti su „Twin-T“ kolega, kaip aprašyta toliau:

1) Jame yra tik keli tikslūs komponentai R ir Cs pavidalu, kad būtų atliktas tikslus centrinio dažnio derinimas.

2) Vienas vertinamas šio dizaino aspektas yra tai, kad jis leidžia šiek tiek netikslumų komponentuose ir nustatymuose, nepaveikdamas įpjovos taško gylio, nors centrinis dažnis gali šiek tiek pasikeisti.

3) Rasite keletą rezistorių, atsakingų už diskretišką centrinio dažnio nustatymą, kurių vertės gali būti ne itin kritiškos

4) Konfigūracija leidžia nustatyti gana siaurą centrinį dažnį, nepaveikiant įpjovos gylio iki reikšmingo lygio.

Tačiau neigiamas šios topologijos dalykas yra dviejų opampų naudojimas, ir vis tiek jis netinka naudoti su diferencialiniais stiprintuvais.

Modeliavimo rezultatai

Iš pradžių modeliavimas buvo atliktas naudojant tinkamiausias „Opamp“ versijas. Netrukus buvo panaudotos tikroviškos „opamp“ versijos, kurių rezultatai buvo panašūs į nustatytus laboratorijoje.

1 lentelėje parodytos komponentų vertės, kurios buvo panaudotos 4 paveiksle pateiktai schemai. Atrodė, kad nėra prasmės atlikti modeliavimą 10 MHz ar didesniu dažniu, daugiausia todėl, kad laboratoriniai bandymai iš esmės buvo atliekami pradedant, o 1 MHz pagrindinis dažnis, kai reikėjo taikyti įpjovos filtrą.

Žodis apie kondensatorius Nepaisant to, kad talpa yra tik „skaičius“ modeliavimui, tikri kondensatoriai yra sukurti iš unikalių dielektrinių elementų.

10 kHz rezistoriaus vertės ištempimas įpareigojo kondensatorių 10 nF vertei. Nors demonstracijoje tai buvo triukas teisingai, laboratorijoje tai reikalavo pritaikyti NPO dielektriką į X7R dielektriką, dėl kurio išpjovos filtras visiškai sumažėjo.

Taikytų 10-nF kondensatorių specifikacijos buvo arti vertės, todėl išpjovos gylio sumažėjimą daugiausia nulėmė prasta dielektrika. Grandinė buvo priversta grįžti į Q = 10 pagarbą, o R0 buvo naudojama 3-MΩ.

Tikrojo pasaulio grandinėms patartina laikytis NPO kondensatorių. 1 lentelėje nurodytos reikalavimo vertės buvo laikomos tinkamu pasirinkimu tiek simuliacijose, tiek laboratorijoje.

Pradžioje modeliavimas buvo atliekamas be 1-kΩ potenciometro (du 1-kΩ fiksuoti rezistoriai buvo susieti sinchroniškai ir su apverstine apatinio opampo įvestimi).

Demonstraciniai išėjimai pateikti 5 paveiksle. 5 paveiksle rasite 9 rezultatus, tačiau galite pastebėti, kad Q vertės bangos formos sutampa su kitais dažniais.

Skaičiuojamas centro dažnis

Bet kokiomis aplinkybėmis centrinis dažnis yra vidutiniškai didesnis už 10 kHz, 100 kHz arba 1 MHz struktūros tikslą. Tai gali būti tiek pat, kiek kūrėjas gali įsigyti naudodamas priimtą E96 rezistorių ir E12 kondensatorių.

Pagalvokite apie situaciją naudodami 100 kHz įpjovą:

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

Kaip matome, rezultatas atrodo šiek tiek panašus į ženklą, jį galima dar labiau supaprastinti ir priartinti prie reikiamos vertės, jei 1nF kondensatorius modifikuojamas standartiniu E24 vertės kondensatoriumi, kaip parodyta žemiau:

f = 1 / 2π
x 4,42 k x 360 pF = 100,022 kHz, atrodo daug geriau

Naudojant „E24“ versijos kondensatorius, dažniausiai gaunami žymiai tikslesni centriniai dažniai, tačiau kažkaip E24 serijos kiekių gavimas gali būti brangios (ir nepagrįstos) pridėtinės išlaidos daugelyje laboratorijų.

Nors hipotezėje gali būti patogu įvertinti E24 kondensatoriaus vertes, realiame pasaulyje dauguma jų vargu ar yra įgyvendinami, taip pat prailgino jų veikimo laiką. Jūs atrasite mažiau sudėtingas pirmenybes pirkti E24 kondensatoriaus vertes.

Kruopštus 5 paveikslo įvertinimas nustato, kad įpjova praleidžia centrinį dažnį kukliai. Esant mažesnėms Q reikšmėms, vis tiek galite pastebimai atšaukti nurodytą įpjovos dažnį.

Jei atmetimas nėra patenkinamas, galite pakoreguoti griovelio filtrą.

Vėlgi, svarstydami 100 kHz scenarijų, pastebime, kad reakcija aplink 100 kHz pratęsta 6 paveiksle.

Bangos formų rinkinys į kairę ir į dešinę nuo centro dažnio (100,731 kHz) atitinka filtro reakcijas, kai 1 kΩ potenciometras yra pastatytas ir pakoreguotas 1% žingsniais.

Kiekvieną kartą, kai potenciometras sureguliuojamas pusiaukelėje, įpjovos filtras atmeta dažnius tiksliai nustatytu pagrindiniu dažniu.

Imituojamo įpjovos laipsnis iš tikrųjų yra maždaug 95 dB, tačiau tai tiesiog neturėtų įvykti fiziniame objekte.

1% potenciometro koregavimas padaro įpjovą, kuri paprastai viršija 40 dB tiesiai pagal pageidaujamą dažnį.

Vėlgi, tai gali būti geriausias scenarijus, kai tai daroma su idealiais komponentais, tačiau laboratorijos duomenys yra tikslesni žemesniais (10 ir 100 kHz) dažniais.

6 paveiksle nustatyta, kad jums reikia pasiekti daug arčiau tikslaus dažnio su R0 ir C0 pačioje pradžioje. Kadangi potenciometras gali ištaisyti dažnius plačiu spektru, gali sumažėti įpjovos gylis.

Kuklų diapazoną (± 1%) galima pasiekti blogo dažnio atmetimą 100: 1, vis dėlto didesniame diapazone (± 10%), tik 10: 1 atmetimas yra įmanomas.

Laboratorijos rezultatai

THS4032 vertinimo plokštė buvo įdiegta, kad būtų sujungta grandinė, pavaizduota 4 paveiksle.

Tai iš tikrųjų yra bendros paskirties struktūra, naudojant tik 3 džemperius kartu su traceto užbaigti grandinę.

Buvo taikomi 1 lentelėje pateikti komponentų kiekiai, pradedant nuo tų, kurie greičiausiai sukeltų 1 MHz dažnį.

Motyvas buvo medžioti pralaidumo / pralaidumo dažnio taisykles esant 1 MHz ir, jei reikia, tikrinti prieinamesniais arba aukštesniais dažniais.

Rezultatai esant 1 MHz dažniui

7 paveiksle parodyta, kad galite gauti daugybę specifinių dažnių juostos pločio ir (arba) greičio reakcijų esant 1 MHz dažniui. Reakcijos bangos forma, kai Q yra 100, rodo tik bangą, kurioje gali būti įpjova.

Esant Q 10, yra tik 10 dB įpjova, o 30 dB - Q 1.

Panašu, kad įstrižainės filtrai negali pasiekti tokio aukšto dažnio, kokio tikėtumėmės, nepaisant to, THS4032 yra tiesiog 100 MHz įrenginys.

Natūralu, kad iš komponentų, turinčių patobulintą „unit-gain“ pralaidumą, galima numatyti išskirtinį funkcionalumą. Vienybės įgijimo stabilumas yra labai svarbus dėl tos priežasties, kad Fliege topologija teikia fiksuotą vienybės laimėjimą.

Kai kūrėjas tikisi tiksliai apytiksliai nustatyti, koks pralaidumas yra būtinas tam tikro dažnio įpjovai, tinkama vieta eiti yra stiprinimo / pralaidumo derinys, pateiktas duomenų lape, kuris turėtų būti šimtu kartų didesnis už įpjovos centrinį dažnį.

Jei padidės Q vertės, gali būti tikimasi papildomo pralaidumo. Modifikavus Q, galite rasti įpjovos centro dažnio nuokrypio laipsnį.

Tai visiškai tas pats, kaip dažnių perėjimas, pastebėtas pralaidumo filtrams.

Kaip nurodyta 8 paveiksle ir galiausiai 10 paveiksle, dažnio perėjimas yra mažesnis, kai įstrižainės filtrai veikia 100 kHz ir 10 kHz dažniu.

Duomenys esant 100 kHz

Vėliau dalių kiekiai iš 1 lentelės buvo įpratę sukurti 100 kHz įpjovos filtrus su įvairiais Q.

Duomenys pateikti 8 paveiksle. Atrodo visiškai aišku, kad veikiantys įpjovos filtrai paprastai kuriami 100 kHz centriniu dažniu, nepaisant to, kad įpjovos gylis yra žymiai mažesnis esant didesnėms Q vertėms.

Tačiau nepamirškite, kad čia išvardytas konfigūracijos tikslas yra 100 kHz, o ne 97 kHz pjūvis.

Pageidaujamos dalių vertės buvo tokios pačios kaip ir modeliuojant, todėl įpjovos centrinis dažnis turi būti techniškai 100,731 kHz, nepaisant to, smūgį apibūdina komponentai, įtraukti į laboratorijos projektą.

Vidutinė 1000 pF kondensatorių asortimento vertė buvo 1030 pF, o 1,58 kΩ rezistorių - 1,583 kΩ.

Kiekvieną kartą, kai naudojant šias reikšmes nustatomas centrinis dažnis, jis pasiekia 97,14 kHz. Nepaisant to, konkrečių dalių sunku buvo nustatyti (lenta buvo itin jautri).

Jei kondensatoriai yra lygiaverčiai, gali būti lengva padidinti per kai kurias įprastas E96 varžos vertes, kad rezultatai būtų griežtesni iki 100 kHz.

Nereikia nė sakyti, kad tai greičiausiai nėra alternatyva didelės apimties gamyboje, kur 10% kondensatorių gali būti pagaminti iš praktiškai bet kokių pakuočių ir tikriausiai iš įvairių gamintojų.

Centriniai dažniai bus atrenkami atsižvelgiant į R0 ir C0 tolerancijas, o tai yra bloga žinia tuo atveju, jei prireiks aukšto Q laipsnio.

Yra 3 būdai, kaip su tuo susidoroti:

Pirkite didesnio tikslumo rezistorius ir kondensatorius

sumažinti Q specifikaciją ir tenkintis mažesniu nepageidaujamo dažnio atmetimu arba

tiksliai sureguliuoti grandinę (kuri buvo svarstoma vėliau).

Šiuo metu atrodo, kad grandinė yra pritaikyta gauti Q iš 10 ir 1 kΩ potenciometrą, integruotą centriniam dažniui sureguliuoti (kaip parodyta 4 paveiksle).

Realiame išdėstyme pageidaujama potenciometro vertė turėtų būti šiek tiek didesnė už reikalaujamą diapazoną, kad kuo labiau apimtų visą centrinių dažnių diapazoną, net esant blogiausiam R0 ir C0 tolerancijos atvejui.

Tai nebuvo padaryta šiuo metu, nes tai buvo pavyzdys analizuojant potencialą, o 1 kΩ buvo konkurencingiausia potenciometro kokybė, prieinama laboratorijoje.

Kai grandinė buvo sureguliuota ir sureguliuota 100 kHz centriniam dažniui, kaip nurodyta 9 paveiksle, įpjovos lygis sumažėjo nuo 32 dB iki 14 dB.

Turėkite omenyje, kad šį išpjovos gylį galima žymiai padidinti, jei preliminarus f0 bus griežtesnis ir tinkamiausias.

Potenciometrą ketinama pakoreguoti tik kukliame centrinių dažnių plote.

Tačiau nepageidaujamo dažnio atmetimas 5: 1 yra patikimas ir gali būti pakankamas daugeliui panaudojimo būdų. Kur kas svarbesnės programos gali neabejotinai reikalauti tikslesnių dalių.

Op amp dažnių juostos pločio apribojimai, galintys papildomai pabloginti sureguliuoto įpjovos dydį, taip pat gali būti atsakingi už tai, kad įstrižainės laipsnis netaptų kuo mažesnis. Turint tai omenyje, grandinė vėl buvo pritaikyta 10 kHz centriniam dažniui.

Rezultatai esant 10 kHz

10 paveiksle nustatyta, kad Q įpjovos slėnis 10 padidėjo iki 32 dB, tai gali būti tai, ko galite tikėtis iš centrinio dažnio, kuris yra 4% mažesnis už modeliavimą (6 pav.).

Opamp, be abejo, sumažino įpjovos gylį 100 kHz dažniu! 32 dB įpjova yra 40: 1 atšaukimas, kuris gali būti pakankamai padorus.

Taigi, nepaisant dalių, sukūrusių preliminarią 4% paklaidą, buvo lengva išardyti 32 dB įpjovą norimiausiu centriniu dažniu.

Nemaloni žinia yra tai, kad norint išvengti „opamp“ pralaidumo apribojimų, aukščiausias įmanomas įpjovos dažnis, kurį galima įsivaizduoti naudojant 100 MHz opampą, yra maždaug 10 ir 100 kHz.

Kalbant apie įstrižainės filtrus, „greitaeigis“ yra laikomas tikru, kai jis siekia apie šimtus kilohercų.

Puiki praktinė 10 kHz įstrižainės filtrų paskirtis yra AM (vidutinės bangos) imtuvai, kuriuose kaimyninių stočių nešėjas sukuria garsų 10 kHz garsą, ypač naktį. Tai, be abejo, gali sutrinti nervus, o derinimasis yra tęstinis.

11 paveiksle parodytas paimtas stoties garso spektras nenaudojant ir nenaudojant 10 kHz įpjovos. Atkreipkite dėmesį, kad 10 kHz triukšmas yra pats garsiausias paimamo garso skyrius (11a pav.), Nors žmogaus ausis jam iš esmės yra mažiau jautri.

Šis garso diapazonas buvo užfiksuotas naktį netoliese esančioje stotyje, kuri priėmė porą galingų stočių iš abiejų pusių. FCC nuostatos leidžia tam tikrus stočių vežėjų skirtumus.

Dėl šios priežasties dėl nedidelių dviejų kaimyninių stočių nešlio dažnio 10 kHz triukšmą gali sukelti heterodinas, padidindamas erzinančią klausymo patirtį.

Kai įdiegiamas įpjovos filtras (11b pav.), 10 kHz tonas sumažinamas iki atitikimo lygio, kaip ir gretimos moduliacijos. Be to, garso spektre galima pastebėti 20 kHz nešiklius iš stočių, esančių už 2 kanalų, ir 16 kHz garsą iš transatlantinės stoties.

Paprastai tai nėra didelis rūpestis, nes imtuvas juos gerokai susilpnina. Maždaug 20 kHz dažnis abiem atvejais gali būti negirdimas daugumai žmonių.

Nuorodos: