Зарезани кругови филтера са детаљима дизајна

У овом чланку пролазимо кроз детаљну дискусију о томе како дизајнирати зарезне филтере са прецизном централном фреквенцијом и за максимални утицај.

Где се користи зарезни филтер

Зарезани кругови филтера се обично користе за сузбијање, поништавање или поништавање одређеног опсега фреквенција како би се избегле досадне или нежељене сметње у конфигурацији кола.

То посебно постаје корисно у осетљивој аудио опреми као што су појачала, радио пријемници где се један или одабрани број нежељених ометајућих фреквенција мора уклонити једноставним средствима.

Активни зарезни филтри су се активно користили током ранијих деценија за појачала и аудио апликације за уклањање сметњи од 50 - и 60 Хз. Ове мреже су биле донекле незгодне са становишта подешавања, равнотеже и доследности централне зарезне фреквенције (ф0).

Увођењем модерних појачавача велике брзине постало је императив стварање компатибилних високофреквентних зарезних филтера који би се могли применити за ефикасно руковање брзом филтрирањем зареза.

Овде ћемо покушати да истражимо могућности и повезане сложености повезане са израдом висококвалитетних филтера.

Важне карактеристике

Пре него што се удубимо у тему, хајде да прво резимирамо важне карактеристике које могу бити строго потребне приликом дизајнирања предложених брзих зарезних филтера.

1) Стрмина нуле дубине која је назначена на симулацији на слици 1 можда није практично изводљива, најефикаснији достижни резултати могу бити не већи од 40 или 50 дБ.

2) Због тога се мора разумети да су значајнији фактор који треба побољшати централна фреквенција и К, а дизајнер би се требао усредсредити на ово уместо на дубину усека. Главни циљ приликом израде дизајна уреза са зарезом треба да буде ниво одбијања нежељене интерференцијске фреквенције, који мора бити оптималан.

3) Горе наведени проблем може се решити оптимално, преферирајући најбоље вредности за Р и Ц компоненте, што се може применити правилном употребом РЦ калкулатора приказаног у Референци 1, који се може користити за одговарајућу идентификацију Р0 и Ц0 за одређена апликација за пројектовање зарезног филтера.

Следећи подаци ће истражити и помоћи у разумевању дизајнирања неких интересантних топологија зарезних филтера:

Твин-Т Нотцх филтер

Конфигурација Твин-Т филтера приказана на слици3 изгледа прилично занимљиво због својих добрих перформанси и укључивања само једног опампа у дизајн.

Шема

Иако је горе наведено коло зарезног филтера прилично ефикасно, могло би имати одређене неповољности због крајње једноставности које носи, као што је дато у наставку:

Дизајн користи 6 прецизних компоненти за његово подешавање, при чему неколико ових за постизање односа осталих. Ако ову компликацију треба избећи, круг може захтевати укључивање 8 додатних прецизних компонената, као што су Р0 / 2 = 2нос од Р0 паралелно и 2 у Ц0 = 2 броја Ц0 паралелно.

Топологија Твин-Т не ради лако са појединачним изворима напајања и није у складу са пуноправним диференцијалним појачалима.

Распон вредности отпорника се повећава због РК<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Међутим, чак и са горе наведеним мукама, ако корисник успе да оптимизује дизајн висококвалитетним прецизним компонентама, може се очекивати и применити разумно ефикасна филтрација за дату апликацију.

Фли Нотцх филтер

Слика 4 указује на дизајн филтера Флиеге Нотцх, који идентификује неколико јасних предности у поређењу са Твин-Т колегом, како је описано у наставку:

1) Садржи само неколико прецизних компонената у облику Рс и Цс како би се постигло тачно подешавање централне фреквенције.

2) Један запажен аспект овог дизајна је тај што дозвољава нетачне нетачности у компонентама и подешавањима без утицаја на дубину тачке зареза, иако би се централна фреквенција могла мало променити у складу с тим.

3) Пронаћи ћете неколико отпорника одговорних за дискретно одређивање централне фреквенције чије вредности можда неће бити изузетно критичне

4) Конфигурација омогућава подешавање централне фреквенције са релативно уским дометом без утицаја на дубину зареза до значајног нивоа.

Међутим, негативна ствар у вези са овом темом је употреба два опампа, а опет и даље не постаје употребљива са диференцијалним појачалима.

Резултати симулација

Симулације су у почетку извршене најприкладнијим верзијама опампа. Ускоро су коришћене верзије стварних опампа, што је резултирало резултатима упоредивим са онима откривеним у лабораторији.

Табела 1 приказује вредности компонената које су стављене у употребу за шему на слици 4. Чинило се да нема смисла изводити симулације на или изнад 10 МХз, углавном зато што су лабораторијска испитивања у основи спроведена као старт-уп, а 1 МХз је водећа фреквенција на којој је требало применити зарезни филтер.

Реч у вези са кондензаторима : Упркос чињеници да је капацитивност само „број“ за симулације, стварни кондензатори су дизајнирани од јединствених диелектричних елемената.

За 10 кХз, растезање вредности отпорника кондензатор је захтевало вредност од 10 нФ. Иако је ово у демонстрацији урадило трик исправно, затражено је прилагођавање са НПО диелектрика на Кс7Р диелектрик у лабораторији, што је проузроковало да је нотцх филтер потпуно опао својом карактеристиком.

Спецификације примењених 10-нФ кондензатора биле су у непосредној близини вредности, што је резултирало смањењем дубине зареза углавном због лошег диелектрика. Круг је био присиљен да се врати на поштовање за К = 10, а 3-МΩ за Р0 је коришћен.

За кругове из стварног света, препоручљиво је придржавати се НПО кондензатора. Вредности захтева у Табели 1 сматране су добрим избором подједнако у симулацијама и у развоју лабораторија.

На почетку су симулације изведене без потенциометра од 1 кΩ (два фиксна отпорника од 1 кΩ повезана су посебно у синхронизацији и на неинвертујући улаз доњег опампа).

Демо излази су представљени на слици 5. На слици 5 наћи ћете 9 резултата, међутим можда ћете наћи да се таласни облици по К вредности преклапају са онима на осталим фреквенцијама.

Израчунавање централне фреквенције

Централна фреквенција је у било којим околностима умерено изнад структурног циља од 10 кХз, 100 кХз или 1 МХз. Ово може бити приближно онолико колико програмер може стећи са прихваћеним отпором Е96 и кондензатором Е12.

Размислите о ситуацији користећи зарез од 100 кХз:

ф = 1 / 2πР0Ц0 = 1 / 2π к 1.58к к 1нФ = 100.731 кХз

КАО што се види, резултат изгледа благо као знак, ово се може даље усмјерити и приближити траженој вриједности ако је кондензатор 1нФ модификован стандардним кондензатором вриједности Е24, као што је приказано у наставку:

ф = 1 / 2π
к 4,42 к к 360 пФ = 100,022 кХз, изгледа много боље

Коришћење кондензатора верзије Е24 већину времена може довести до знатно прецизнијих централних фреквенција, али на неки начин добијање количина серије Е24 може бити скупа (и непримерена) режија у бројним лабораторијама.

Иако би могло бити згодно проценити вредности Е24 кондензатора у хипотези, у стварном свету већина њих се ретко примењује, као и продужено време рада с њима. Открићете мање сложене преференције за куповину вредности кондензатора Е24.

Темељном проценом слике 5 утврђено је да зарез пропушта средишњу фреквенцију за умерен износ. При мањим вредностима К, можете наћи још увек значајно поништавање наведене фреквенције зареза.

У случају да одбијање није задовољавајуће, можда ћете желети да подесите зарезни филтер.

Вратимо се, размишљајући о сценарију од 100 кХз, примећујемо да је реакција око 100 кХз продужена на слици 6.

Колекција таласних облика лево и десно од централне фреквенције (100,731 кХз) одговара реакцијама филтера, након што се потенциометар од 1 кΩ постави и подеси у корацима од 1%.

Сваки пут када је потенциометар подешен на пола, усјечени филтер одбија фреквенције на тачно одређеној фреквенцији језгра.

Степен симулираног зареза је у ствари реда величине 95 дБ, међутим то једноставно не би требало да се оствари у физичком ентитету.

Преусмеравање потенциометра од 1% поставља зарез који обично прелази 40 дБ равно на жељену фреквенцију.

Још једном, ово је заиста можда најбољи сценарио када се ради са идеалним компонентама, али лабораторијски подаци показују прецизније на нижим фреквенцијама (10 и 100 кХз).

Слика 6 одређује да на самом старту треба да постигнете много ближе прецизној фреквенцији са Р0 и Ц0. Како би потенциометар могао исправити фреквенције у широком спектру, дубина уреза могла би се смањити.

У скромном опсегу (± 1%), може се постићи одбијање лоше фреквенције од 100: 1, али у повећаном опсегу (± 10%), могуће је само одбијање од 10: 1.

Лабораторијски резултати

Процењивачка плоча ТХС4032 је примењена за састављање кола на слици 4.

То је заправо структура опште намене која користи само 3 џампера заједно са трагом како би финализирала коло.

Примењене су количине компонената у Табели 1, почев од оних које би вероватно одашиљале фреквенцију од 1 МХз.

Мотив је био лов на пропусну опсег / брзину повећања брзине од 1 МХз и проверу на приступачнијим или вишим фреквенцијама по потреби.

Резултати на 1 МХз

Слика 7 означава да можете добити одређени број пропусних ширина и / или реакција брзине појаве на 1 МХз. Таласни облик реакције на К од 100 показује само таласање у коме може бити присутан зарез.

При К од 10 постоји само зарез од 10 дБ, а при К од 1 зарез од 30 дБ.

Чини се да зарезни филтри нису у стању да постигну тако високу фреквенцију као што бисмо вероватно предвидели, ипак ТХС4032 је једноставно уређај од 100 МХз.

Природно је очекивати супериорну функционалност компонената са побољшаном ширином појаса са јединственим појачањем. Стабилност јединственог добитка је критична из разлога што Флиегеова топологија носи фиксни добитак јединства.

Када се креатор нада да ће прецизно приближити ширину опсега која је од кључне важности за зарез на одређеној фреквенцији, право место где треба кренути је комбинација појачања / ширине опсега, као што је представљено у техничком листу, која би требала бити сто пута већа од средишње фреквенције зареза.

За повећане вредности К може се очекивати допунска ширина опсега. Можете да пронађете степен фреквенцијског одступања средишта зареза како се К мења.

Ово је потпуно исто као прелаз фреквенције примећен за опсежне филтере.

Прелаз фреквенције је нижи за зарезне филтере који се примењују на рад на 100 кХз и 10 кХз, како је приказано на слици 8 и на крају на слици 10.

Подаци на 100 кХз

Делимичне количине из Табеле 1 су накнадно навикле да успоставе зарезне филтере од 100 кХз са различитим Кс.

Подаци су представљени на слици 8. Изгледа одмах кристално јасно да су изводљиви зарезни филтри обично развијени са централном фреквенцијом од 100 кХз, упркос чињеници да је дубина зареза знатно мања код већих вредности К.

Међутим, имајте на уму да је овде наведен циљ конфигурације 100 кХз, а не 97 кХз.

Вредности делова које су пожељне биле су исте као и за симулацију, па стога средишња фреквенција зареза треба да буде технички на 100,731 кХз, а ипак утицај описују компоненте укључене у дизајн лабораторије.

Просечна вредност асортимана кондензатора од 1000 пФ износила је 1030 пФ, а асортимана отпорника од 1,58 кΩ 1,583 кΩ.

Сваки пут када се централна фреквенција разради помоћу ових вредности, она достиже 97,14 кХз. Конкретни делови, упркос томе, тешко би могли да се утврде (табла је била изузетно осетљива).

Под условом да су кондензатори еквивалентни, можда ће бити лако повећати их помоћу неких конвенционалних вредности отпорника Е96 да би се постигли резултати строжи на 100 кХз.

Непотребно је рећи да ово највероватније не би могло бити алтернатива у великосеријској производњи, где кондензатори од 10% могу потицати из практично било ког пакета и вероватно од различитих произвођача.

Избор централних фреквенција биће у складу са толеранцијама Р0 и Ц0, што је лоша вест у случају да висок К зарез постане неопходан.

Постоје 3 методе за решавање овога:

Купите отпорнике и кондензаторе веће прецизности

минимизирати К спецификацију и задовољити се мањим одбацивањем нежељене фреквенције или

фино подесити струјни круг (који је накнадно разматран).

Тренутно се чини да је коло персонализовано да прими К од 10 и потенциометар од 1 кΩ интегрисан за подешавање централне фреквенције (као што је приказано на слици 4).

У стварном распореду, пожељна вредност потенциометра требала би бити мало већа од потребног опсега да би што је могуће више покрила читав опсег централних фреквенција чак и са најгорим случајевима толеранција Р0 и Ц0.

То у овом тренутку није постигнуто, јер је ово био пример за анализу потенцијала, а 1 кΩ је био најконкурентнији квалитет потенциометра доступан у лабораторији.

Када је коло подешено и подешено за централну фреквенцију од 100 кХз као што је приказано на слици 9, ниво зареза се смањио са 32 дБ на 14 дБ.

Имајте на уму да би се ова дубина зареза могла драматично побољшати пружањем прелиминарног ф0 чвршће до најбоље прикладне вредности.

Потенциометар је предвиђен за подешавање на искључиво скромном подручју централних фреквенција.

Међутим, одбијање нежељене фреквенције 5: 1 је заслужно и могло би бити довољно за многе употребе. Далеко пресуднији програми могу несумњиво захтевати прецизније делове.

Ограничења опсега оптичког појачала која имају могућност да додатно погоршају подешену величину зареза, такође могу бити одговорна за заустављање степена зареза да постане што мањи. Имајући ово на уму, коло је поново подешено за централну фреквенцију од 10 кХз.

Резултати на 10 кХз

Слика 10 утврђује да се зарезна долина за К од 10 повећала на 32 дБ, што би могло бити оно што можете да предвиђате на основу централне фреквенције од 4% од симулације (слика 6).

Опамп је без сумње смањио дубину зареза на средишњој фреквенцији од 100 кХз! Зарез од 32 дБ је отказивање од 40: 1, што би могло бити разумно пристојно.

Стога, упркос деловима који су направили прелиминарну грешку од 4%, било је лако избацити зарез од 32 дБ на најтраженијој централној фреквенцији.

Неугодна вест је чињеница да је за избегавање ограничења опсега опампа највећа могућа зарезна фреквенција која се може замислити са опампером од 100 МХз приближно 10 и 100 кХз.

Када је реч о зарезаним филтерима, „велика брзина“ се према томе сматра оригиналном на око стотине килохерца.

Изврсна практична апликација за зарезне филтере од 10 кХз су АМ (средњеталасни) пријемници, у којима носач из суседних станица генерише гласно вриштање од 10 кХз у звуку, нарочито током ноћи. Ово би сигурно могло да нам иде на живце док је подешавање континуирано.

На слици 11 приказан је прихваћени звучни спектар станице без употребе и употребе уреза од 10 кХз. Приметите да је шум од 10 кХз најгласнији део покупљеног звука (слика 11а), иако је људско ухо знатно мање подложно томе.

Овај аудио опсег је снимљен ноћу на оближњој станици која је примила неколико моћних станица са обе стране. ФЦЦ одредбе дозвољавају одређена одступања носача станица.

Из тог разлога ће скромни замци у носећој фреквенцији две суседне станице вероватно створити хетеродин звук од 10 кХз, појачавајући досадно искуство слушања.

Кад год је примењен нотцх филтер (слика 11б), тон од 10 кХз је минимизиран на ниво подударања као ниво суседне модулације. Поред тога, на аудио спектру се могу видети носачи од 20 кХз са станица удаљених 2 канала и тон од 16 кХз са трансатлантске станице.

То генерално није велика брига, јер их пријемник ИФ знатно умањује. Фреквенција од око 20 кХз може бити нечујна за огромну већину појединаца у оба случаја.

Референце: