Tasarım Detayları ile Notch Filter Devreleri

Bu makalede, hassas merkez frekansı ve maksimum etki için çentik filtrelerinin nasıl tasarlanacağına ilişkin ayrıntılı bir tartışmadan geçeceğiz.

Notch Filtresinin Kullanıldığı Yerler

Çentikli filtre devreleri, normal olarak, bir devre konfigürasyonu içinde rahatsız edici veya istenmeyen bir paraziti önlemek için belirli bir frekans aralığını bastırmak, geçersiz kılmak veya iptal etmek için kullanılır.

Tek veya seçilmiş sayıda istenmeyen parazit frekansının basit bir yolla ortadan kaldırılması gereken amplifikatörler, radyo alıcıları gibi hassas ses ekipmanlarında özellikle yararlı hale gelir.

Aktif çentik filtreleri, önceki yıllarda 50- ve 60-Hz uğultu parazitlerini ortadan kaldırmak için amplifikatör ve ses uygulamaları için aktif olarak kullanıldı. Bu ağlar, merkez çentik frekansı (f0) ayarı, dengesi ve tutarlılığı açısından biraz garip olsa da.

Modern yüksek hızlı amplifikatörlerin piyasaya sürülmesiyle, yüksek hızlı çentik frekansı filtrasyonunu verimli bir hızda idare etmek için uygulanabilecek uyumlu yüksek hızlı çentik filtreleri oluşturmak zorunlu hale geldi.

Burada, yüksek çentikli filtrelerin yapımıyla ilgili olasılıkları ve ilgili karmaşıklıkları araştırmaya çalışacağız.

Önemli Özellikler

Konuya geçmeden önce, önerilen yüksek hızlı çentik filtrelerini tasarlarken kesinlikle gerekli olabilecek önemli özellikleri özetleyelim.

1) Şekil 1 simülasyonunda gösterilen boş derinliğin dikliği pratik olarak uygulanabilir olmayabilir, elde edilebilecek en verimli sonuçlar 40 veya 50dB'nin üzerinde olamaz.

2) Bu nedenle iyileştirilmesi gereken en önemli faktörün merkez frekansı ve Q olduğu anlaşılmalı ve tasarımcının çentik derinliği yerine buna odaklanması gerekir. Bir çentik filtre tasarımı yaparken temel amaç, istenmeyen müdahale frekansının reddedilme seviyesi olmalıdır, bu optimal olmalıdır.

3) Yukarıdaki sorun, en uygun şekilde R ve C bileşenleri için en iyi değerleri tercih ederek çözülebilir; bu, Referans 1'de gösterilen RC hesaplayıcısı kullanılarak doğru şekilde uygulanabilir, R0 ve C0 için uygun şekilde tanımlanır. belirli bir çentik filtre tasarım uygulaması.

Aşağıdaki veriler, bazı etkileşimli çentik filtre topolojilerinin tasarımını keşfedecek ve anlamaya yardımcı olacaktır:

Twin-T Notch Filtresi

Şekil 3'te gösterilen Twin-T filtre konfigürasyonu, iyi performansı ve tasarımda sadece tek bir opampın yer alması nedeniyle oldukça ilginç görünüyor.

Şematik

Yukarıda belirtilen çentikli filtre devresi makul ölçüde verimli olsa da, aşağıda verildiği gibi taşıdığı aşırı basitlik nedeniyle bazı dezavantajlara sahip olabilir:

Tasarım, ayarlanması için 6 hassas bileşenden yararlanıyor, burada bunlardan birkaçı diğerlerinin oranlarını elde etmek için. Bu komplikasyondan kaçınılması gerekiyorsa, devre paralel olarak R0 / 2 = 2nos R0 ve paralel olarak C0 = 2 C0 C0 gibi 8 ek hassas bileşenin dahil edilmesini gerektirebilir.

Twin-T topolojisi, tekli güç kaynakları ile hemen çalışmaz ve tam teşekküllü diferansiyel amplifikatörlerle uyumlu değildir.

Direnç değerleri aralığı, RQ nedeniyle artmaya devam ediyor<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Bununla birlikte, yukarıdaki zorluklarla bile, kullanıcı tasarımı yüksek kaliteli hassas bileşenlerle optimize etmeyi başarırsa, söz konusu uygulama için makul ölçüde etkili bir filtreleme beklenebilir ve uygulanabilir.

Fly Notch Filtresi

Şekil 4, aşağıda anlatıldığı gibi Twin-T muadili ile karşılaştırıldığında birkaç farklı avantajı tanımlayan Fliege Notch filtre tasarımını göstermektedir:

1) Doğru bir merkez frekansı ayarını gerçekleştirmek için Rs ve Cs şeklinde sadece birkaç hassas bileşen içerir.

2) Bu tasarımla ilgili kayda değer bir özellik, merkez frekansı buna göre biraz değişebilirse de, bileşenlerde ve ayarlarda çentik noktasının derinliğini etkilemeden küçük yanlışlıklara izin vermesidir.

3) Merkez frekansını ayrı ayrı belirlemekten sorumlu, değerleri son derece kritik olmayabilecek birkaç direnç bulacaksınız.

4) Konfigürasyon, orta frekansın, çentik derinliğini önemli bir seviyeye etkilemeden oldukça dar bir aralıkla ayarlanmasını sağlar.

Bununla birlikte, bu topolojiyle ilgili olumsuz olan şey, iki opamp kullanmasıdır ve yine de diferansiyel amplifikatörlerle kullanılabilir hale gelmez.

Simülasyon Sonuçları

Simülasyonlar başlangıçta en uygun opamp versiyonları ile gerçekleştirildi. Gerçeğe yakın opamp versiyonları kullanıldıktan kısa bir süre sonra kullanıma sunuldu ve bu da laboratuvarda tespit edilenlerle karşılaştırılabilir sonuçlar üretti.

Tablo 1, Şekil 4'teki şematik için kullanılan bileşen değerlerini göstermektedir. 10 MHz'de veya üzerinde simülasyonlar gerçekleştirmenin bir anlamı yokmuş gibi görünüyordu, çünkü esas olarak laboratuvar testleri temelde bir başlangıç ​​olarak gerçekleştirildi ve 1 MHz çentik filtresinin uygulanmasının gerekli olduğu ana frekans.

Kapasitörlerle ilgili bir kelime : Kapasitans sadece simülasyonlar için bir 'sayı' olmasına rağmen, gerçek kapasitörler benzersiz dielektrik elemanlardan tasarlanmıştır.

10 kHz için, direnç değeri gerilmesi, kondansatörü 10 nF değerine zorladı. Bu, demoda doğru bir hile yapsa da, laboratuvarda bir NPO dielektriğinden X7R dielektriğe bir ayarlama yapılması çağrısında bulundu ve bu, çentik filtresinin özelliği ile tamamen düşmesine neden oldu.

Uygulanan 10-nF kapasitörlerin özellikleri değer olarak birbirine çok yakındı, sonuç olarak çentik derinliğindeki düşüş temelde zayıf dielektrik nedeniyle sorumluydu. Devre, Q = 10 için ilgili noktalara geri dönmeye zorlandı ve R0 için 3-MΩ kullanıldı.

Gerçek dünya devreleri için, NPO kapasitörlerine uyulması tavsiye edilir. Tablo 1'deki gereksinim değerleri, simülasyonlarda ve laboratuvar geliştirmede eşit derecede iyi bir seçim olarak kabul edildi.

Başlangıçta, simülasyonlar 1-kΩ potansiyometre olmadan gerçekleştirildi (iki 1-kΩ sabit direnç, özellikle senkronizasyonda ve alt opampın ters çevirmeyen girişiyle ilişkilendirildi).

Demo çıktıları Şekil 5'te sunulmuştur. Şekil 5'te 9 sonuç parçası bulacaksınız, ancak Q değeri başına dalga biçimlerinin diğer frekanslardakilerle örtüştüğünü görebilirsiniz.

Merkez Frekansının Hesaplanması

Herhangi bir durumda merkez frekansı, 10 kHz, 100 kHz veya 1 MHz'lik bir yapı hedefinin orta derecede üzerindedir. Bu, bir geliştiricinin kabul edilen bir E96 direnci ve E12 kapasitörüyle elde edebileceği kadar yakın olabilir.

100 kHz'lik bir çentik kullanarak durumu düşünün:

f = 1 / 2πR0C0 = 1 / 2π x 1.58k x 1nF = 100.731 kHz

Görülebileceği gibi, sonuç biraz işarete benziyor, bu daha da kolaylaştırılabilir ve aşağıda gösterildiği gibi 1nF kapasitör standart bir E24 değerli kapasitör ile değiştirilirse gerekli değere daha yakın hale getirilebilir:

f = 1 / 2π
x 4,42k x 360 pF = 100,022 kHz, çok daha iyi görünüyor

E24 versiyonu kapasitörlerin kullanımı çoğu zaman önemli ölçüde daha hassas merkez frekansları sağlayabilir, ancak bir şekilde E24 serisi miktarlarını elde etmek çok sayıda laboratuvarda yüksek fiyatlı (ve gereksiz) genel giderler olabilir.

E24 kapasitör değerlerini hipotezde değerlendirmek uygun olsa da, gerçek dünyada bunların çoğu neredeyse hiç uygulanmaz ve bunlarla ilgili uzun çalışma sürelerine sahiptir. E24 kapasitör değerlerini satın almak için daha az karmaşık tercihler keşfedeceksiniz.

Şekil 5'in kapsamlı değerlendirmesi, çentiğin merkez frekansı makul bir miktarda kaçırdığını belirler. Daha düşük Q değerlerinde, belirtilen çentik frekansının hala önemli ölçüde iptal edildiğini görebilirsiniz.

Reddetmenin tatmin edici olmaması durumunda, çentik filtresini değiştirmek isteyebilirsiniz.

Yine 100 kHz senaryosunu düşündüğümüzde, Şekil 6'da 100 kHz civarındaki reaksiyonun uzadığını gözlemliyoruz.

Dalga formlarının merkez frekansın (100.731 kHz) solunda ve sağında toplanması, 1 kΩ potansiyometre konumlandırılıp% 1'lik artışlarla ayarlandıktan sonra filtre reaksiyonlarına karşılık gelir.

Potansiyometrenin yarıya kadar ayarlandığı her seferinde, çentik filtresi, kesin çekirdek frekansındaki frekansları reddeder.

Simüle edilmiş çentiğin derecesi aslında 95 dB düzeyindedir, ancak bunun fiziksel varlıkta gerçekleşmesi beklenmez.

Potansiyometrenin% 1 yeniden hizalanması, genellikle tercih edilen frekansta doğrudan 40 dB'yi aşan bir çentik yerleştirir.

Bir kez daha, ideal bileşenlerle yapıldığında bu gerçekten en iyi senaryo olabilir, ancak laboratuvar verileri daha düşük frekanslarda (10 ve 100 kHz) daha doğru olduğunu göstermektedir.

Şekil 6, başlangıçta R0 ve C0 ile kesin frekansa çok daha yakın bir noktaya ulaşmanız gerektiğini belirler. Potansiyometre, geniş bir spektrumdaki frekansları düzeltebildiğinden, çentiğin derinliği azalabilir.

Mütevazı bir aralıkta (±% 1), kötü frekansı 100: 1 oranında reddedebilir, ancak yine de artırılmış bir aralıkta (±% 10), yalnızca 10: 1 reddetme mümkündür.

Laboratuvar sonuçları

Devreyi Şekil 4'te bir araya getirmek için bir THS4032 değerlendirme kartı uygulandı.

Aslında, devreyi sonlandırmak için iz ile birlikte sadece 3 jumper kullanan genel amaçlı bir yapıdır.

Tablo 1'deki bileşen miktarları, muhtemelen 1 MHz'lik bir frekansı çalkalayacak olanlardan başlayarak uygulandı.

Amaç, 1 MHz'de bant genişliği / dönüş hızı düzenlemelerini araştırmak ve gerektiğinde daha uygun fiyatlı veya daha yüksek frekansları kontrol etmekti.

1 MHz'de sonuçlar

Şekil 7, 1 MHz'de bir dizi spesifik bant genişliği ve / veya dönüş hızı reaksiyonu alabileceğinizi belirtir. 100'lük bir Q'daki reaksiyon dalga biçimi, çentiğin mevcut olabileceği bir dalgalanma sergiler.

10'luk bir Q'da, sadece 10 dB'lik bir çentik ve 1'lik bir Q'da 30 dB'lik bir çentik vardır.

Görünüşe göre çentik filtreleri tahmin edeceğimiz kadar yüksek bir frekansı başaramıyor, yine de THS4032 sadece 100 MHz'lik bir cihaz.

Gelişmiş bir birlik-kazanç bant genişliğine sahip bileşenlerden üstün işlevsellik beklemek doğaldır. Birlik kazanımı kararlılığı, Fliege topolojisinin sabit birim kazancı taşıması nedeniyle kritiktir.

İçerik oluşturucu, belirli bir frekansta bir çentik için hangi bant genişliğinin gerekli olduğunu tam olarak yaklaşık olarak tahmin etmeyi umduğunda, gitmek için doğru yer, veri sayfasında sunulan kazanç / bant genişliği kombinasyonudur, bu çentiğin merkez frekansının yüz katı olmalıdır.

Ek bant genişliği, artan Q değerleri için muhtemelen beklenebilir. Q değiştirilirken çentik merkezinin frekans sapmasının derecesini bulabilirsiniz.

Bu, bant geçiren filtreler için fark edilen frekans geçişiyle tamamen aynıdır.

Frekans geçişi, Şekil 8'de ve sonunda Şekil 10'da gösterildiği gibi 100 kHz ve 10 kHz'de çalışmak üzere uygulanan çentik filtreleri için daha düşüktür.

100 kHz'de veri

Tablo 1'deki parça miktarları daha sonra çeşitli Q'lara sahip 100-kHz çentik filtreleri oluşturmaya alışmıştır.

Veriler Şekil 8'de sunulmuştur. Daha büyük Q değerlerinde çentik derinliği önemli ölçüde daha az olmasına rağmen, uygulanabilir çentik filtrelerinin tipik olarak 100 kHz'lik bir merkez frekansı ile geliştirildiği açıkça görülüyor.

Bununla birlikte, burada listelenen yapılandırma hedefinin 97 kHz değil 100 kHz olduğunu unutmayın.

Tercih edilen parça değerleri simülasyon için olanla tamamen aynıydı, bu nedenle çentik merkezi frekansının teknik olarak 100.731 kHz olması gerekiyor, ancak yine de etki laboratuar tasarımında yer alan bileşenlerle açıklanıyor.

1000-pF kapasitör çeşitliliğinin ortalama değeri 1030 pF ve 1.58-kΩ direnç çeşitliliğinin 1.583 kΩ idi.

Merkez frekansı bu değerler kullanılarak her hesaplandığında 97.14 kHz'e ulaşır. Buna rağmen belirli kısımlar zorlukla belirlenebiliyordu (kart aşırı derecede hassastı).

Kondansatörlerin eşdeğer olması koşuluyla, 100 kHz'e kadar daha sıkı sonuçlar elde etmek için bazı geleneksel E96 direnç değerleriyle daha yükseğe çıkmak çok kolay olabilir.

Söylemeye gerek yok, bu büyük olasılıkla yüksek hacimli üretimde bir alternatif olmayabilir, burada% 10 kapasitörler muhtemelen hemen hemen her paketten ve muhtemelen çeşitli üreticilerden gelebilir.

Merkez frekanslarının seçimi, yüksek bir Q çentiğinin gerekli hale gelmesi durumunda kötü haber olan R0 ve C0 toleranslarına göre yapılacaktır.

Bununla başa çıkmanın 3 yöntemi vardır:

Daha yüksek hassasiyetli dirençler ve kapasitörler satın alın

Q spesifikasyonunu en aza indirin ve istenmeyen frekansın daha az reddedilmesine razı olun veya

Devreye ince ayar yapın (daha sonra düşünülmüş olan).

Şu anda devre, 10'luk bir Q ve merkez frekansı ayarlamak için entegre edilmiş bir 1-kΩ potansiyometre (Şekil 4'te gösterildiği gibi) alacak şekilde kişiselleştirilmiş gibi görünüyor.

Gerçek dünya düzeninde, tercih edilen potansiyometre değeri, en kötü R0 ve C0 toleransları durumunda bile tüm merkez frekans aralığını mümkün olduğunca kapsayacak şekilde gereken aralıktan biraz daha fazla olmalıdır.

Bu, şu anda başarılamamıştı, çünkü bu, potansiyelleri analiz etmede bir örnekti ve 1 kΩ, laboratuvarda erişilebilen en rekabetçi potansiyometre kalitesiydi.

Devre, Şekil 9'da gösterildiği gibi 100 kHz'lik bir merkez frekansı için ayarlandığında ve ayarlandığında, çentik seviyesi 32 dB'den 14 dB'ye düşmüştür.

Bu çentik derinliğinin, ön f0'ı en uygun değere daha sıkı hale getirerek büyük olasılıkla önemli ölçüde geliştirilebileceğini unutmayın.

Potansiyometre, yalnızca mütevazı bir merkez frekans alanı üzerinde ince ayar yapılması için tasarlanmıştır.

Ancak, istenmeyen bir frekansın 5: 1 oranında reddedilmesi güvenilirdir ve pek çok kullanım için yeterli olabilir. Çok daha önemli programlar inkar edilemez şekilde yüksek hassasiyetli parçalar gerektirebilir.

Ayarlanmış çentik büyüklüğünü ek olarak azaltma yeteneğine sahip op amp bant genişliği kısıtlamaları, çentik derecesinin mümkün olduğu kadar küçülmesini engellemekten de sorumlu olabilir. Bunu akılda tutarak, devre yeniden 10 kHz'lik bir merkez frekansı için ayarlandı.

10 kHz'de sonuçlar

Şekil 10, 10'luk bir Q için çentik vadisinin 32 dB'ye artırıldığını belirlemektedir, bu simülasyondan% 4 indirimli bir merkez frekanstan tahmin edebileceğiniz şey olabilir (Şekil 6).

Opamp, şüphesiz 100 kHz'lik bir merkez frekansta çentik derinliğini azaltıyordu! 32 dB'lik bir çentik, makul ölçüde makul olabilecek 40: 1'lik bir iptaldir.

Bu nedenle,% 4'lük bir ön hatayı tasarlayan parçalara rağmen, en çok istenen merkez frekansında 32 dB'lik bir çentik oluşturmak kolay olmuştu.

Hoş olmayan haber, opamp bant genişliği kısıtlamalarından kaçınmak için, 100 MHz'lik bir opamp ile mümkün olan en yüksek çentik frekansının yaklaşık 10 ve 100 kHz olmasıdır.

Çentik filtreleri söz konusu olduğunda, 'yüksek hız' buna göre yaklaşık yüzlerce kilohertz'de gerçek kabul edilir.

10 kHz çentik filtreleri için mükemmel bir pratik uygulama, özellikle gece boyunca, komşu istasyonlardan gelen taşıyıcının seste 10 kHz'lik yüksek bir ses ürettiği AM (orta dalga) alıcılarıdır. Ayarlama sürekli iken bu kesinlikle kişinin sinirlerini bozabilir.

Şekil 11, 10 kHz çentiği kullanmadan ve kullanmadan bir istasyonun alınan ses spektrumunu göstermektedir. İnsan kulağı buna önemli ölçüde daha az duyarlı olsa da, 10-kHz'lik gürültünün alınan sesin en yüksek bölümü olduğuna dikkat edin (Şekil 11a).

Bu ses aralığı, her iki tarafta da birkaç güçlü istasyon alan yakındaki bir istasyonda gece çekildi. FCC hükümleri, istasyon taşıyıcılarında belirli değişikliklere izin verir.

Bu nedenle, iki komşu istasyonun taşıyıcı frekansındaki mütevazı tuzaklar muhtemelen 10-kHz gürültüyü heterodin hale getirerek rahatsız edici dinleme deneyimini artıracaktır.

Çentik filtresi uygulandığında (Şekil 11b), 10 kHz ton, bitişik modülasyonunki gibi eşleşme seviyesine en aza indirilir. Ayrıca ses spektrumunda 2 kanal uzaktaki istasyonlardan 20-kHz taşıyıcılar ve bir transatlantik istasyondan 16-kHz ton gözlenebilir.

Bunlar, IF alıcı tarafından önemli ölçüde zayıflatıldıkları için genellikle büyük bir endişe kaynağı değildir. 20 kHz civarında bir frekans, her iki durumda da bireylerin ezici çoğunluğu tarafından duyulamayabilir.

Referanslar: