Hakfilterkretsar med designdetaljer

Prova Vårt Instrument För Att Eliminera Problem





I den här artikeln går vi igenom en detaljerad diskussion om hur man utformar hackfilter med exakt mittfrekvens och för maximal påverkan.

Där Notch Filter används

Notch filterkretsar används normalt för att undertrycka, upphäva eller avbryta ett visst frekvensområde för att undvika irriterande eller oönskade störningar inom en kretskonfiguration.



Det blir specifikt användbart i känslig ljudutrustning såsom förstärkare, radiomottagare där ett enda eller ett valt antal oönskade störande frekvenser krävs för att elimineras på ett enkelt sätt.

Aktiva hackfilter användes aktivt under de tidigare decennierna för förstärkare och ljudapplikationer för att eliminera 50- och 60-Hz-brusstörningar. Dessa nätverk har varit visserligen något besvärliga ur synvinklarna för inställning, balans och konsistens av centrumhackfrekvens (f0).



Med introduktionen av de moderna höghastighetsförstärkarna blev det absolut nödvändigt att skapa kompatibla höghastighetsskårfilter som kan användas för hantering av höghastighets skårfrekvensfiltrering med en effektiv hastighet.

Här försöker vi undersöka möjligheterna och tillhörande komplexitet som är involverade i tillverkningen av högklassiga filter.

Viktiga egenskaper

Innan vi fördjupar oss i ämnet, låt oss först sammanfatta de viktiga egenskaper som kan vara stränga krav när vi utformar de föreslagna höghastighetsfiltret.

1) Brantheten hos nolldjupet som indikeras i figur 1-simulering kanske inte är praktiskt möjligt, de mest effektiva uppnåbara resultaten kan inte vara över 40 eller 50 dB.

mest effektiva nolldjup kan inte vara över 40 eller 50dB

2) Därför måste det förstås att den viktigaste faktorn som ska förbättras är mittfrekvensen och Q, och designern bör fokusera på detta istället för skårans djup. Huvudmålet vid utformning av ett hackfilter bör vara nivån på avstötning av den oönskade störfrekvensen, detta måste vara optimalt.

3) Ovanstående problem kan lösas optimalt genom att föredra de bästa värdena för R- och C-komponenterna, som kan implementeras med korrekt användning av RC-kalkylatorn som visas i referens 1, som kan användas för att korrekt identifiera R0 och C0 för ett speciellt hackfilter som utformar applikationen.

Följande data kommer att utforska och hjälpa till att förstå utformningen av vissa interetsing-notch filtertopologier:

Twin-T hackfilter

Twin-T-filterkonfigurationen som visas i figur 3 ser ganska intressant ut på grund av dess goda prestanda och medverkan av bara en enda opamp i designen.

Schematisk

dubbel T-hack filterkrets

Även om den ovan angivna hackfilterkretsen är rimligt effektiv, kan den ha vissa nackdelar på grund av den extrema enkelhet som den har, såsom ges nedan:

Konstruktionen använder 6 precisionskomponenter för dess inställning, varvid ett par av dessa för att uppnå förhållanden för de andra. Om denna komplikation måste undvikas, kan kretsen kräva att ytterligare 8 precisionskomponenter inkluderas, såsom R0 / 2 = 2nO R0 parallellt och 2 i C0 = 2 nos C0 parallellt.

En Twin-T-topologi fungerar inte enkelt med enskilda strömförsörjningar och överensstämmer inte med fullfjädrade differentialförstärkare.

Utbudet av motståndsvärden fortsätter att öka på grund av RQ<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Men även med ovanstående besvär kan användaren lyckas optimera designen med högkvalitativa exakta komponenter, men en rimlig effektiv filtrering kan förväntas och implementeras för den givna applikationen.

Fly Notch Filter

Figur 4 visar filterdesignen för Fliege Notch, som identifierar några distinkta fördelar jämfört med Twin-T-motsvarigheten, som berättas nedan:

Fly Notch Filter

1) Den innehåller bara ett par precisionskomponenter i form av Rs och Cs för att uppnå en exakt centerfrekvensinställning.

2) En märkbar aspekt av denna design är att den tillåter små felaktigheter inom komponenterna och inställningarna utan att påverka djupet på hackpunkten, även om mittfrekvensen kan förändras något i enlighet därmed.

3) Du hittar ett par motstånd som är ansvariga för att bestämma mittfrekvensen diskret vars värden kanske inte är extremt kritiska

4) Konfigurationen möjliggör inställning av mittfrekvensen med ett ganska smalt område utan att påverka djupet till en markant nivå.

Det negativa med denna toplogi är dock användningen av två opamps, och ändå blir den inte användbar med differentialförstärkare.

Simuleringsresultat

Simuleringar genomfördes ursprungligen med mest lämpliga opamp-versioner. Verkliga opamp-versioner användes strax efter, vilket genererade resultat som var jämförbara med de som upptäcktes i laboratoriet.

Tabell 1 visar de komponentvärden som användes för schemat i figur 4. Det verkade inte vara meningsfullt att genomföra simuleringar vid eller över 10 MHz, huvudsakligen eftersom laboratorietester i huvudsak genomfördes som en start och 1 MHz var den ledande frekvensen där ett hackfilter behövs för att appliceras.

Ett ord angående kondensatorer : Trots det faktum att kapacitansen bara är ett 'nummer' för simuleringar, är verkliga kondensatorer utformade av unika dielektriska element.

För 10 kHz tvingade motståndsvärdesträckningen kondensatorn till ett värde av 10 nF. Även om detta gjorde tricket korrekt i demo krävde det en justering från en NPO-dielektrikum till en X7R-dielektrikum i laboratoriet, vilket fick hackfiltret att helt falla med dess funktion.

Specifikationerna för de 10-nF-kondensatorer som applicerades var i nära närhet i värde, vilket resulterade i att nedgången i skårdjupet främst var ansvarig på grund av dålig dielektrikum. Kretsen tvingades återgå till respekten för en Q = 10, och en 3-MΩ för R0 användes.

För verkliga kretsar är det tillrådligt att följa NPO-kondensatorer. Kravvärdena i tabell 1 ansågs vara ett bra val lika i simuleringar och i laboratorieutveckling.

I början utfördes simuleringarna utan 1-kΩ-potentiometern (de två fasta 1-kΩ-motstånden var associerade specifikt synkroniserat och till den icke inverterande ingången för den nedre opampen).

Demo-utgångar presenteras i figur 5. Du hittar nio resultatresultat i figur 5, men det kan hända att vågformerna per Q-värde överlappar dem vid de andra frekvenserna.

vågformer per Q-värde överlappar dem vid andra frekvenser

Beräkning av mittfrekvens

Centrumfrekvensen är under alla förhållanden måttligt över ett strukturmål på 10 kHz, 100 kHz eller 1 MHz. Detta kan vara så nära som en utvecklare kan förvärva med ett accepterat E96-motstånd och E12-kondensator.

Tänk på situationen med ett 100 kHz-hack:

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

Såsom vi ser ser resultatet något av märket, detta kan strömlinjeformas ytterligare och göras närmare det önskade värdet om 1nF-kondensatorn modifieras med en standard E24-värdekondensator, som visas nedan:

f = 1 / 2π
x 4.42k x 360 pF = 100.022 kHz, ser mycket bättre ut

Användningen av E24-versionskondensatorer kan åstadkomma väsentligt mer exakta centerfrekvenser för det mesta, men på något sätt kan det att få E24-seriens kvantiteter vara en dyr (och onödig) kostnad i många laboratorier.

Även om det kan vara bekvämt att utvärdera E24-kondensatorvärden i hypotesen, implementeras de flesta av dem i verkligheten nästan aldrig, liksom har förlängda körtider involverade i dem. Du kommer att upptäcka mindre komplicerade preferenser för att köpa E24 kondensatorvärden.

Grundlig utvärdering av figur 5 avgör att skåran missar mittfrekvensen med en blygsam mängd. Vid mindre Q-värden kan du fortfarande hitta en avsevärd annullering av den angivna hackfrekvensen.

Om avvisningen inte är tillfredsställande kan du justera hackfiltret.

Återigen, överväger scenariot 100 kHz, observerar vi att reaktionen runt 100 kHz utökas i figur 6.

frekvensjustering av hack

Samlingen av vågformer till vänster och höger om mittfrekvensen (100,731 kHz) motsvarar filterreaktioner, när 1-kΩ potentiometern är placerad och justerad i steg om 1%.

Varje gång potentiometern ställs in halvvägs avvisar hackfiltret frekvenser vid den exakta kärnfrekvensen.

Graden av det simulerade hacket är faktiskt i storleksordningen 95 dB, men detta är helt enkelt inte tänkt att materialiseras i den fysiska enheten.

En 1% -justering av potentiometern placerar ett urtag som vanligtvis överstiger 40 dB rakt på önskad frekvens.

Återigen kan detta verkligen vara det bästa scenariot när det är gjort med ideala komponenter, ändå visar labdata mer exakt vid lägre frekvenser (10 och 100 kHz).

Figur 6 bestämmer att du måste uppnå mycket närmare den exakta frekvensen med R0 och C0 i början. Eftersom potentiometern kanske kan korrigera frekvenser över ett omfattande spektrum kan skårans djup försämras.

Över ett blygsamt intervall (± 1%) kan man uppnå en 100: 1-avvisning av den dåliga frekvensen ändå över ett ökat intervall (± 10%), endast en 10: 1-avvisning är möjlig.

Labresultat

En THS4032 utvärderingskort implementerades för att sätta ihop kretsen i figur 4.

Det är i själva verket en struktur för allmänt ändamål som använder endast 3 byglar tillsammans med spår för att slutföra kretsen.

Komponentmängderna i tabell 1 applicerades, med början med de som troligen skulle kasta ut en 1 MHz-frekvens.

Motivet var att jaga efter bandbredd / svänghastighetsregler vid 1 MHz och kontrollera vid billigare eller högre frekvenser efter behov.

Resultat vid 1 MHz

Figur 7 betyder att du kan få ett antal specifika bandbredds- och / eller svänghastighetsreaktioner vid 1 MHz. Reaktionsvågformen vid en Q av 100 uppvisar bara en krusning där skåran kan vara närvarande.

Vid ett Q på 10 finns det bara ett 10-dB-skår och ett 30-dB-skår vid ett Q på 1.

Det verkar som om hackfilter inte kan uppnå så hög frekvens som vi troligen skulle förvänta oss, ändå är THS4032 helt enkelt en 100-MHz-enhet.

Det är naturligt att förutse överlägsen funktionalitet från komponenter med en förbättrad enhetsförstärkande bandbredd. Enhetsvinststabilitet är kritisk, av den anledningen att Fliege-topologin bär fast enhetsvinst.

När skaparen hoppas kunna uppskatta exakt vilken bandbredd som är väsentlig för ett skår vid en viss frekvens, är en rätt plats att gå omkring förstärkningen / bandbreddskombinationen som presenteras i databladet, det ska vara hundra gånger skårans mittfrekvens.

Ytterligare bandbredd kan eventuellt förväntas för ökade Q-värden. Du kan hitta en grad av frekvensavvikelse för skårcentrumet när Q modifieras.

Detta är exakt samma som frekvensövergången för bandpassfilter.

Frekvensövergången är lägre för hackfilter som används för att arbeta vid 100 kHz och 10 kHz, som anges i figur 8 och så småningom i figur 10.

hackfilter som används för att arbeta vid 100 kHz och 10 kHz

Data vid 100 kHz

Delkvantiteter från tabell 1 var sedan vana vid att skapa 100-kHz hackfilter med olika Qs.

Uppgifterna presenteras i figur 8. Det ser direkt kristallklart ut att fungerande hackfilter typiskt utvecklas med en mittfrekvens på 100 kHz, trots att hackdjupet råkar vara betydligt mindre vid större Q-värden.

Kom dock ihåg att konfigurationsmålet som anges här är en 100-kHz inte en 97-kHz-hack.

De föredragna delvärdena var precis samma som för simuleringen, därför måste hackcentrumfrekvensen vara tekniskt vid 100,731 kHz. Ändå stavas effekten av komponenterna som ingår i laboratoriedesignen.

Medelvärdet för kondensatorsortimentet på 1000 pF var 1030 pF och motståndssortimentet 1,58 kΩ var 1,583 kΩ.

Varje gång som mittfrekvensen utarbetas med hjälp av dessa värden når den 97,14 kHz. De specifika delarna, trots detta, kunde knappast fastställas (styrelsen var extremt känslig).

Förutsatt att kondensatorerna är ekvivalenta, kan det vara lätt att bli högre genom vissa konventionella E96-motståndsvärden för att uppnå resultat som är stramare till 100 kHz.

Det behöver inte sägas att detta sannolikt inte kan vara ett alternativ vid högvolymsproduktion, där 10% kondensatorer möjligen kan komma från praktiskt taget alla förpackningar och förmodligen från olika tillverkare.

Valet av mittfrekvenser kommer att vara enligt toleranserna för R0 och C0, vilket är dåliga nyheter om ett högt Q-skår blir nödvändigt.

Det finns tre metoder för att hantera detta:

Köp motstånd och kondensatorer med högre precision

minimera Q-specifikationen och nöja dig med mindre avvisning av den oönskade frekvensen eller

finjustera kretsen (som hade övervägs senare).

Just nu verkar kretsen vara personlig för att ta emot en Q på 10 och en 1-kΩ potentiometer integrerad för att ställa in mittfrekvensen (som avslöjas i figur 4).

I den verkliga layouten borde potentiometervärdet föredras vara lite mer än det erforderliga området för att täcka hela mitten av frekvenser så mycket som möjligt även i värsta fall med R0- och C0-toleranser.

Det hade inte uppnåtts vid denna tidpunkt, för detta var ett exempel på att analysera potentialer och 1 kΩ var den mest konkurrenskraftiga potentiometerkvaliteten som var tillgänglig i laboratoriet.

När kretsen justerades och inställdes på en mittfrekvens på 100 kHz enligt beskrivningen i figur 9, försämrades hacknivån från 32 dB till 14 dB.

Tänk på att denna djup i skåran möjligen kan förbättras dramatiskt genom att ge den preliminära f0 stramare till det bästa lämpliga värdet.

Potentiometern är avsedd att justeras uteslutande över ett blygsamt område med mittfrekvenser.

En 5: 1-avvisning av en oönskad frekvens är dock kreditvärdig och kan mycket väl vara tillräcklig för många användningar. Mycket viktigare program kan onekligen kräva delar med högre precision.

Begränsningar av bandbredd för op amp, som har förmågan att dessutom försämra den inställda hackstorleken, kan också vara ansvariga för att stoppa hackgraden från att bli så liten som möjligt. Med tanke på detta justerades kretsen igen för en mittfrekvens på 10 kHz.

Resultat vid 10 kHz

Figur 10 bestämmer att hackdalen för en Q på 10 har utökats till 32 dB, det kan bero på vad du kan förvänta dig från en mittfrekvens 4% rabatt från simuleringen (figur 6).

notch valley för en Q på 10 har utökats till 32 dB

Opamp minskade utan tvekan hackdjupet vid en mittfrekvens på 100 kHz! Ett 32-dB-hack är en avbokning av 40: 1, det kan vara ganska anständigt.

Därför, trots delar som konstruerade ett preliminärt 4% -fel, hade det varit lätt att slå ut ett 32-dB-skår vid den mest önskade mittfrekvensen.

Den obehagliga nyheten är det faktum att den högsta möjliga hackfrekvensen som kan tänkas med en 100 MHz opamp är ungefär 10 och 100 kHz för att undvika opamp-bandbreddsbegränsningar.

När det gäller hackfilter anses 'höghastighet' följaktligen äkta på cirka hundratals kilohertz.

En utmärkt praktisk applikation för 10-kHz hackfilter är AM-mottagare (medelvåg), där bäraren från angränsande stationer genererar en hög 10-kHz skrik i ljudet, speciellt under natten. Detta kan säkert riva på nerverna medan inställningen är kontinuerlig.

Figur 11 visar det upptagna ljudspektrumet för en station utan att använda och använda 10-kHz-skåran implementerades. Observera att 10-kHz-bruset är den högsta delen av det plockade ljudet (Figur 11a), även om det mänskliga örat är väsentligt mindre mottagligt för det.

ljudspektrum för en station utan att använda och använda 10-kHz-skåran

Detta ljudintervall fångades på natten på en närliggande station som fick ett par kraftfulla stationer på båda sidor. FCC-bestämmelser tillåter viss avvikelse från stationbärarna.

Av den anledningen kommer blygsamma fallgropar i bärarfrekvens för de två angränsande stationerna sannolikt att göra 10-kHz-ljudet heterodyne, vilket ökar den irriterande lyssningsupplevelsen.

När hackfiltret är implementerat (figur 11b) minimeras 10 kHz-tonen till matchningsnivån som för den intilliggande moduleringen. Vidare observeras på ljudspektrumet 20-kHz bärare från stationer 2 kanaler bort och en 16-kHz-ton från en transatlantisk station.

Dessa är i allmänhet inte ett stort problem, eftersom de försvagas avsevärt av mottagaren IF. En frekvens på cirka 20 kHz kan vara olydbar för den överväldigande majoriteten av individerna i båda fallen.

Referenser:

http://www.ti.com/lit/an/snoa680/snoa680.pdf
http://www.ti.com/lit/an/sbfa012/sbfa012.pdf
http://www.ti.com/lit/an/slyt235/slyt235.pdf
https://en.wikipedia.org/wiki/Band-stop_filter


Tidigare: Vad är batteriets inbyggda motstånd Nästa: Krets för batterihälsokontroll för testning av batteriets skick och säkerhetskopiering