Résszűrő áramkörök a tervezés részleteivel

Ebben a cikkben részletes vitát folytatunk arról, hogyan tervezzünk bemélyedési szűrőket pontos középfrekvenciával és a maximális hatás érdekében.

Ahol bevágásos szűrőt használnak

A bevágásos szűrő áramköröket általában egy adott frekvenciatartomány elnyomásához, semmissé tételéhez vagy törléséhez használják, hogy elkerüljék az áramkör konfigurációján belüli bosszantó vagy nem kívánt interferenciát.

Kifejezetten hasznos lehet olyan érzékeny hangberendezésekben, mint például erősítők, rádióvevők, ahol egyetlen vagy kiválasztott számú nem kívánt interferencia frekvenciát kell egyszerű módon megszüntetni.

A korábbi évtizedekben aktív bevágási szűrőket használtak erősítő- és hangalkalmazásokhoz az 50- és 60-Hz-es hum interferenciák kiküszöbölésére. Ezek a hálózatok ugyan kissé kínosak voltak a középső bevágási frekvencia (f0) hangolása, egyensúlya és konzisztenciája szempontjából.

A modern nagy sebességű erősítők bevezetésével elengedhetetlenné vált egy kompatibilis nagysebességű résszűrő létrehozása, amely alkalmazható a nagy sebességű résfrekvenciás szűrés hatékony sebességgel történő kezelésére.

Itt megpróbáljuk megvizsgálni a nagy bevágású szűrők készítésének lehetőségeit és a hozzájuk kapcsolódó bonyolultságokat.

Fontos jellemzők

Mielőtt elmélyülnénk a témában, először foglaljuk össze azokat a fontos jellemzőket, amelyekre a javasolt nagysebességű résszűrők megtervezésekor szigorúan szükség lehet.

1) A nullmélység meredeksége, amelyet az 1. ábra szimuláció mutat, gyakorlatilag nem megvalósítható, a leghatékonyabb elérhető eredmények nem lehetnek 40 vagy 50 dB fölött.

2) Ezért meg kell érteni, hogy a lényegesebb javítandó tényező a középfrekvencia és a Q, és a tervezőnek erre kell összpontosítania a bevágás mélysége helyett. A résszűrő kialakításának fő célja a nem kívánt zavaró frekvencia elutasításának szintje kell, hogy legyen, ennek optimálisnak kell lennie.

3) A fenti kérdést optimálisan lehet megoldani, előnyben részesítve a legjobb értékeket az R és a C komponensek számára, amelyek az 1. referenciaben bemutatott RC számológép helyes használatával valósíthatók meg, amely alkalmas az R0 és C0 azonosítására. egy adott résszűrő-tervező alkalmazás.

A következő adatok feltárják és segítenek megérteni egyes intereting bevágásos szűrő topológiák tervezését:

Twin-T hornyos szűrő

A Twin-T szűrő konfigurációja, amelyet az ábra3 mutat, elég érdekesnek tűnik a jó teljesítménye és csak egyetlen opamp részvétele miatt a tervezésben.

Vázlatos

Noha a fent jelzett hornyos szűrő áramkör meglehetősen hatékony, bizonyos hátrányai lehetnek a rendkívül egyszerűség miatt, amelyet az alábbiak mutatnak:

A kialakítás 6 precíziós alkatrészt alkalmaz a hangolásához, amelyek közül néhány a többiek arányának eléréséhez. Ha ezt a szövődményt el kell kerülni, akkor az áramkör további 8 precíziós komponenst igényelhet, például párhuzamosan R0 / 2 = R0 2nos R0 és 2 párhuzamosan C0 = 2 nos C0.

A Twin-T topológia nem működik egyszerűen egyetlen tápegységgel, és nem felel meg a teljes értékű differenciálerősítőknek.

Az ellenállás értéktartománya folyamatosan növekszik az RQ miatt<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Azonban a fenti gondok ellenére is, ha a felhasználónak sikerül optimalizálnia a kivitelt kiváló minőségű, pontos alkatrészekkel, akkor ésszerűen hatékony szűrésre lehet számítani és megvalósítani az adott alkalmazást.

A Fly Notch szűrő

A 4. ábra mutatja a Fliege Notch szűrő kialakítását, amely néhány különféle előnyt azonosít a Twin-T társával összehasonlítva, az alábbiak szerint:

1) Csak néhány precíziós komponenst tartalmaz R-k és Cs formájában annak érdekében, hogy a pontos középfrekvencia-hangolás teljesüljön.

2) Ennek a kialakításnak az egyik értékelhető aspektusa, hogy lehetővé teszi az alkatrészek és a beállítások enyhe pontatlanságát anélkül, hogy befolyásolná a bevágási pont mélységét, bár a középfrekvencia ennek megfelelően kissé megváltozhat.

3) Talál egy pár ellenállást, amelyek felelősek a középfrekvencia diszkrét meghatározásáért, amelyek értéke nem feltétlenül kritikus

4) A konfiguráció lehetővé teszi a középfrekvencia beállítását ésszerűen szűk tartományban anélkül, hogy a bemélyedés mélységét jelentős mértékben befolyásolná.

Ennek a toplógiának azonban negatívuma, hogy két opampot használ, és mégsem válik használhatóvá a differenciálerősítőkkel.

Szimulációk eredményei

A szimulációkat kezdetben a legmegfelelőbb opamp verziókkal hajtották végre. A valósághű opamp verziókat hamarosan alkalmazták, amelyek hasonló eredményeket hoztak, mint a laboratóriumban.

Az 1. táblázat bemutatja azokat az alkatrészértékeket, amelyeket a 4. ábra vázlatánál alkalmaztak. Úgy tűnt, hogy nincs értelme a 10 MHz-es vagy annál nagyobb szimulációk végrehajtásának, főleg azért, mert a laboratóriumi vizsgálatokat lényegében indításként végezték, és 1 MHz-et a vezető frekvencia, ahol bevágási szűrő alkalmazására volt szükség.

Egy szó a kondenzátorokról : Annak ellenére, hogy a kapacitás csupán szimulációk száma, a valós kondenzátorokat egyedi dielektromos elemekből tervezték.

10 kHz esetén az ellenállás értékének feszültsége 10 nF értékre kötelezte a kondenzátort. Noha ez demóban helyesen végezte el a trükköt, a laboratóriumban az NPO dielektrikum és az X7R dielektrikum közötti kiigazítást szorgalmazta, ami a résszűrő jellemzőivel együtt teljesen leesett.

Az alkalmazott 10 nF kondenzátorok specifikációi közel álltak egymáshoz, ennek eredményeként a bevágás mélységének csökkenése elsősorban a gyenge dielektrikum miatt volt felelős. Az áramkört arra kényszerítették, hogy visszatérjen a Q = 10 értékre, és R0 esetén 3-MΩ-ot alkalmaztak.

A valós áramkörök esetében tanácsos betartani az NPO kondenzátorokat. Az 1. táblázatban szereplő követelményértékeket jó választásnak tekintették a szimulációkban és a laborfejlesztésben egyaránt.

Kezdetben a szimulációkat 1 kΩ-os potenciométer nélkül hajtották végre (a két 1 k-os ellenállás fixen szinkronban, és az alsó opamp nem invertáló bemenetével volt társítva).

A bemutató kimeneteket az 5. ábra mutatja. Az 5. ábrán 9 eredményt talál, azonban előfordulhat, hogy a Q értékre eső hullámformák átfedik a többi frekvenciaét.

Középfrekvencia kiszámítása

A középfrekvencia bármilyen körülmények között mérsékelten meghaladja a 10 kHz, 100 kHz vagy 1 MHz szerkezeti célkitűzést. Ez olyan közel lehet, amennyit egy fejlesztő megszerezhet egy elfogadott E96 ellenállással és E12 kondenzátorral.

Gondoljon a helyzetre egy 100 kHz-es bevágással:

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

Amint látható, az eredmény kissé megegyezik a jelzésével, ezt tovább lehet egyszerűsíteni és közelebb hozni a kívánt értékhez, ha az 1nF kondenzátort standard E24 értékű kondenzátorral módosítják, amint az alábbiakban bemutatjuk:

f = 1 / 2π
x 4,42 k x 360 pF = 100,022 kHz, sokkal jobban néz ki

Az E24 változatú kondenzátorok használata lényegében pontosabb középfrekvenciákat eredményezhet, de valahogy az E24 sorozat mennyiségének megszerzése sok laboratóriumban drága (és indokolatlan) általános költségeket jelenthet.

Bár kényelmes lehet az E24 kondenzátorértékek hipotézisben történő értékelése, a valós világban ezek többségét aligha valósítják meg, valamint meghosszabbították a futási időket. Az E24 kondenzátor értékeinek megvásárlásához kevésbé bonyolult preferenciákat fog felfedezni.

Az 5. ábra alapos értékelése megállapítja, hogy a bevágás szerény mértékben elmulasztja a középfrekvenciát. Alacsonyabb Q értékeknél még mindig jelentősen megszüntethető a megadott bevágási frekvencia.

Abban az esetben, ha az elutasítás nem kielégítő, érdemes módosítani a bevágási szűrőt.

Visszatérve a 100 kHz-es forgatókönyvre, megfigyelhetjük, hogy a 100 kHz körüli reakció a 6. ábrán meghosszabbodik.

A középfrekvencia (100,731 kHz) bal és jobb oldalán lévő hullámformák összegyűjtése a szűrő reakcióinak felel meg, miután az 1 kΩ-os potenciométert 1% -os lépésekben elhelyeztük és módosítottuk.

Minden alkalommal, amikor a potenciométer félúton van beállítva, a bevágási szűrő elveti a frekvenciákat a pontos magfrekvencián.

A szimulált bemetszés mértéke valójában 95 dB nagyságrendű, azonban ennek egyszerűen nem kellene megvalósulnia a fizikai entitásban.

A potenciométer 1% -os átrendezése egy rést, amely általában meghaladja a 40 dB-t, egyenesen az előnyös frekvenciára helyezi.

Ismételten ez lehet a legjobb forgatókönyv, ha ideális komponensekkel végezzük, ennek ellenére a laboratóriumi adatok pontosabbak alacsonyabb frekvenciákon (10 és 100 kHz).

A 6. ábra meghatározza, hogy sokkal pontosabban kell elérnie a pontos frekvenciát R0 és C0 értékekkel a kezdet kezdetén. Mivel a potenciométer képes lehet kiterjeszteni a frekvenciákat egy széles spektrumon, a bemetszés mélysége romolhat.

Szerény tartományban (± 1%) el lehet érni a rossz frekvencia 100: 1 elutasítását, ennek ellenére nagyobb tartományban (± 10%), csak 10: 1 elutasítás valósítható meg.

Labor eredmények

A 4. ábrán látható áramkör összeállításához egy THS4032 kiértékelő táblát valósítottunk meg.

Valójában egy általános célú szerkezet, amely csupán 3 jumpert és traceto-t tartalmaz, és véglegesíti az áramkört.

Az 1. táblázatban szereplő komponensmennyiségeket alkalmaztuk, kezdve azoktól, amelyek valószínűleg 1 MHz-es frekvenciát okoznak.

A motívum a sávszélesség / lefordulási sebesség szabályozásának vadászata volt 1 MHz-en, és szükség esetén elérhetőbb vagy magasabb frekvenciákon végzett ellenőrzés.

Eredmények 1 MHz-en

A 7. ábra azt jelzi, hogy számos specifikus sávszélességű és / vagy lefordított sebességű reakciót kaphat 1 MHz-en. A reakció hullámformája 100 Q értéknél csak egy hullámot mutat, ahol a bevágás jelen lehet.

10-es Q értéknél csak 10 dB-es bemetszés és 1 dB-nél 30 dB-es bevágás létezik.

Úgy tűnik, hogy a rovátkás szűrők nem képesek olyan magas frekvenciát elérni, mint amire valószínűleg számíthatnánk, ennek ellenére a THS4032 egyszerűen egy 100 MHz-es eszköz.

Természetes, hogy jobb funkcionalitásra számíthatunk a megnövelt egységnyereségű sávszélességű alkatrészektől. Az egységszerzés stabilitása kritikus annak az oka, hogy a Fliege topológia fix egységnyereséget hordoz.

Amikor az alkotó azt reméli, hogy pontosan meg tudja közelíteni, hogy a sávszélesség elengedhetetlen-e egy adott frekvencián lévő bemetszéshez, akkor a megfelelő lépés az erősítés / sávszélesség kombináció, amint az az adatlapon szerepel, ennek a bemetszés középfrekvenciájának százszorosának kell lennie.

A megnövekedett Q értékek esetén valószínűleg további sávszélesség várható. Megtalálható a bemetszés középpontjának bizonyos mértékű eltérése a Q módosításakor.

Ez pontosan megegyezik a sávszűrőknél észlelt frekvenciaátmenettel.

A frekvenciaátalakulás alacsonyabb azoknak a bemetszőszűrőknek, amelyeket 100 kHz és 10 kHz frekvencián működnek, amint azt a 8. és végül a 10. ábra meghatározza.

Adatok 100 kHz-en

Az 1. táblázatban szereplő alkatrészmennyiségeket később hozzászokták, hogy 100 kHz-es bevágási szűrőket állítsanak elő különböző Q-kkal.

Az adatokat a 8. ábra mutatja be. Teljesen kristálytisztának tűnik, hogy működőképes bevágási szűrőket általában 100 kHz középfrekvenciával fejlesztenek ki, annak ellenére, hogy a bevágási mélység a Q nagyobb értékeinél lényegesen kisebb.

Ne feledje azonban, hogy az itt felsorolt ​​konfigurációs cél 100 kHz, nem 97 kHz.

Az előnyben részesített részértékek pontosan megegyeztek a szimulációval, ezért a bevágás középfrekvenciájának technikailag 100,731 kHz-en kell lennie, ennek ellenére a laboratóriumi tervezésben szereplő komponensek kifejtik az ütést.

Az 1000 pF-os kondenzátor-választék átlagos értéke 1030 pF, az 1,58-kΩ-os ellenállásoké 1,583 kΩ volt.

Bármikor, amikor a középfrekvenciát ezen értékek alapján dolgozzák ki, 97,14 kHz-re érkezik. A konkrét részeket ennek ellenére alig lehetett meghatározni (a tábla rendkívül érzékeny volt).

Feltéve, hogy a kondenzátorok ekvivalensek, könnyen lehet magasabbra emelkedni néhány hagyományos E96 ellenállásérték révén, hogy 100 kHz-ig szorosabb eredményt érjünk el.

Mondanom sem kell, hogy ez valószínűleg nem lehet alternatíva a nagy volumenű gyártásban, ahol a 10% kondenzátorok gyakorlatilag bármilyen csomagból származhatnak, és valószínűleg különböző gyártóktól származnak.

A középfrekvenciák kiválasztása az R0 és C0 tűréshatárok szerint történik, ami rossz hír abban az esetben, ha szükségessé válik egy magas Q bevágás.

Három módszer létezik ennek kezelésére:

Vásároljon nagyobb pontosságú ellenállásokat és kondenzátorokat

- minimalizálja a Q specifikációt és elégedjen meg a nem kívánt frekvencia kisebb elutasításával, vagy

finomítsa az áramkört (amelyre később gondoltak).

Jelenleg úgy tűnik, hogy az áramkör személyre szabottan fogadja a Q 10 értéket, és egy 1 kΩ-os potenciométert, amely integrálva van a középfrekvencia hangolásához (amint azt a 4. ábra mutatja).

A valós elrendezésben az előnyben részesített potenciométer-értéknek valamivel nagyobbnak kell lennie, mint az előírt tartomány, hogy a lehető legnagyobb mértékben lefedje a középfrekvenciák teljes tartományát, még az R0 és C0 tűrés legrosszabb esete esetén is.

Ez még nem valósult meg ezen a ponton, mert ez példa a potenciálok elemzésére, és 1 kΩ volt a legversenyképesebb potenciométer-minőség, amely elérhető a laboratóriumban.

Amikor az áramkört a 9. ábrán bemutatott módon 100 kHz-es középfrekvenciára állítottuk be és hangoltuk, a bevágási szint 32 dB-ről 14 dB-re romlott.

Ne feledje, hogy ez a mélységmélység drámai módon megnövelhető azáltal, hogy az előzetes f0-t szorosabban és a legmegfelelőbb értékre állítja.

A potenciométert kizárólag a középfrekvenciák szerény területén szabad módosítani.

A nem kívánt frekvencia 5: 1 arányú elutasítása azonban hiteles, és nagyon hasznos lehet sok felhasználásra. Sokkal fontosabb programok tagadhatatlanul nagyobb pontosságú alkatrészeket igényelnek.

Az op amp sávszélesség-korlátozások, amelyek képesek a hangolt bemetszés nagyságának további csökkentésére, szintén felelősek lehetnek abban, hogy megakadályozzák, hogy a bevágási fok minél kisebb legyen. Ezt szem előtt tartva az áramkört ismét 10 kHz-es középfrekvenciára állították be.

Eredmények 10 kHz-en

A 10. ábra meghatározza, hogy a 10 Q Q bevágási völgye 32 dB-re növekedett, ami annyit jelent, hogy a szimuláció 4% -kal alacsonyabb középfrekvenciájára számíthat (6. ábra).

Az opamp kétségtelenül csökkentette a bevágási mélységet 100 kHz-es középfrekvencián! A 32 dB-es bemetszés a 40: 1 arányú törlés, ami meglehetősen megfelelő lehet.

Ezért az előzetes 4% -os hibát előidéző ​​alkatrészek ellenére könnyű volt a 32 dB-es bemetszést a legkeresettebb középfrekvencián kinyomtatni.

A kellemetlen hír az a tény, hogy az opamp sávszélesség-korlátozásainak elkerülése érdekében a 100 MHz-es opamp-tal elképzelhető lehető legnagyobb bevágási frekvencia megközelítőleg 10 és 100 kHz.

Ami a rovátkás szűrőket illeti, a „nagy sebességű” -et ennek megfelelően valódinak tekintik, több száz kilohertznél.

A 10 kHz-es bemeneti szűrők kiváló gyakorlati alkalmazása az AM (közepes hullámú) vevőkészülékek, amelyekben a szomszédos állomások vivője hangos, 10 kHz-es csikorgást generál a hangban, különösen éjszaka. Ez minden bizonnyal az idegeit ronthatja, miközben a ráhangolás folyamatos.

A 11. ábra egy állomás felvett audiospektrumát mutatja, a 10 kHz-es bevágás használata és használata nélkül. Vegye figyelembe, hogy a 10 kHz-es zaj a felvett hang leghangosabb része (11a. Ábra), annak ellenére, hogy az emberi fül lényegesen kevésbé érzékeny rá.

Ezt a hangsávot éjszaka rögzítették egy közeli állomáson, amely mindkét oldalon kapott néhány erős állomást. Az FCC előírásai lehetővé teszik az állomáshordozók bizonyos eltéréseit.

Emiatt a két szomszédos állomás hordozófrekvenciájának szerény buktatói valószínűleg a 10 kHz-es zajokat heterodinná teszik, ami fokozza a bosszantó hallgatási élményt.

A résszűrő megvalósításakor (11b. Ábra) a 10 kHz-es hangot a szomszédos moduláció szintjére minimalizáljuk. Az audiospektrumban megfigyelhetők továbbá a 2 csatornás távolságra lévő állomások 20 kHz-es vivői és egy transzatlanti állomás 16 kHz-es hangja.

Ezek általában nem jelentenek nagy gondot, mivel az IF vevő jelentősen csillapítja őket. A 20 kHz körüli frekvencia mindkét esetben hallhatatlan az egyének elsöprő többsége számára.

Referenciák: