Цепи режекторного фильтра с деталями конструкции

В этой статье мы подробно рассмотрим, как создавать режекторные фильтры с точной центральной частотой и максимальной отдачей.

Где используется режекторный фильтр

Цепи режекторного фильтра обычно используются для подавления, обнуления или отмены определенного диапазона частот, чтобы избежать раздражающих или нежелательных помех в конфигурации схемы.

В частности, он становится полезным в чувствительном звуковом оборудовании, таком как усилители, радиоприемники, где требуется устранить одну или несколько нежелательных мешающих частот простыми средствами.

Активные режекторные фильтры активно использовались в предыдущие десятилетия в усилителях и аудиоприложениях для устранения помех 50 и 60 Гц. Эти сети были, хотя и несколько неудобными с точки зрения настройки, баланса и согласованности центральной частоты (f0).

С появлением современных высокоскоростных усилителей возникла необходимость в создании совместимых высокоскоростных режекторных фильтров, которые можно было бы применять для обработки высокоскоростной режекторной фильтрации с высокой скоростью.

Здесь мы попытаемся исследовать возможности и связанные с ними сложности, связанные с созданием высокочастотных фильтров.

Важные характеристики

Прежде чем углубляться в предмет, давайте сначала суммируем важные характеристики, которые могут строго требоваться при разработке предлагаемых высокоскоростных режекторных фильтров.

1) Крутизна нулевой глубины, указанная в моделировании на рисунке 1, может быть практически невозможна, наиболее эффективные достижимые результаты не могут быть выше 40 или 50 дБ.

2) Таким образом, следует понимать, что более существенным фактором, который необходимо улучшить, является центральная частота и добротность, и разработчику следует сосредоточиться на этом, а не на глубине выемки. Основной целью при создании конструкции режекторного фильтра должен быть уровень подавления нежелательной мешающей частоты, он должен быть оптимальным.

3) Вышеупомянутую проблему можно оптимально решить, отдав предпочтение наилучшим значениям для компонентов R и C, которые могут быть реализованы путем правильного использования RC-калькулятора, показанного в ссылке 1, который можно использовать для надлежащей идентификации R0 и C0 для конкретное приложение для проектирования режекторного фильтра.

Следующие данные помогут изучить и понять проектирование некоторых интересных топологий режекторного фильтра:

Режекторный фильтр Twin-T

Конфигурация фильтра Twin-T, показанная на рисунке 3, выглядит довольно интересной из-за ее хороших характеристик и использования в конструкции всего одного операционного усилителя.

Схема

Хотя указанная выше схема режекторного фильтра достаточно эффективна, она может иметь определенные недостатки из-за ее крайней простоты, как показано ниже:

В конструкции используются 6 прецизионных компонентов для настройки, причем пара из них предназначена для достижения соотношения остальных. Если этого усложнения необходимо избежать, в схему может потребоваться включение 8 дополнительных прецизионных компонентов, таких как R0 / 2 = 2 шт. Из R0 параллельно и 2 в C0 = 2 шт. Из C0 параллельно.

Топология Twin-T плохо работает с одиночными источниками питания и не совместима с полноценными дифференциальными усилителями.

Диапазон номиналов резисторов продолжает расти из-за RQ<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Однако даже с указанными выше проблемами, если пользователю удастся оптимизировать конструкцию с помощью высококачественных и точных компонентов, можно ожидать и реализовать достаточно эффективную фильтрацию для данного приложения.

Фильтр Fly Notch

На рисунке 4 показана конструкция фильтра Fliege Notch, которая определяет несколько явных преимуществ по сравнению с аналогом Twin-T, как описано ниже:

1) Он включает в себя всего пару прецизионных компонентов в форме Rs и Cs, чтобы выполнить точную настройку центральной частоты.

2) Одним из важных аспектов этой конструкции является то, что она допускает небольшие неточности в компонентах и ​​настройках, не влияя на глубину точки надреза, хотя центральная частота может немного измениться соответствующим образом.

3) Вы найдете пару резисторов, отвечающих за дискретное определение центральной частоты, значения которых могут быть не очень критичными.

4) Конфигурация позволяет установить центральную частоту с достаточно узким диапазоном без значительного влияния на глубину режекции.

Однако отрицательным моментом в этой топологии является использование двух операционных усилителей, и, тем не менее, она не может использоваться с дифференциальными усилителями.

Результаты моделирования

Первоначально моделирование проводилось с использованием наиболее подходящих версий операционных усилителей. Реалистичные версии операционных усилителей были вскоре использованы, что дало результаты, сопоставимые с результатами, обнаруженными в лаборатории.

Таблица 1 демонстрирует значения компонентов, которые были использованы для схемы на Рисунке 4. Казалось, что нет смысла проводить моделирование на частоте 10 МГц или выше, в основном потому, что лабораторные испытания проводились в основном как запуск, а 1 МГц была ведущая частота, на которой необходимо было применить режекторный фильтр.

Несколько слов о конденсаторах : Несмотря на то, что емкость - это просто «число» для моделирования, реальные конденсаторы созданы из уникальных диэлектрических элементов.

Для 10 кГц сопротивление резистора растягивалось, и конденсатор достигал 10 нФ. Хотя в демонстрации этот трюк сработал правильно, в лаборатории потребовалась корректировка диэлектрика NPO на диэлектрик X7R, что привело к тому, что режекторный фильтр полностью потерял свою функцию.

Характеристики применяемых конденсаторов емкостью 10 нФ были близки по стоимости, в результате чего уменьшение глубины надреза в основном объяснялось плохой диэлектрической проницаемостью. Схема была вынуждена вернуться к условиям для Q = 10, и было использовано 3 МОм для R0.

Для реальных схем желательно придерживаться конденсаторов NPO. Значения требований в таблице 1 были сочтены хорошим выбором как при моделировании, так и при лабораторных разработках.

Вначале моделирование проводилось без потенциометра 1 кОм (два фиксированных резистора 1 кОм были связаны специально синхронно и с неинвертирующим входом нижнего операционного усилителя).

Демонстрационные выходы представлены на рисунке 5. Вы найдете 9 результатов на рисунке 5, однако вы можете обнаружить, что формы сигналов для каждого значения Q перекрываются с сигналами на других частотах.

Расчет центральной частоты

Центральная частота в любых обстоятельствах умеренно выше целевой структуры 10 кГц, 100 кГц или 1 МГц. Это может быть настолько близко, насколько разработчик может приобрести с приемлемым резистором E96 и конденсатором E12.

Подумайте о ситуации, используя вырез 100 кГц:

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

Как видно, результат выглядит несколько неуместным, его можно дополнительно оптимизировать и приблизить к требуемому значению, если конденсатор 1 нФ модифицирован конденсатором стандартного номинала E24, как показано ниже:

f = 1 / 2π
x 4,42 кГц x 360 пФ = 100,022 кГц, выглядит намного лучше

Использование конденсаторов версии E24 может обеспечить существенно более точные центральные частоты большую часть времени, но каким-то образом получение количеств серии E24 может быть дорогостоящим (и чрезмерным) накладными расходами в многочисленных лабораториях.

Хотя было бы удобно оценить номиналы конденсаторов E24 в гипотезе, в реальном мире большинство из них практически не реализованы, а также имеют увеличенное время работы. Вы обнаружите менее сложные предпочтения при покупке конденсаторов E24.

Тщательная оценка рисунка 5 определяет, что метка пропускает центральную частоту на небольшую величину. При меньших значениях Q вы все еще можете обнаружить значительную отмену указанной частоты режекции.

Если отклонение не удовлетворительное, вы можете настроить режекторный фильтр.

Снова, рассматривая сценарий 100 кГц, мы видим, что реакция около 100 кГц расширена на Рисунке 6.

Набор форм сигналов слева и справа от центральной частоты (100,731 кГц) соответствует реакциям фильтра после того, как потенциометр 1 кОм установлен и настроен с шагом 1%.

Каждый раз, когда потенциометр настраивается наполовину, режекторный фильтр отбрасывает частоты с точной частотой ядра.

Степень смоделированного надреза на самом деле составляет порядка 95 дБ, однако это просто не предполагается материализоваться в физическом объекте.

Перенастройка потенциометра на 1% создает выемку, которая обычно превышает 40 дБ, прямо на предпочтительной частоте.

Опять же, это действительно может быть лучший сценарий при использовании идеальных компонентов, тем не менее, лабораторные данные показывают более точные результаты на более низких частотах (10 и 100 кГц).

На рисунке 6 показано, что вам нужно достичь гораздо более точной частоты с R0 и C0 в самом начале. Поскольку потенциометр может исправлять частоты в широком спектре, глубина выемки может уменьшаться.

В скромном диапазоне (± 1%) можно достичь подавления плохой частоты 100: 1, однако в увеличенном диапазоне (± 10%) возможно подавление только 10: 1.

Результаты лабораторных исследований

Для сборки схемы, показанной на Рисунке 4, была использована оценочная плата THS4032.

На самом деле это универсальная структура, использующая всего 3 перемычки вместе с дорожкой для завершения схемы.

Количества компонентов в таблице 1 были применены, начиная с тех, которые, вероятно, будут производить частоту 1 МГц.

Мотив состоял в том, чтобы найти нормативы полосы пропускания / скорости нарастания на 1 МГц и проверить более доступные или более высокие частоты по мере необходимости.

Результаты на 1 МГц

Рисунок 7 показывает, что вы можете получить ряд реакций с определенной полосой пропускания и / или скоростью нарастания на 1 МГц. Форма волны реакции при Q, равном 100, демонстрирует только рябь, на которой может присутствовать выемка.

При Q, равном 10, существует только отметка на 10 дБ и отметка на 30 дБ при добротности 1.

Кажется, что режекторные фильтры не могут достичь такой высокой частоты, как мы, вероятно, ожидали, тем не менее THS4032 - это просто устройство на 100 МГц.

Естественно ожидать превосходной функциональности от компонентов с улучшенной полосой пропускания с единичным усилением. Стабильность единичного усиления критична по той причине, что топология Fliege имеет фиксированное единичное усиление.

Когда создатель надеется приблизительно точно определить, какая полоса пропускания важна для метки на определенной частоте, правильным местом для работы является комбинация усиления / пропускной способности, представленная в таблице данных, которая должна быть в сто раз больше центральной частоты метки.

При увеличении значений Q можно ожидать дополнительной полосы пропускания. Вы можете определить степень отклонения частоты центра метки при изменении Q.

Это точно так же, как и частотный переход, замеченный для полосовых фильтров.

Частотный переход ниже для режекторных фильтров, применяемых для работы на частотах 100 и 10 кГц, как показано на рисунке 8 и, в конечном итоге, на рисунке 10.

Данные на 100 кГц

Количества деталей из таблицы 1 впоследствии были использованы для создания режекторных фильтров 100 кГц с различными добротностями.

Данные представлены на рисунке 8. Совершенно очевидно, что работоспособные режекторные фильтры обычно разрабатываются с центральной частотой 100 кГц, несмотря на тот факт, что глубина режекции оказывается значительно меньше при больших значениях Q.

Однако имейте в виду, что указанная здесь цель конфигурации - это 100 кГц, а не 97 кГц.

Предпочтительные значения деталей были такими же, как и для моделирования, следовательно, центральная частота надреза должна быть технически равной 100,731 кГц, тем не менее влияние определяется компонентами, включенными в проект лаборатории.

Среднее значение для набора конденсаторов на 1000 пФ составило 1030 пФ, для набора резисторов на 1,58 кОм - 1,583 кОм.

Каждый раз, когда центральная частота вычисляется с использованием этих значений, она достигает 97,14 кГц. Конкретные части, несмотря на это, трудно было определить (плата была чрезвычайно чувствительной).

При условии, что конденсаторы эквивалентны, вполне может быть легко увеличить их с помощью некоторых обычных резисторов E96, чтобы получить результаты, близкие к 100 кГц.

Излишне говорить, что это, скорее всего, не может быть альтернативой при крупносерийном производстве, где 10% конденсаторов могут быть получены практически из любой упаковки и, вероятно, от разных производителей.

Выбор центральных частот будет производиться в соответствии с допусками R0 и C0, что является плохой новостью в случае, если потребуется высокий Q-режектор.

Есть 3 способа справиться с этим:

Купить резисторы и конденсаторы повышенной точности.

минимизировать спецификацию Q и согласиться на меньшее отклонение нежелательной частоты или

произвести точную настройку схемы (что предполагалось впоследствии).

Прямо сейчас схема, похоже, персонализирована для получения добротности 10 и встроенного потенциометра 1 кОм для настройки центральной частоты (как показано на рисунке 4).

В реальной схеме предпочтительное значение потенциометра должно быть немного больше требуемого диапазона, чтобы максимально охватить весь диапазон центральных частот даже с наихудшим случаем допусков R0 и C0.

На данный момент это не было выполнено, потому что это был пример анализа потенциальных возможностей, а 1 кОм был наиболее конкурентоспособным качеством потенциометра, доступным в лаборатории.

Когда схема была отрегулирована и настроена на центральную частоту 100 кГц, как показано на рисунке 9, уровень режекции снизился с 32 дБ до 14 дБ.

Имейте в виду, что эту глубину выемки можно значительно увеличить, если установить предварительное значение f0 до наиболее подходящего значения.

Потенциометр предназначен для настройки исключительно в небольшой области центральных частот.

Однако подавление нежелательной частоты 5: 1 заслуживает доверия и вполне может быть адекватным для многих случаев использования. Для гораздо более важных программ, несомненно, требуются детали более высокой точности.

Ограничения полосы пропускания операционного усилителя, которые могут дополнительно ухудшать величину настроенной режекции, также могут нести ответственность за предотвращение того, чтобы степень режекции становилась настолько маленькой, насколько это возможно. Принимая это во внимание, схема была снова настроена на центральную частоту 10 кГц.

Результаты на 10 кГц

На рисунке 10 показано, что провал провала для Q = 10 увеличился до 32 дБ, что может быть тем, что вы можете ожидать от центральной частоты, отклоняющейся на 4% от моделирования (рисунок 6).

Операционный усилитель, без сомнения, уменьшал глубину провала на центральной частоте 100 кГц! Уровень 32 дБ - это подавление 40: 1, что могло бы быть достаточно приличным.

Таким образом, несмотря на то, что в некоторых деталях была предусмотрена предварительная ошибка в 4%, было легко получить отметку 32 дБ на наиболее желаемой центральной частоте.

Неприятная новость заключается в том, что во избежание ограничений полосы пропускания операционного усилителя максимально возможная частота режекции, которую можно представить для операционного усилителя 100 МГц, составляет примерно 10 и 100 кГц.

Когда дело доходит до режекторных фильтров, «высокоскоростной» считается подлинным на уровне около сотен килогерц.

Превосходным практическим применением режекторных фильтров 10 кГц являются приемники AM (средневолновые), в которых несущая от соседних станций генерирует громкий визг 10 кГц в звуке, особенно в ночное время. Это, безусловно, может действовать на нервы, пока вы настраиваетесь постоянно.

На рисунке 11 показан записанный звуковой спектр станции без использования и с использованием режекции 10 кГц. Обратите внимание, что шум 10 кГц - это самая громкая часть воспринимаемого звука (рис. 11a), хотя человеческое ухо к нему значительно менее восприимчиво.

Этот диапазон звука был записан ночью на соседней станции, которая приняла несколько мощных станций с обеих сторон. Положения Федеральной комиссии по связи допускают определенные различия между операторами связи.

По этой причине небольшие ошибки в несущей частоте двух соседних станций, вероятно, сделают шумы в 10 кГц гетеродинными, что повысит раздражающее качество прослушивания.

Всякий раз, когда применяется режекторный фильтр (рисунок 11b), тон 10 кГц минимизируется до уровня согласования, как у соседней модуляции. Кроме того, в звуковом спектре можно наблюдать несущие 20 кГц от станций на расстоянии 2 каналов и тональный сигнал 16 кГц от трансатлантической станции.

Обычно это не вызывает большого беспокойства, поскольку они значительно ослабляются ПЧ приемника. В любом случае частота около 20 кГц может быть не слышна для подавляющего большинства людей.

Рекомендации: