Circuiti con filtro Notch con dettagli di design

Prova Il Nostro Strumento Per Eliminare I Problemi





In questo articolo passiamo attraverso una discussione dettagliata su come progettare filtri notch con una frequenza centrale precisa e per il massimo impatto.

Dove vengono utilizzati i filtri Notch

I circuiti del filtro Notch vengono normalmente utilizzati per sopprimere, annullare o annullare una particolare gamma di frequenze al fine di evitare un'interferenza fastidiosa o indesiderata all'interno di una configurazione di circuito.



Diventa particolarmente utile in apparecchiature audio sensibili come amplificatori, ricevitori radio in cui è necessario eliminare una singola o un numero selezionato di frequenze di interferenza indesiderate con un mezzo semplice.

I filtri notch attivi sono stati utilizzati attivamente durante i primi decenni per amplificatori e applicazioni audio per eliminare le interferenze di ronzio a 50 e 60 Hz. Queste reti sono state, sebbene alquanto scomode, dal punto di vista della sintonizzazione, dell'equilibrio e della coerenza della frequenza di tacca centrale (f0).



Con l'introduzione dei moderni amplificatori ad alta velocità, è diventato imperativo creare filtri notch ad alta velocità compatibili che potessero essere applicati per gestire la filtrazione a frequenza notch ad alta velocità a un tasso efficiente.

Qui proveremo a indagare le possibilità e le complessità associate coinvolte nella realizzazione di filtri ad alta notch.

Caratteristiche importanti

Prima di addentrarci nell'argomento riassumiamo innanzitutto le caratteristiche importanti che possono essere strettamente richieste durante la progettazione dei filtri notch ad alta velocità proposti.

1) La pendenza della profondità nulla indicata nella simulazione di figura1 potrebbe non essere praticamente fattibile, i risultati più efficienti ottenibili potrebbero non essere superiori a 40 o 50 dB.

la profondità nulla più efficiente non può essere superiore a 40 o 50 dB

2) Pertanto, si deve capire che il fattore più significativo da migliorare è la frequenza centrale e il Q, e il progettista dovrebbe concentrarsi su questo invece che sulla profondità del notch. L'obiettivo principale durante la progettazione di un filtro notch dovrebbe essere il livello di rifiuto della frequenza di interferenza indesiderata, che deve essere ottimale.

3) Il problema di cui sopra può essere risolto in modo ottimale preferendo i valori migliori per i componenti R e C, che possono essere implementati utilizzando correttamente il calcolatore RC mostrato nel Riferimento 1, che può essere utilizzato per identificare in modo appropriato R0 e C0 per una particolare applicazione per la progettazione di filtri notch.

I seguenti dati esploreranno e aiuteranno a comprendere la progettazione di alcune topologie di filtri notch interetsing:

Filtro notch Twin-T

La configurazione del filtro Twin-T mostrata in figura3 sembra piuttosto interessante grazie alle sue buone prestazioni e al coinvolgimento di un solo amplificatore operazionale nel design.

Schematico

Doppio circuito del filtro notch a T.

Sebbene il circuito del filtro notch sopra indicato sia ragionevolmente efficiente, potrebbe avere alcuni svantaggi a causa dell'estrema semplicità che porta, come indicato di seguito:

Il design fa uso di 6 componenti di precisione per la sua messa a punto, di cui un paio per ottenere rapporti degli altri. Se questa complicazione deve essere evitata, il circuito potrebbe richiedere l'inclusione di 8 componenti di precisione aggiuntivi, come R0 / 2 = 2nos di R0 in parallelo e 2 in C0 = 2 no di C0 in parallelo.

Una topologia Twin-T non funziona facilmente con alimentatori singoli e non è conforme agli amplificatori differenziali a tutti gli effetti.

La gamma di valori del resistore continua ad aumentare a causa dell'RQ<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Tuttavia, anche con i problemi di cui sopra, se l'utente riesce a ottimizzare il design con componenti precisi di alta qualità, è possibile aspettarsi e implementare una filtrazione ragionevolmente efficace per la data applicazione.

Il filtro Fly Notch

La figura 4 indica il design del filtro Fliege Notch, che identifica alcuni vantaggi distinti rispetto alla controparte Twin-T, come narrato di seguito:

Il filtro Fly Notch

1) Incorpora solo un paio di componenti di precisione sotto forma di Rs e Cs al fine di soddisfare un'accurata sintonizzazione della frequenza centrale.

2) Un aspetto apprezzabile di questo design è che consente lievi imprecisioni all'interno dei componenti e delle impostazioni senza influire sulla profondità del punto di tacca, anche se la frequenza centrale potrebbe cambiare leggermente di conseguenza.

3) Troverai un paio di resistori responsabili della determinazione discreta della frequenza centrale i cui valori potrebbero non essere estremamente critici

4) La configurazione consente l'impostazione della frequenza centrale con un intervallo ragionevolmente ristretto senza influenzare la profondità della tacca a un livello significativo.

Tuttavia, l'aspetto negativo di questa topologia è l'uso di due amplificatori operazionali, eppure non diventa ancora utilizzabile con amplificatori differenziali.

Risultati delle simulazioni

Le simulazioni sono state inizialmente realizzate con le versioni opamp più adatte. Subito dopo sono state impiegate versioni realistiche di opamp, che hanno generato risultati paragonabili a quelli rilevati in laboratorio.

La Tabella 1 mostra i valori dei componenti che sono stati utilizzati per lo schema nella Figura 4. Non sembrava avere senso eseguire simulazioni a 10 MHz o superiori principalmente perché i test di laboratorio sono stati condotti essenzialmente come avvio e 1 MHz è stato la frequenza principale in cui era necessario applicare un filtro notch.

Una parola sui condensatori : Nonostante il fatto che la capacità sia semplicemente un 'numero' per le simulazioni, i condensatori reali sono progettati con elementi dielettrici unici.

Per 10 kHz, l'allungamento del valore della resistenza obbligava il condensatore a un valore di 10 nF. Anche se questo ha funzionato correttamente nella demo, ha richiesto una regolazione da un dielettrico NPO a un dielettrico X7R in laboratorio, il che ha causato la caduta totale del filtro notch con la sua caratteristica.

Le specifiche dei condensatori da 10 nF applicati erano in valore molto vicino, di conseguenza il calo della profondità dell'intaglio era principalmente responsabile a causa della scarsa dielettrica. Il circuito è stato costretto a tornare ai rispetti per un Q = 10, ed è stato impiegato un 3-MΩ per R0.

Per i circuiti del mondo reale, è consigliabile rispettare i condensatori NPO. I valori dei requisiti nella tabella 1 sono stati considerati una buona scelta sia nelle simulazioni che nello sviluppo in laboratorio.

All'inizio le simulazioni sono state eseguite senza il potenziometro da 1 kΩ (le due resistenze fisse da 1 kΩ erano associate specificatamente in sincronia, e all'ingresso non invertente dell'opamp inferiore).

Gli output demo sono presentati nella Figura 5. Nella Figura 5 sono presenti 9 risultati, tuttavia è possibile che le forme d'onda per valore Q si sovrappongano a quelle alle altre frequenze.

le forme d

Calcolo della frequenza centrale

La frequenza centrale in qualsiasi circostanza è moderatamente al di sopra di un obiettivo di struttura di 10 kHz, 100 kHz o 1 MHz. Questo può essere il più vicino possibile a uno sviluppatore con un resistore E96 accettato e un condensatore E12.

Pensa alla situazione usando un notch a 100 kHz:

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

Come si può vedere, il risultato sembra un po 'del segno, questo può essere ulteriormente semplificato e avvicinato al valore richiesto se il condensatore da 1nF viene modificato con un condensatore di valore E24 standard, come mostrato di seguito:

f = 1 / 2π
x 4.42k x 360 pF = 100.022 kHz, sembra molto meglio

L'uso di condensatori della versione E24 può portare a frequenze centrali sostanzialmente più precise per la maggior parte del tempo, ma in qualche modo ottenere le quantità della serie E24 potrebbe essere un sovraccarico costoso (e indebito) in numerosi laboratori.

Sebbene possa essere conveniente valutare i valori dei condensatori E24 in ipotesi, nel mondo reale la maggior parte di essi non viene quasi mai implementata, così come hanno tempi di esecuzione prolungati. Scoprirai preferenze meno complicate per l'acquisto dei valori del condensatore E24.

La valutazione approfondita della Figura 5 determina che il notch manca la frequenza centrale di una quantità modesta. A valori Q inferiori, è possibile trovare una cancellazione ancora considerevole della frequenza di notch specificata.

Nel caso in cui il rifiuto non sia soddisfacente, potresti voler modificare il filtro notch.

Di nuovo, contemplando lo scenario di 100 kHz, osserviamo che la reazione intorno ai 100 kHz è estesa in Figura 6.

sintonizzazione della frequenza centrale della tacca

La raccolta di forme d'onda a sinistra ea destra della frequenza centrale (100,731 kHz) corrisponde alle reazioni del filtro, una volta che il potenziometro da 1 kΩ è posizionato e ottimizzato con incrementi dell'1%.

Ogni volta che il potenziometro viene sintonizzato a metà, il filtro notch rifiuta le frequenze alla frequenza centrale precisa.

Il grado della tacca simulata è infatti dell'ordine di 95 dB, tuttavia questo semplicemente non dovrebbe materializzarsi nell'entità fisica.

Un riallineamento dell'1% del potenziometro pone una tacca che di solito supera i 40 dB direttamente sulla frequenza preferita.

Ancora una volta, questo potrebbe essere davvero lo scenario migliore se eseguito con componenti ideali, tuttavia i dati di laboratorio mostrano una maggiore precisione alle frequenze più basse (10 e 100 kHz).

La Figura 6 determina che è necessario ottenere una frequenza molto più vicina alla frequenza precisa con R0 e C0 all'inizio. Poiché il potenziometro può essere in grado di rettificare le frequenze su un ampio spettro, la profondità della tacca potrebbe diminuire.

Su un intervallo modesto (± 1%), si può ottenere un rifiuto di 100: 1 della frequenza cattiva, tuttavia su un intervallo maggiore (± 10%), è possibile solo un rifiuto di 10: 1.

Risultati di laboratorio

Una scheda di valutazione THS4032 è stata implementata per mettere insieme il circuito nella Figura 4.

In realtà è una struttura generica che utilizza solo 3 ponticelli insieme al trac per finalizzare il circuito.

Sono state applicate le quantità dei componenti nella tabella 1, a partire da quelle che probabilmente produrrebbe una frequenza di 1 MHz.

Il motivo era cercare le normative sulla larghezza di banda / velocità di variazione a 1 MHz e controllare frequenze più convenienti o più alte secondo necessità.

Risultati a 1 MHz

La figura 7 indica che è possibile ottenere una serie di specifiche reazioni di larghezza di banda e / o velocità di variazione a 1 MHz. La forma d'onda di reazione a un Q di 100 mostra solo un'ondulazione in cui può essere presente la tacca.

Con un Q di 10, esiste solo un notch di 10 dB e un notch di 30 dB con un Q di 1.

Sembra che i filtri notch non siano in grado di raggiungere una frequenza così alta come probabilmente ci aspetteremmo, tuttavia il THS4032 è semplicemente un dispositivo da 100 MHz.

È naturale prevedere funzionalità superiori da componenti con una larghezza di banda a guadagno unitario migliorata. La stabilità del guadagno unitario è fondamentale, poiché la topologia Fliege prevede un guadagno unitario fisso.

Quando il creatore spera di approssimare precisamente quale larghezza di banda è essenziale per una tacca a una frequenza specifica, un posto giusto dove andare è la combinazione guadagno / larghezza di banda come presentata nella scheda tecnica, che dovrebbe essere cento volte la frequenza centrale della tacca.

Potrebbe essere prevista una larghezza di banda supplementare per valori Q aumentati. È possibile trovare un grado di deviazione di frequenza del centro della tacca quando Q viene modificato.

Questo è esattamente lo stesso della transizione di frequenza notata per i filtri passa-banda.

La transizione di frequenza è inferiore per i filtri notch applicati per funzionare a 100 kHz e 10 kHz, come illustrato nella Figura 8 ed eventualmente nella Figura 10.

filtri notch applicati per lavorare a 100 kHz e 10 kHz

Dati a 100 kHz

Le quantità delle parti della tabella 1 sono state successivamente abituate a stabilire filtri notch a 100 kHz con Q diversi.

I dati sono presentati nella Figura 8. Sembra subito chiaro che i filtri notch funzionanti sono tipicamente sviluppati con una frequenza centrale di 100 kHz, nonostante il fatto che la profondità della tacca sia significativamente inferiore a valori maggiori di Q.

Tieni presente, tuttavia, che l'obiettivo di configurazione qui elencato è una tacca da 100 kHz e non da 97 kHz.

I valori delle parti preferiti erano gli stessi della simulazione, quindi la frequenza centrale del notch deve essere tecnicamente a 100,731 kHz, tuttavia l'impatto è spiegato dai componenti inclusi nel design del laboratorio.

Il valore medio dell'assortimento di condensatori da 1000 pF era di 1030 pF e dell'assortimento di resistori da 1,58 kΩ era di 1,583 kΩ.

Ogni volta che la frequenza centrale viene calcolata utilizzando questi valori, arriva a 97,14 kHz. Le parti specifiche, nonostante ciò, erano difficilmente determinabili (la tavola era estremamente sensibile).

A condizione che i condensatori siano equivalenti, potrebbe essere facile aumentare i valori dei resistori E96 convenzionali per ottenere risultati più stretti a 100 kHz.

Inutile dire che molto probabilmente questa potrebbe non essere un'alternativa nella produzione ad alto volume, dove i condensatori al 10% potrebbero provenire praticamente da qualsiasi pacchetto e probabilmente da diversi produttori.

La selezione delle frequenze centrali avverrà in base alle tolleranze di R0 e C0, che è una cattiva notizia nel caso in cui si rendesse necessaria una tacca Q alta.

Esistono 3 metodi per far fronte a questo:

Acquista resistori e condensatori di precisione più elevata

ridurre al minimo la specifica Q e accontentarsi di un minore rifiuto della frequenza indesiderata o

mettere a punto il circuito (che era stato contemplato successivamente).

In questo momento, il circuito sembra essere personalizzato per ricevere un Q di 10 e un potenziometro da 1 kΩ integrato per la sintonizzazione della frequenza centrale (come mostrato nella Figura 4).

Nel layout del mondo reale, il valore del potenziometro preferito dovrebbe essere un po 'più dell'intervallo richiesto per coprire il più possibile l'intera gamma delle frequenze centrali anche con il caso peggiore delle tolleranze R0 e C0.

Ciò non era stato raggiunto a questo punto, perché questo era un esempio nell'analisi delle potenzialità, e 1 kΩ era la qualità del potenziometro più competitiva disponibile in laboratorio.

Quando il circuito è stato regolato e sintonizzato per una frequenza centrale di 100 kHz, come illustrato nella Figura 9, il livello di tacca è diminuito da 32 dB a 14 dB.

Tieni presente che questa profondità di tacca potrebbe essere notevolmente migliorata fornendo il f0 preliminare più stretto al valore più adatto.

Il potenziometro è progettato per essere regolato esclusivamente su un'area modesta delle frequenze centrali.

Tuttavia, un rifiuto 5: 1 di una frequenza indesiderata è plausibile e potrebbe benissimo essere adeguato per molti utilizzi. Programmi molto più cruciali possono innegabilmente richiedere parti di precisione più elevata.

Le restrizioni sulla larghezza di banda dell'amplificatore operazionale, che hanno la capacità di degradare ulteriormente l'ampiezza della tacca sintonizzata, possono anche essere responsabili di impedire che il grado di tacca diventi il ​​più piccolo possibile. Tenendo presente questo, il circuito è stato nuovamente regolato per una frequenza centrale di 10 kHz.

Risultati a 10 kHz

La Figura 10 determina che la valle del notch per un Q di 10 è aumentata a 32 dB, che potrebbe essere di ciò che si può prevedere da una frequenza centrale del 4% in meno dalla simulazione (Figura 6).

La notch valley per un Q di 10 è aumentata a 32 dB

L'opamp stava senza dubbio riducendo la profondità della tacca a una frequenza centrale di 100 kHz! Un notch di 32 dB è una cancellazione di 40: 1, che potrebbe essere ragionevolmente decente.

Pertanto, nonostante le parti che hanno progettato un errore preliminare del 4%, è stato facile sfornare una tacca di 32 dB alla frequenza centrale più desiderata.

La notizia spiacevole è il fatto che per eludere i vincoli della larghezza di banda dell'amplificatore operazionale, la frequenza di notch più alta possibile concepibile con un amplificatore operazionale da 100 MHz è di circa 10 e 100 kHz.

Quando si tratta di filtri notch, 'alta velocità' è di conseguenza considerata autentica a circa centinaia di kilohertz.

Un'ottima applicazione pratica per i filtri notch a 10 kHz sono i ricevitori AM (onde medie), in cui il portante delle stazioni vicine genera un forte stridio di 10 kHz nell'audio, in particolare durante la notte. Questo potrebbe certamente irritare i nervi mentre la sintonizzazione è continua.

La Figura 11 mostra lo spettro audio acquisito di una stazione senza utilizzare e utilizzando la tacca da 10 kHz. Si noti che il rumore a 10 kHz è la sezione più forte dell'audio captato (Figura 11a), anche se l'orecchio umano è sostanzialmente meno suscettibile ad esso.

spettro audio di una stazione senza utilizzare e utilizzare la tacca a 10 kHz

Questa gamma audio è stata acquisita di notte su una stazione vicina che ha ricevuto un paio di potenti stazioni su entrambi i lati. Le disposizioni FCC consentono alcune variazioni dei vettori della stazione.

Per questo motivo, modeste insidie ​​nella frequenza portante delle due stazioni vicine rischiano di rendere i rumori a 10 kHz eterodini, aumentando la fastidiosa esperienza di ascolto.

Ogni volta che viene implementato il filtro notch (Figura 11b), il tono a 10 kHz viene ridotto al minimo al livello corrispondente a quello della modulazione adiacente. Inoltre, sullo spettro audio sono osservabili portanti a 20 kHz da stazioni a 2 canali di distanza e un tono a 16 kHz da una stazione transatlantica.

Questi non sono generalmente una grande preoccupazione, poiché sono notevolmente attenuati dal ricevitore IF. In entrambi i casi, una frequenza di circa 20 kHz potrebbe non essere udibile dalla stragrande maggioranza degli individui.

Riferimenti:

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


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