Disaini detailidega sälkfiltri ahelad

Selles artiklis läbime üksikasjaliku arutelu selle üle, kuidas kujundada täpse kesksagedusega ja maksimaalse mõju saavutamiseks sälkfiltreid.

Kus kasutatakse sälkfiltrit

Sälkfiltri ahelaid kasutatakse tavaliselt konkreetse sagedusvahemiku summutamiseks, tühistamiseks või tühistamiseks, et vältida tüütuid või soovimatuid häireid vooluahela konfiguratsioonis.

See muutub konkreetselt kasulikuks tundlikes heliseadmetes, nagu võimendid, raadiovastuvõtjad, kus on vaja lihtsate vahenditega kõrvaldada üks või valitud arv soovimatuid segavaid sagedusi.

Varasematel aastakümnetel kasutati aktiivseid sisselõikefiltreid võimendi- ja helirakenduste jaoks, et kõrvaldada 50- ja 60-Hz-alased häired. Need võrgud on keskjoonesageduse (f0) häälestamise, tasakaalu ja järjepidevuse seisukohast küll mõnevõrra ebamugavad.

Moodsate kiirusvõimendite kasutuselevõtuga muutus hädavajalikuks luua ühilduvad kiirsüvendfiltrid, mida saaks rakendada kiire kiirsüvendisageduse filtreerimise efektiivsel kiirusel.

Siinkohal proovime uurida kõrge pügala filtrite valmistamise võimalusi ja sellega seotud keerukust.

Olulised omadused

Enne teemasse süvenemist võtame kõigepealt kokku olulised omadused, mis võivad kavandatavate kiirete täppfiltrite kavandamisel rangelt nõuda.

1) Joonisel 1 simulatsioonis näidatud nullsügavuse järsus ei pruugi olla praktiliselt teostatav, kõige tõhusamad saavutatavad tulemused ei tohiks olla üle 40 või 50 dB.

2) Seetõttu tuleb mõista, et olulisem parandatav tegur on kesksagedus ja Q ning projekteerija peaks sälgu sügavuse asemel sellele keskenduma. Sälgfiltri kujunduse peamine eesmärk peaks olema soovimatu segava sageduse tagasilükkamise tase, see peab olema optimaalne.

3) Ülaltoodud probleemi saab optimaalselt lahendada, eelistades R- ja C-komponentide parimaid väärtusi, mida saab rakendada õigesti, kasutades viites 1 näidatud RC-kalkulaatorit, mida saab kasutada R0 ja C0 sobivaks tuvastamiseks. konkreetne sälkfiltri kujundamise rakendus.

Järgmised andmed uurivad ja aitavad mõista mõningate omavahel ühendatud sälkfiltri topoloogiate kujundust:

Twin-T sälgfilter

Joonisel3 näidatud Twin-T-filtri konfiguratsioon näeb välja üsna huvitav tänu oma heale jõudlusele ja vaid ühe opampi kaasamisele disaini.

Skeemiline

Kuigi ülaltoodud sälkfiltrilülitus on küllalt tõhus, võib sellel olla äärmiselt lihtsa tõttu allpool toodud äärmiselt lihtne:

Kujundus kasutab oma häälestamiseks kuut täppiskomponenti, kusjuures paar neist võimaldab saavutada teiste suhteid. Kui seda tüsistust tuleb vältida, võib vooluring vajada veel 8 täpsuskomponendi lisamist, näiteks R0 / 2 = 2nos R0 paralleelselt ja 2 paralleelselt C0 = 2no0s.

Twin-T topoloogia ei tööta hõlpsasti ühe toiteallikaga ega vasta täisväärtuslikele diferentsiaalvõimenditele.

Takisti väärtuste vahemik suureneb RQ tõttu pidevalt<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Kuid isegi ülaltoodud vaevade korral, kui kasutajal õnnestub disaini optimeerida kvaliteetsete täpsete komponentidega, võib antud rakenduse jaoks eeldada ja rakendada mõistlikult tõhusat filtreerimist.

Fly Notch filter

Joonisel 4 on näidatud Fliege Notchi filtri konstruktsioon, mis toob välja mõned erinevad eelised võrreldes Twin-T analoogiga, nagu on kirjeldatud allpool:

1) See sisaldab vaid paari täpsuskomponenti R-de ja Cs-de kujul, et täita täpset kesksageduse häälestust.

2) Selle disaini üks märkimisväärne aspekt on see, et see võimaldab komponentides ja seadetes väikseid ebatäpsusi, ilma et see mõjutaks sälgupunkti sügavust, kuigi kesksagedus võib vastavalt veidi muutuda.

3) Leiate paar takisti, mis vastutavad diskreetselt keskse sageduse määramise eest, mille väärtused ei pruugi olla äärmiselt kriitilised

4) Konfiguratsioon võimaldab keskse sageduse seadistamist mõistlikult kitsa vahemikuga, ilma et see mõjutaks sälgu sügavust olulisele tasemele.

Selle toploogia negatiivne külg on aga kahe opampi kasutamine ja ometi ei muutu see diferentsiaalvõimenditega kasutatavaks.

Simulatsioonide tulemused

Simulatsioonid viidi algul läbi kõige sobivamate Opamp-versioonidega. Varsti pärast kasutamist hakati kasutama tõsielulisi opamp-versioone, mille tulemused olid võrreldavad laboris tuvastatud tulemustega.

Tabelis 1 on näidatud komponentide väärtused, mida kasutati joonisel 4 toodud skeemi jaoks. Tundus, et pole mõtet simulatsioone läbi viia sagedusel 10 MHz või enam, peamiselt seetõttu, et laboratoorsed katsed viidi läbi peamiselt käivitamisena ja 1 MHz oli juhtiv sagedus, kus oli vaja rakendada sälkfiltrit.

Mõni sõna kondensaatorite kohta : Hoolimata asjaolust, et mahtuvus on simulatsioonide jaoks lihtsalt 'arv', on tegelikud kondensaatorid loodud ainulaadsetest dielektrilistest elementidest.

10 kHz korral sundis takisti väärtus venima kondensaatori väärtusele 10 nF. Kuigi see tegi demos triki õigesti, nõudis see laboris NPO dielektriku ja X7R dielektriku kohandamist, mis põhjustas sälkfiltri oma funktsiooniga täieliku languse.

Rakendatud 10-nF kondensaatorite spetsifikatsioonid olid väärtuse vahetus läheduses, mille tagajärjeks oli sälguse sügavuse langus peamiselt halva dielektriku tõttu. Vooluring oli sunnitud Q = 10 suhtes tagasi pöörduma ja R0 jaoks kasutati 3-MΩ.

Pärisringkondade jaoks on soovitatav järgida NPO kondensaatoreid. Tabelis 1 esitatud nõude väärtusi peeti heaks valikuks nii simulatsioonides kui ka labori väljatöötamisel.

Alguses viidi simulatsioonid läbi ilma 1-kΩ potentsiomeetrita (kaks 1-kΩ fikseeritud takistit olid ühendatud spetsiaalselt sünkroonis ja alumise opampi mittepöörava sisendiga).

Demo väljundid on toodud joonisel 5. Jooniselt 5 leiate 9 tulemust, kuid võite leida, et Q väärtuse lainekuju kattub teiste sageduste omadega.

Keskmise sageduse arvutamine

Kesksagedus on igal juhul mõõdukalt üle struktuuri eesmärgi 10 kHz, 100 kHz või 1 MHz. See võib olla nii lähedal, kui arendaja saab aktsepteeritud E96 takisti ja E12 kondensaatori abil omandada.

Mõelge olukorrale 100 kHz sälguga:

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

Nagu on näha, näib tulemus veidi märgist, seda saab veelgi sujuvamaks muuta ja lähendada vajalikule väärtusele, kui 1nF kondensaatorit modifitseeritakse standardse E24 väärtusega kondensaatoriga, nagu on näidatud allpool:

f = 1 / 2π
x 4,42 k x 360 pF = 100,022 kHz, näeb palju parem välja

E24 versiooni kondensaatorite kasutamine võib suurema osa ajast saavutada oluliselt täpsemaid keskseid sagedusi, kuid kuidagi võib E24 seeria koguste saamine olla paljudes laborites kõrge hinnaga (ja põhjendamatu) üldkulud.

Ehkki hüpoteesis võiks olla mugav hinnata E24 kondensaatori väärtusi, on reaalses maailmas enamikku neist vaevalt kunagi rakendatud, samuti on nendega seotud pikemad tööajad. Leiate vähem keerukad eelistused E24 kondensaatori väärtuste ostmisele.

Joonise 5 põhjalik hindamine määrab, et sälk jääb kesksagedusest mööda tagasihoidlikult. Väiksemate Q-väärtuste korral võite ikkagi märkimisväärselt tühistada määratud sage sageduse.

Juhul, kui tagasilükkamine ei ole rahuldav, võiksite muuta sälkfiltrit.

100 kHz stsenaariumi üle vaadates täheldame, et reaktsioon umbes 100 kHz on pikendatud joonisel 6.

Lainevormide kogum kesktsagedusest vasakule ja paremale (100,731 kHz) vastab filtri reaktsioonidele, kui 1-kΩ potentsiomeeter on paigutatud ja reguleeritud 1% kaupa.

Iga kord, kui potentsiomeeter on poolenisti häälestatud, lükkab sälkfilter sagedused täpselt südamiku sagedusel tagasi.

Simuleeritud sälgu aste on tegelikult suurusjärgus 95 dB, kuid see lihtsalt ei peaks füüsilises üksuses realiseeruma.

1% potentsiomeetri ümberpaigutamine asetab eelistatud sagedusele sirge, mis tavaliselt ületab 40 dB.

Taas võib see ideaalsete komponentidega tehes olla tõesti parim stsenaarium, kuid laboriandmed näitavad madalamatel sagedustel (10 ja 100 kHz) täpsust.

Joonisel 6 on kindlaks määratud, et kohe alguses peate saavutama R0 ja C0 täpsele sagedusele palju lähemal. Kuna potentsiomeeter suudab sagedusi sirvida ulatusliku spektri abil, võib sälgu sügavus halveneda.

Tagasihoidlikus vahemikus (± 1%) võib saavutada halva sageduse 100: 1 tagasilükkamise, kuid suuremas vahemikus (± 10%), ainult 10: 1 tagasilükkamine on teostatav.

Labori tulemused

Joonisel 4 toodud vooluahela kokkupanekuks kasutati THS4032 hindamisplaati.

See on tegelikult üldotstarbeline struktuur, milles vooluringi lõpuleviimiseks kasutatakse ainult kolme hüppaja koos tracetoga.

Rakendati tabelis 1 toodud komponentide koguseid, alustades neist, mis tõenäoliselt vähendaksid 1 MHz sagedust.

Motiiviks oli jahtida ribalaiuse / pöörlemiskiiruse eeskirju sagedusel 1 MHz ja vajadusel kontrollida taskukohasemate või kõrgemate sageduste korral.

Tulemused sagedusel 1 MHz

Joonis 7 tähistab, et sagedusel 1 MHz saate hulga konkreetseid ribalaiuse ja / või pöörlemissageduse reaktsioone. Reaktsiooni lainekuju Q juures 100 näitab lihtsalt pulsatsiooni, milles võib olla sälk.

Kui Q on 10, eksisteerib ainult 10-dB sälk ja 30-dB sälk Q-l 1.

Näib, et sälkfiltrid ei suuda saavutada nii kõrget sagedust, kui me tõenäoliselt arvata oskaksime, sellegipoolest on THS4032 lihtsalt 100 MHz seade.

On loomulik, et parema ühtsuse suurendamise ribalaiusega komponentide funktsionaalsust võib ette näha. Ühtsuse suurendamise stabiilsus on kriitiline põhjusel, et Fliege'i topoloogia kannab fikseeritud ühtsuse kasvu.

Kui looja loodab täpselt täpsustada, milline ribalaius on kindla sagedusega sälgu jaoks hädavajalik, on õige koht, kuhu liikuda, on andmelehel esitatud võimenduse / ribalaiuse kombinatsioon, mis peaks olema sada korda suurem kui sälgu keskmise sagedusega.

Q-väärtuste suurenemise korral võib eeldada täiendavat ribalaiust. Q modifitseerimisel leiate sälgukeskuse sagedushälbe astme.

See on täpselt sama, mis sagedussiiret täheldatud ribapääsfiltrite puhul.

100 kHz ja 10 kHz töötamiseks mõeldud sälefiltrite sageduse üleminek on madalam, nagu on näidatud joonisel 8 ja lõpuks joonisel 10.

Andmed sagedusel 100 kHz

Tabeli 1 osade kogused harjutati hiljem 100 kHz sünkfiltrite loomiseks erinevate Q-dega.

Andmed on esitatud joonisel 8. Tundub kohe kristallselge, et töötavad sälufiltrid töötatakse tavaliselt välja 100 kHz kesksagedusega, hoolimata asjaolust, et sälgude sügavus on suuremate Q väärtuste korral oluliselt väiksem.

Pidage siiski meeles, et siin loetletud konfiguratsiooni eesmärk on 100 kHz, mitte 97 kHz sälk.

Eelistatud osaväärtused olid täpselt samad, mis simulatsiooni puhul, seega peab sälgu kesksagedus olema tehniliselt sagedusel 100,731 kHz, kuid labori ülesehituses sisalduvad komponendid täpsustavad mõju.

1000-pF kondensaatori sortimendi keskmine väärtus oli 1030 pF ja 1,58 kΩ takisti sortimendi väärtus oli 1,583 kΩ.

Iga kord, kui keskväärtus nende väärtuste abil välja töötatakse, jõuab see 97,14 kHz-ni. Konkreetsed osad, vaatamata sellele, oli vaevalt võimalik kindlaks määrata (tahvel oli äärmiselt tundlik).

Tingimusel, et kondensaatorid on samaväärsed, võib mõnede tavapäraste E96 takisti väärtuste abil kergesti tõusta kõrgemale, et saavutada 100 kHz-ni tihedamad tulemused.

Ütlematagi selge, et see ei ole tõenäoliselt alternatiiv suuremahulises tootmises, kus 10% kondensaatorid võivad pärineda praktiliselt igast pakendist ja tõenäoliselt erinevatelt tootjatelt.

Kesksageduste valimine toimub vastavalt R0 ja C0 tolerantsidele, mis on halb uudis juhul, kui osutub vajalikuks kõrge Q sälk.

Sellega toimetulekuks on 3 meetodit:

Osta suurema täpsusega takistid ja kondensaatorid

minimeerida Q spetsifikatsioon ja leppida soovimatu sageduse väiksema tagasilükkamisega või

vooluringi (mida hiljem kaaluti) peenhäälestamine.

Praegu näib ahel olevat isikupärastatud, et saada Q 10 ja 1 kΩ potentsiomeeter, mis on integreeritud kesksageduse häälestamiseks (nagu on näidatud joonisel 4).

Reaalses paigutuses peaks eelistatav potentsiomeetri väärtus olema veidi suurem kui nõutav vahemik, et katta võimalikult palju kogu kesksageduste vahemikku isegi halvimate R0 ja C0 tolerantside korral.

Sellel hetkel polnud see saavutatud, sest see oli näide potentsiaalide analüüsimisel ja 1 kΩ oli laboris kõige konkurentsivõimelisem potentsiomeetri kvaliteet.

Kui vooluahelat reguleeriti ja häälestati 100 kHz kesksagedusele, nagu on näidatud joonisel 9, siis langes sälgutase 32 dB-lt 14 dB-le.

Pidage meeles, et seda pügala sügavust võib dramaatiliselt suurendada, pakkudes esialgse f0 tihedamalt parima sobiva väärtuseni.

Potentsiomeeter on ette nähtud muutmiseks ainult kesktsageduste tagasihoidlikul alal.

5: 1 soovimatu sageduse tagasilükkamine on siiski usaldusväärne ja võib väga hästi olla paljude rakenduste jaoks piisav. Palju olulisemad programmid võivad vaieldamatult vajada täpsemaid osi.

Võimendi ribalaiuse piirangud, mis on võimelised täiendavalt vähendama häälestatud sälgu suurust, võivad samuti olla vastutavad selle eest, et peatada sälgu astme võimalikult väike muutumine. Seda silmas pidades reguleeriti vooluahelat uuesti kesksageduseks 10 kHz.

Tulemused sagedusel 10 kHz

Joonisel 10 on kindlaks tehtud, et Q 10 jaoks mõeldud säluorg on suurenenud 32 dB-ni, mis võib olla see, mida võite simulatsioonist 4% soodsamalt arvata kesktsagedusest (joonis 6).

Opamp vähendas kahtlemata sisselõike sügavust keskmisel sagedusel 100 kHz! 32-dB sälk on 40: 1 tühistamine, mis võib olla mõistlikult korralik.

Seetõttu oli vaatamata osadele, mis koostasid esialgse 4% -se vea, olnud 32 dB-sälku kõige soovitud keskmisel sagedusel välja sirutada.

Ebameeldiv uudis on asjaolu, et opampi ribalaiuse piirangutest kõrvalehoidmiseks on 100 MHz opampiga mõeldav kõrgeim võimalik sälksagedus umbes 10 ja 100 kHz.

Mis puutub sälkfiltritesse, siis vastavalt sellele peetakse 'kiiret' ehtsaks umbes sadade kilohertside juures.

Suurepärane praktiline rakendus 10-kHz sälufiltrite jaoks on AM (keskmise lainega) vastuvõtjad, milles naaberjaamade operaator tekitab helis valju 10-kHz heli, eriti öösel. See võib kindlasti närvidele riivida, samal ajal kui häälestamine on pidev.

Joonisel 11 on kujutatud jaama vastuvõetud helispekter, rakendamata 10 kHz sälku. Pange tähele, et 10-kHz müra on ülestõstetud heli kõige valjem osa (joonis 11a), kuigi inimese kõrv on sellele oluliselt vähem vastuvõtlik.

See helivahemik jäädvustati öösel lähedal asuvas jaamas, mis võttis vastu paar võimsat jaama mõlemalt poolt. FCC sätted lubavad jaamakandjate teatud erinevusi.

Seetõttu põhjustavad kahe naaberjaama tagasihoidlikud lõksud 10 kHz müra tõenäoliselt heterodüüni, suurendades tüütu kuulamiskogemust.

Alati, kui rakendatakse sälkfiltrit (joonis 11b), minimeeritakse 10 kHz toon sobiva tasemeni nagu kõrvaloleva modulatsiooni puhul. Lisaks on audiospektris jälgitavad 20 kHz kandjad 2 kanali kaugusel asuvatest jaamadest ja atlandiülese jaama 16 kHz kandjad.

Need ei ole üldjuhul erilised probleemid, kuna vastuvõtja IF nõrgestab neid märkimisväärselt. Ligikaudu 20 kHz sagedus ei pruugi mõlemal juhul olla valdav enamuse inimeste jaoks kuuldav.

Viited: