Lovisuodatinpiirit suunnittelun yksityiskohdilla

Kokeile Instrumenttia Ongelmien Poistamiseksi





Tässä artikkelissa käydään läpi yksityiskohtainen keskustelu siitä, kuinka suunnitella lovisuodattimet tarkalla keskitaajuudella ja maksimaalisen iskun saamiseksi.

Missä käytetään lovisuodatinta

Lovisuodatinpiirejä käytetään yleensä tietyn taajuusalueen vaimentamiseen, tyhjenemiseen tai peruuttamiseen, jotta vältetään häiritsevät tai ei-toivotut häiriöt piirikokoonpanossa.



Se tulee erityisesti hyödylliseksi herkissä audiolaitteissa, kuten vahvistimissa, radiovastaanottimissa, joissa yksittäinen tai valittu määrä ei-toivottuja häiritseviä taajuuksia on poistettava yksinkertaisella tavalla.

Aktiivisia lovisuodattimia käytettiin aktiivisesti aikaisempina vuosikymmeninä vahvistin- ja äänisovelluksissa 50- ja 60-Hz: n hum-häiriöiden poistamiseksi. Nämä verkot ovat olleet jonkin verran hankalia keskitetyn taajuuden (f0) virityksen, tasapainon ja yhdenmukaisuuden näkökulmasta.



Nykyaikaisen suurnopeusvahvistimen käyttöönoton myötä oli välttämätöntä luoda yhteensopivia suurten nopeuksien lovisuodattimia, joita voitaisiin soveltaa nopeaan lovitaajuussuodatukseen tehokkaalla nopeudella.

Tässä yritämme tutkia mahdollisuuksia ja niihin liittyviä monimutkaisuuksia, jotka liittyvät korkean loven suodattimien valmistukseen.

Tärkeät ominaisuudet

Ennen kuin syvennetään aiheeseen, tehdään ensin yhteenveto tärkeistä ominaisuuksista, joita voidaan ehdottomasti tarvita suunniteltaessa ehdotettuja nopeita lovisuodattimia.

1) Kuvion 1 simulaatiossa ilmoitettu nollasyvyyden jyrkkyys ei ehkä ole käytännössä mahdollista, tehokkaimmat saavutettavat tulokset eivät voi olla yli 40 tai 50 dB.

tehokkain nollasyvyys ei voi olla yli 40 tai 50 dB

2) Siksi on ymmärrettävä, että merkittävämpi parannettava tekijä on keskitaajuus ja Q, ja suunnittelijan tulisi keskittyä tähän loven syvyyden sijasta. Lovisuodattimen suunnittelun päätavoitteena tulisi olla ei-toivotun häiritsevän taajuuden hylkäysaste, tämän on oltava optimaalinen.

3) Yllä oleva ongelma voidaan ratkaista optimaalisesti parhaiden R- ja C-komponenttien arvojen suosimisella, mikä voidaan toteuttaa käyttämällä oikein viitteessä 1 esitettyä RC-laskinta, jota voidaan käyttää R0: n ja C0: n asianmukaiseen tunnistamiseen. tietty loven suodattimen suunnittelusovellus.

Seuraavat tiedot tutkivat ja auttavat ymmärtämään joidenkin toisiinsa sijoittuvien lovisuodatintopologioiden suunnittelua:

Twin-T lovisuodatin

Kuvassa 3 esitetty Twin-T-suodatinkokoonpano näyttää varsin mielenkiintoiselta sen hyvän suorituskyvyn ja vain yhden opampin osallistumisen vuoksi.

Kaavamainen

kaksois-T-lovinen suodatinpiiri

Vaikka edellä mainittu lovisuodatinpiiri on kohtuullisen tehokas, sillä voi olla tiettyjä epäedullisia vaikutuksia äärimmäisen yksinkertaisuuden vuoksi, kuten alla on esitetty:

Suunnittelussa käytetään kuusi tarkkuuskomponenttia virityksessä, jolloin pari näistä saavuttaa muiden suhteet. Jos tätä komplikaatiota on vältettävä, piiri saattaa vaatia 8 muun tarkkuuskomponentin sisällyttämistä, kuten R0 / 2 = 2nos R0: sta rinnakkain ja 2 C0 = 2: een CO: n rinnakkain.

Twin-T-topologia ei toimi helposti yksittäisten virtalähteiden kanssa eikä täytä täysimittaisia ​​differentiaalivahvistimia.

Vastuksen arvojen alue kasvaa jatkuvasti RQ: n vuoksi<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Kuitenkin edes edellä mainittujen ongelmien varalta, jos käyttäjä onnistuu optimoimaan suunnittelun laadukkailla tarkoilla komponenteilla, voidaan odottaa ja toteuttaa kohtuullisen tehokas suodatus kyseiselle sovellukselle.

Fly Notch -suodatin

Kuva 4 osoittaa Fliege Notch -suodatinrakenteen, joka yksilöi muutaman erillisen edun verrattuna Twin-T-vastineeseen, kuten alla kerrotaan:

Fly Notch -suodatin

1) Se sisältää vain pari tarkkuuskomponenttia R: n ja Cs: n muodossa keskitaajuuden tarkan virityksen suorittamiseksi.

2) Yksi merkittävä näkökohta tässä suunnittelussa on, että se sallii pienet epätarkkuudet osissa ja asetuksissa vaikuttamatta loven pisteen syvyyteen, vaikka keskitaajuus voisi muuttua hieman vastaavasti.

3) Löydät muutaman vastuksen, jotka vastaavat keskitaajuuden määrittämisestä diskreettisesti, joiden arvot eivät välttämättä ole erittäin kriittisiä

4) Kokoonpano mahdollistaa keskitaajuuden asettamisen kohtuullisen kapealla alueella vaikuttamatta loven syvyyteen merkittävälle tasolle.

Negatiivinen asia tässä toplogiassa on kuitenkin kahden opampin käyttö, mutta silti siitä ei tule käyttökelpoista differentiaalivahvistimien kanssa.

Simulaatiotulokset

Simulaatiot tehtiin aluksi sopivimmilla opamp-versioilla. Pian käyttöön otettiin tosielämän opamp-versiot, jotka tuottivat tuloksia, jotka olivat verrattavissa laboratoriossa havaittuihin tuloksiin.

Taulukossa 1 on esitetty komponenttiarvot, jotka otettiin käyttöön kuvion 4 kaaviossa. Näyttää siltä, ​​että ei ole mitään järkeä suorittaa simulaatioita 10 MHz: n tai sitä suuremmalla osalla lähinnä siksi, että laboratoriotestit suoritettiin lähinnä aloituksena ja 1 MHz oli johtava taajuus, jossa lovisuodatin tarvittiin.

Sana kondensaattoreista : Huolimatta siitä, että kapasitanssi on vain simulaatioiden 'luku', todelliset kondensaattorit on suunniteltu ainutlaatuisista dielektrisistä elementeistä.

10 kHz: n vastuksen venytys pakotti kondensaattorin arvoon 10 nF. Vaikka tämä teki temppun oikein demossa, se vaati säätöä NPO-dielektrisestä X7R-dielektrikoksi laboratoriossa, mikä aiheutti lovisuodattimen pudotuksen täysin ominaisuudellaan.

Käytettyjen 10-nF-kondensaattorien spesifikaatiot olivat lähellä arvojaan, minkä seurauksena loven syvyyden lasku johtui pääasiassa huonosta dielektrisyydestä. Piiri pakotettiin palaamaan kuntoon Q = 10: n suhteen, ja R0: lle käytettiin 3-MΩ.

Todellisissa piireissä on suositeltavaa noudattaa NPO-kondensaattoreita. Taulukon 1 vaatimusarvoja pidettiin hyvänä vaihtoehtona sekä simulaatioissa että laboratorion kehittämisessä.

Alussa simulaatiot suoritettiin ilman 1 kΩ: n potentiometriä (kaksi 1 kΩ: n kiinteää vastusta liitettiin nimenomaan synkronoituna ja alemman opampin ei-käänteiseen tuloon).

Demolähdöt on esitetty kuvassa 5. Löydät 9 tulosta kuvasta 5, mutta saatat huomata, että aaltomuodot Q-arvoa kohti ovat päällekkäisiä muiden taajuuksien kanssa.

Q-arvoaaltomuodot ovat päällekkäisiä muilla taajuuksilla

Lasketaan keskitaajuus

Keskitaajuus on kaikissa olosuhteissa kohtalaisen korkeampi kuin 10 kHz, 100 kHz tai 1 MHz rakennetavoite. Tämä voi olla niin lähellä kuin kehittäjä voi hankkia hyväksytyllä E96-vastuksella ja E12-kondensaattorilla.

Ajattele tilannetta 100 kHz: n lovella:

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

Kuten voidaan nähdä, tulos näyttää hieman merkiltä, ​​tätä voidaan edelleen virtaviivaistaa ja tehdä lähemmäksi vaadittua arvoa, jos 1nF-kondensaattoria modifioidaan tavallisella E24-arvo-kondensaattorilla, kuten alla osoitetaan:

f = 1 / 2π
x 4,42 k x 360 pF = 100,022 kHz, näyttää paljon paremmalta

E24-versiokondensaattoreiden käyttö voi tuottaa huomattavasti tarkempia keskitaajuuksia suurimman osan ajasta, mutta jotenkin E24-sarjan määrien saaminen saattaa olla kalliita (ja kohtuuttomia) yleiskustannuksia lukuisissa laboratorioissa.

Vaikka voisi olla kätevää arvioida E24-kondensaattoriarvot hypoteesissa, tosiasiassa suurinta osaa niistä tuskin koskaan toteutetaan, samoin kuin niihin on pidennetty ajoaikoja. Löydät vähemmän monimutkaiset mieltymykset E24-kondensaattoriarvojen ostamiseen.

Kuvion 5 perusteellinen arviointi määrittää, että lovi menettää keskitaajuuden vaatimattomalla määrällä. Pienemmillä Q-arvoilla voit silti huomattavasti peruuttaa määritetyn lovitaajuuden.

Jos hylkääminen ei ole tyydyttävää, kannattaa säätää lovisuodatinta.

Tarkastelemalla taas 100 kHz: n skenaariota havaitsemme, että reaktio noin 100 kHz: n pidennetään kuviossa 6.

loven keskitaajuuden viritys

Keskitaajuuden (100,731 kHz) vasemmalla ja oikealla puolella olevien aaltomuotojen kokoelma vastaa suodatinreaktioita, kun 1 kΩ: n potentiometri on sijoitettu ja säädetty 1%: n välein.

Joka kerta, kun potentiometri viritetään puoliväliin, lovisuodatin hylkää taajuudet tarkalla ydintaajuudella.

Simuloidun loven aste on itse asiassa luokkaa 95 dB, mutta sen ei yksinkertaisesti ole tarkoitus toteutua fyysisessä kokonaisuudessa.

1%: n potentiometrin suuntaus asettaa loven, joka on yleensä yli 40 dB, suoraan suositellulle taajuudelle.

Jälleen kerran tämä voi olla paras skenaario, kun se tehdään ihanteellisilla komponenteilla, kuitenkin laboratoriotiedot näyttävät tarkemmilta matalilla taajuuksilla (10 ja 100 kHz).

Kuvassa 6 määritetään, että sinun on saavutettava paljon lähempänä tarkkaa taajuutta R0: lla ja C0: lla heti alussa. Koska potentiometri saattaa pystyä tasaamaan taajuuksia laajalla spektrillä, loven syvyys voi heikentyä.

Vaatimattomalla alueella (± 1%) voidaan saavuttaa huonon taajuuden hylkääminen 100: 1, kuitenkin suuremmalla alueella (± 10%), vain 10: 1 hylkääminen on mahdollista.

Laboratorion tulokset

THS4032-arviointilauta toteutettiin piirin kokoamiseksi kuvassa 4.

Se on oikeastaan ​​yleiskäyttöinen rakenne, jossa käytetään vain kolmea hyppääjää yhdessä traceton kanssa viimeistelemään piiri.

Taulukon 1 komponenttimääriä sovellettiin alkaen niistä, jotka todennäköisesti kumoaisivat 1 MHz: n taajuuden.

Motiivina oli etsiä kaistanleveys / taaksepäin säädettyjä taajuuksia 1 MHz: llä ja tarkistaa tarvittaessa edullisemmilla tai korkeammilla taajuuksilla.

Tulokset 1 MHz: ssä

Kuva 7 tarkoittaa, että voit saada useita spesifisiä kaistanleveys- ja / tai taajuusreaktioita taajuudella 1 MHz. Reaktion aaltomuoto Q: lla 100 on vain aaltoilu, jossa lovi voi olla läsnä.

10: n Q: lla on vain 10 dB: n lovi ja 30 dB: n lovi Q: lla 1.

Vaikuttaa siltä, ​​että lovisuodattimet eivät pysty saavuttamaan niin suurta taajuutta kuin todennäköisesti ennakoimme, silti THS4032 on yksinkertaisesti 100 MHz: n laite.

On luonnollista ennakoida ylivoimainen toiminnallisuus komponenteista, joilla on parannettu yhtenäisyyden vahvistamisen kaistanleveys. Unity-gain-vakaus on kriittinen siitä syystä, että Fliege-topologialla on kiinteä ykseysvoitto.

Kun luoja toivoo voivansa arvioida tarkalleen, mikä kaistanleveys on välttämätön lovelle tietyllä taajuudella, oikea paikka edetä on vahvistus / kaistanleveys-yhdistelmä, joka on esitetty tietolomakkeessa, jonka pitäisi olla sata kertaa loven keskitaajuus.

Lisäkaistanleveyttä voidaan mahdollisesti odottaa lisääntyneille Q-arvoille. Löydät loven keskuksen taajuuspoikkeaman, kun Q muuttuu.

Tämä on täsmälleen sama kuin kaistanpäästösuodattimille havaittu taajuussiirtymä.

Taajuuden siirtymä on pienempi lovisuodattimille, joita käytetään toimimaan taajuuksilla 100 kHz ja 10 kHz, kuten kuvassa 8 ja lopulta kuvassa 10 on esitetty.

lovisuodattimet toimivat taajuuksilla 100 kHz ja 10 kHz

Tiedot taajuudella 100 kHz

Taulukon 1 osamäärät tottelivat myöhemmin perustamaan 100 kHz: n lovisuodattimet, joilla oli erilaiset Q: t.

Tiedot on esitetty kuvassa 8. Näyttää heti kristallinkirkkaalta, että toimivia lovisuodattimia kehitetään tyypillisesti 100 kHz: n keskitaajuudella, huolimatta siitä, että loven syvyys sattuu olemaan huomattavasti pienempi suuremmilla Q-arvoilla.

Muista kuitenkin, että tässä lueteltu kokoonpanotavoite on 100 kHz eikä 97 kHz: n lovi.

Suositeltavat osa-arvot olivat aivan samat kuin simulaatiossa, joten loven keskitaajuuden on oltava teknisesti 100,731 kHz: ssä, silti vaikutukset ilmaistaan ​​laboratoriosuunnitteluun sisältyvillä komponenteilla.

1000-pF-kondensaattorivalikoiman keskiarvo oli 1030 pF ja 1,58-kΩ-vastusvalikoiman 1,583 kΩ.

Aina kun keskitaajuus määritetään näitä arvoja käyttäen, se saavuttaa 97,14 kHz. Erityisiä osia tästä huolimatta tuskin voitiin määrittää (lauta oli erittäin herkkä).

Edellyttäen, että kondensaattorit ovat samanarvoisia, voi olla helppo nousta korkeammaksi joillakin tavanomaisilla E96-vastusarvoilla 100 kHz: iin tiukempien tulosten saavuttamiseksi.

On sanomattakin selvää, että tämä ei todennäköisesti ole vaihtoehto suurten volyymien tuotannossa, jossa 10% kondensaattoreista voisi olla peräisin käytännössä mistä tahansa pakkauksesta ja todennäköisesti useilta valmistajilta.

Keskitaajuuksien valinta tapahtuu R0: n ja C0: n toleranssien mukaan, mikä on huono uutinen siinä tapauksessa, että tarvitaan korkea Q-lovi.

On 3 tapaa selviytyä tästä:

Osta tarkempia vastuksia ja kondensaattoreita

minimoida Q-määrittely ja tyytyä ei-toivotun taajuuden pienempään hylkäämiseen tai

hienosäädä virtapiiri (jota oli myöhemmin harkittu).

Juuri nyt piiri näyttää olevan räätälöity vastaanottamaan Q: n arvo 10 ja 1 kΩ: n potentiometri, joka on integroitu keskitaajuuden virittämiseksi (kuten kuvassa 4 on esitetty).

Todellisessa sijoittelussa suositeltavan potentiometrin arvon tulisi olla hieman vaadittua aluetta suurempi kattamaan koko keskitaajuuksien alue mahdollisimman paljon, jopa R0- ja C0-toleranssien pahimmassa tapauksessa.

Tätä ei ollut saavutettu tässä vaiheessa, koska tämä oli esimerkki potentiaalien analysoinnissa, ja 1 kΩ oli kilpailukykyisin potentiometrin laatu, jota laboratoriossa oli saatavilla.

Kun piiri säädettiin ja viritettiin 100 kHz: n keskitaajuudelle kuvan 9 mukaisesti, loven taso heikkeni 32 dB: stä 14 dB: iin.

Muista, että tätä loven syvyyttä voitaisiin mahdollisesti lisätä dramaattisesti tarjoamalla alustava f0 tiukemmaksi parhaaseen sopivaan arvoon.

Potentiometriä on tarkoitus säätää yksinomaan vaatimattomalla keskitaajuuksien alueella.

5: 1 ei-toivotun taajuuden hylkääminen on kuitenkin uskottavaa ja voisi hyvin sopia moniin käyttöihin. Paljon tärkeämmät ohjelmat voivat kiistatta vaatia tarkempia osia.

Op-vahvistimen kaistanleveysrajoitukset, jotka kykenevät lisäksi heikentämään viritetyn loven suuruutta, voivat myös olla vastuussa loven asteen pysäyttämisestä niin pieneksi kuin mahdollista. Tämä huomioon ottaen piiri säädettiin jälleen 10 kHz: n keskitaajuudelle.

Tulokset taajuudella 10 kHz

Kuva 10 määrittää, että Q: n 10 loven laakso on kasvanut 32 dB: iin, mikä voi olla se, mitä voit ennakoida 4%: n alennuksella keskitaajuudesta simulaatiosta (kuva 6).

loven laakso Q: lle 10 on kasvanut 32 dB: iin

Opamp pienensi epäilemättä loven syvyyttä keskitaajuudella 100 kHz! 32 dB: n lovi on 40: 1: n peruutus, joka voi olla kohtuullisen kunnollinen.

Siksi osista, jotka tekivät alustavan 4%: n virheen, oli ollut helppo murtaa 32 dB: n lovi halutuimmalla keskitaajuudella.

Epämiellyttävä uutinen on se, että opampin kaistanleveysrajoitusten välttämiseksi suurin mahdollinen lovitaajuus, joka voidaan ajatella 100 MHz: n opampilla, on noin 10 ja 100 kHz.

Lovisuodattimien osalta 'nopeaa' pidetään vastaavasti aitona noin satojen kilohertsien painolla.

Erinomainen käytännöllinen sovellus 10 kHz: n lovisuodattimille on AM (keskiaalto) -vastaanottimet, joissa naapuriasemien kantoaalto tuottaa äänelle voimakkaan 10 kHz: n äänen, erityisesti yöllä. Tämä voi varmasti raastaa ihmisen hermoja, kun viritys on jatkuvaa.

Kuvassa 11 on esitetty aseman äänispektri käyttämättä 10 kHz: n lovea. Huomaa, että 10 kHz: n kohina on äänen voimakkain osa (kuva 11a), vaikka ihmisen korva on olennaisesti vähemmän herkkä sille.

aseman äänispektri käyttämättä ja käyttämättä 10 kHz: n lovea

Tämä äänialue siepattiin yöllä läheisellä asemalla, joka vastaanotti pari voimakasta asemaa molemmin puolin. FCC: n määräykset sallivat aseman kantajien tietyn vaihtelun.

Tästä syystä kahden naapuriaseman kantotaajuuden vaatimattomat sudenkuopat todennäköisesti aiheuttavat 10 kHz: n ääniä heterodyneiksi, mikä lisää ärsyttävää kuuntelukokemusta.

Aina kun lovisuodatin otetaan käyttöön (kuvio 11b), 10 kHz: n ääni minimoituu vastaavalle tasolle kuin viereisen modulaation taso. Lisäksi audiospektrissä on havaittavissa 20 kHz: n kantoaaltoja 2 kanavan päässä sijaitsevilta asemilta ja 16 kHz: n ääni transatlanttiselta asemalta.

Nämä eivät yleensä ole suuria huolenaiheita, koska vastaanotin IF vaimentaa niitä huomattavasti. Noin 20 kHz: n taajuus voi olla kuullut ylivoimaiselle enemmistölle yksilöistä kummassakin tapauksessa.

Viitteet:

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://fi.wikipedia.org/wiki/Band-stop_filter


Edellinen: Mikä on akun sisäinen vastus Seuraava: Akun kuntotarkastuspiiri akun kunnon ja varmuuskopioinnin testaamiseksi