Litar Penapis Notch dengan Butiran Reka Bentuk

Cuba Instrumen Kami Untuk Menghapuskan Masalah





Dalam artikel ini kita membahas perbincangan terperinci mengenai cara merancang penekan takik dengan frekuensi pusat yang tepat dan untuk kesan maksimum.

Tempat Penapis Notch Digunakan

Litar saringan takik biasanya digunakan untuk menekan, membatalkan, atau membatalkan julat frekuensi tertentu untuk mengelakkan gangguan yang mengganggu atau tidak diingini dalam konfigurasi litar.



Ia secara khusus menjadi berguna dalam peralatan audio sensitif seperti penguat, penerima radio di mana satu atau sebilangan frekuensi gangguan yang tidak diingini diperlukan untuk dihapuskan dengan cara yang mudah.

Penapis takik aktif digunakan secara aktif selama beberapa dekad sebelumnya untuk aplikasi penguat dan audio untuk menghilangkan gangguan hum 50- dan 60-Hz. Rangkaian ini walaupun agak canggung dari sudut penalaan, keseimbangan, dan konsistensi frekuensi takuk tengah (f0).



Dengan pengenalan penguat berkelajuan tinggi moden, menjadi mustahak untuk membuat penapis takik berkelajuan tinggi yang serasi yang dapat digunakan untuk menangani penapisan frekuensi takik berkelajuan tinggi pada kadar yang efisien.

Di sini kita akan cuba menyiasat kemungkinan dan kerumitan yang berkaitan dengan pembuatan saringan kedudukan tinggi.

Ciri-ciri Penting

Sebelum membahas subjek, mari kita meringkaskan terlebih dahulu ciri-ciri penting yang mungkin diperlukan semasa merancang penapis takaran berkelajuan tinggi yang dicadangkan.

1) Kecuraman kedalaman nol yang ditunjukkan dalam simulasi gambar1 mungkin tidak dapat dilaksanakan secara praktikal, hasil yang paling efisien yang dapat dicapai tidak boleh melebihi 40 atau 50dB.

kedalaman nol paling cekap tidak boleh melebihi 40 atau 50dB

2) Oleh itu, mesti difahami bahawa faktor yang lebih penting untuk diperbaiki adalah frekuensi pusat dan Q, dan pereka harus fokus pada ini dan bukannya kedalaman takik. Objektif utama semasa membuat reka bentuk saringan takik mestilah tahap penolakan frekuensi gangguan yang tidak diingini, ini mesti optimum.

3) Masalah di atas dapat diselesaikan secara optimum dengan memilih nilai terbaik untuk komponen R dan C, yang dapat dilaksanakan dengan benar menggunakan kalkulator RC yang ditunjukkan dalam Rujukan 1, yang dapat digunakan untuk mengenali R0, dan C0 dengan tepat untuk aplikasi merancang penapis notch tertentu.

Data berikut akan meneroka dan membantu memahami reka bentuk beberapa topologi penapis takik yang saling bersesuaian:

Penapis Notch Twin-T

Konfigurasi penapis Twin-T yang ditunjukkan dalam gambar3 kelihatan cukup menarik kerana prestasi yang baik dan penglibatan hanya satu opamp dalam reka bentuk.

Skematik

litar penapis takuk berkembar

Walaupun litar penekan takik yang ditunjukkan di atas cukup efisien, ia mungkin merugikan kerana kesederhanaan yang sangat tinggi, seperti yang diberikan di bawah:

Reka bentuk menggunakan 6 komponen ketepatan untuk penalaannya, di mana beberapa daripadanya untuk mencapai nisbah yang lain. Sekiranya komplikasi ini perlu dielakkan, litar mungkin memerlukan kemasukan 8 komponen ketepatan tambahan, seperti R0 / 2 = 2nos R0 secara selari dan 2 menjadi C0 = 2 nos C0 secara selari.

Topologi Twin-T tidak mudah berfungsi dengan bekalan kuasa tunggal, dan tidak mematuhi penguat pembezaan lengkap.

Julat nilai perintang terus meningkat kerana RQ<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Namun, walaupun dengan kerumitan di atas, jika pengguna berjaya mengoptimumkan reka bentuk dengan komponen tepat yang berkualiti tinggi, penapisan yang cukup efektif dapat diharapkan dan dilaksanakan untuk aplikasi yang diberikan.

Penapis Fly Notch

Gambar4 menunjukkan reka bentuk penapis Fliege Notch, yang mengenal pasti beberapa kelebihan berbeza jika dibandingkan dengan rakan kembar Twin-T, seperti yang diceritakan di bawah:

Penapis Fly Notch

1) Ia menggabungkan hanya beberapa komponen ketepatan dalam bentuk Rs dan Cs untuk memenuhi penalaan frekuensi pusat yang tepat.

2) Salah satu aspek yang sangat ketara mengenai reka bentuk ini adalah ia membenarkan sedikit ketidaktepatan dalam komponen dan tetapannya tanpa mempengaruhi kedalaman titik takik, walaupun frekuensi tengahnya dapat sedikit berubah.

3) Anda akan menemui beberapa perintang yang bertanggungjawab menentukan frekuensi pusat secara bijaksana yang nilainya mungkin tidak terlalu kritikal

4) Konfigurasi memungkinkan penyetelan frekuensi tengah dengan jarak yang agak sempit tanpa mempengaruhi kedalaman takik ke tahap yang signifikan.

Walau bagaimanapun, perkara negatif mengenai permainan ini adalah penggunaan dua opamps, namun ia tetap tidak dapat digunakan dengan penguat pembezaan.

Hasil Simulasi

Simulasi pada mulanya dilakukan dengan versi opamp yang paling sesuai. Versi opamp benar-benar hidup segera digunakan, yang menghasilkan hasil yang setanding dengan yang dikesan di makmal.

Jadual 1 menunjukkan nilai komponen yang digunakan untuk skema pada Gambar 4. Tampaknya tidak masuk akal untuk melakukan simulasi pada atau di atas 10 MHz terutamanya kerana ujian makmal pada dasarnya dilakukan sebagai permulaan, dan 1 MHz adalah frekuensi utama di mana penekan takik diperlukan untuk digunakan.

Satu perkataan mengenai kapasitor : Walaupun kapasitans hanyalah 'nombor' untuk simulasi, kapasitor sebenar dirancang dengan elemen dielektrik yang unik.

Untuk 10 kHz, regangan nilai perintang mewajibkan kapasitor ke nilai 10 nF. Walaupun ini melakukan muslihat dengan betul dalam demo, ia memerlukan penyesuaian dari dielektrik NPO ke dielektrik X7R di makmal yang menyebabkan penekan takik benar-benar jatuh dengan ciri-cirinya.

Spesifikasi kapasitor 10-nF yang diterapkan berada di dekat nilainya, akibatnya penurunan kedalaman takik terutama disebabkan oleh dielektrik yang buruk. Litar dipaksa untuk kembali ke nilai Q = 10, dan 3-MΩ untuk R0 digunakan.

Untuk litar dunia nyata, disarankan untuk mematuhi kapasitor NPO. Nilai keperluan dalam Jadual 1 dianggap sebagai pilihan yang baik sama dalam simulasi dan pengembangan makmal.

Pada awalnya, simulasi dilakukan tanpa potensiometer 1-kΩ (dua perintang tetap 1-kΩ dihubungkan secara khusus dalam penyegerakan, dan dengan input tidak terbalik dari opamp bawah).

Output demo ditunjukkan dalam Gambar 5. Anda akan menemui 9 keping hasil dalam Gambar 5, namun anda mungkin mendapati bentuk gelombang per nilai Q bertindih dengan frekuensi lain.

bentuk gelombang per nilai Q bertindih dengan frekuensi yang lain

Pusat Pengiraan Kekerapan

Frekuensi pusat dalam keadaan apa pun berada di atas objektif struktur 10 kHz, 100 kHz, atau 1 MHz. Ini sedekat yang dapat dicapai oleh pemaju dengan perintang E96 yang diterima dan kapasitor E12.

Fikirkan keadaan menggunakan takik 100 kHz:

f = 1 / 2πR0C0 = 1 / 2π x 1.58k x 1nF = 100.731 kHz

Seperti yang dapat dilihat, hasilnya kelihatan sedikit tanda, ini dapat diperkemas lebih jauh dan didekatkan dengan nilai yang diperlukan jika kapasitor 1nF diubah dengan kapasitor nilai E24 standard, seperti yang ditunjukkan di bawah:

f = 1 / 2π
x 4.42k x 360 pF = 100.022 kHz, kelihatan lebih baik

Penggunaan kapasitor versi E24 dapat menghasilkan frekuensi pusat yang jauh lebih tepat sepanjang masa, namun entah bagaimana mendapatkan kuantiti siri E24 mungkin merupakan overhead yang mahal (dan tidak semestinya) di banyak makmal.

Walaupun senang menilai nilai kapasitor E24 dalam hipotesis, di dunia nyata kebanyakannya hampir tidak pernah dilaksanakan, dan juga jangka masa lanjutan yang terlibat dengannya. Anda akan menemui pilihan yang kurang rumit untuk membeli nilai kapasitor E24.

Penilaian menyeluruh pada Rajah 5 menentukan bahawa takik ketinggalan frekuensi pusat dengan jumlah yang sederhana. Pada nilai Q yang lebih rendah, anda masih dapat melihat pembatalan frekuensi takik yang ditentukan.

Sekiranya penolakan tidak memuaskan, maka anda mungkin ingin mengubah suai takik.

Kembali lagi, dengan mempertimbangkan senario 100 kHz, kita melihat bahawa tindak balas sekitar 100 kHz diperpanjang dalam Rajah6.

penalaan frekuensi pusat takik

Pengumpulan bentuk gelombang ke kiri dan kanan frekuensi tengah (100.731 kHz) sesuai dengan tindak balas penapis, setelah potensiometer 1-kΩ diposisikan dan ditingkatkan dalam kenaikan 1%.

Setiap kali potensiometer ditala separuh, penekan takik menolak frekuensi pada frekuensi teras yang tepat.

Tahap takik simulasi sebenarnya berada pada tahap 95 dB, namun ini tidak seharusnya terwujud dalam entiti fizikal.

Penjajaran semula 1% potensiometer meletakkan takik yang biasanya melebihi 40 dB terus pada frekuensi yang disukai.

Sekali lagi, ini mungkin merupakan senario terbaik apabila dilakukan dengan komponen yang ideal, namun data makmal menunjukkan lebih tepat pada frekuensi yang lebih rendah (10 dan 100 kHz).

Gambar 6 menentukan bahawa anda perlu mencapai jarak yang lebih dekat dengan frekuensi tepat dengan R0 dan C0 pada awalnya. Oleh kerana potensiometer dapat memperbaiki frekuensi pada spektrum yang luas, kedalaman takik dapat menurun.

Dalam julat sederhana (± 1%), seseorang dapat mencapai 100: 1 penolakan frekuensi buruk namun pada julat yang meningkat (± 10%), hanya penolakan 10: 1 yang dapat dilakukan.

Hasil makmal

Papan penilaian THS4032 dilaksanakan untuk menyatukan litar pada Gambar 4.

Ini sebenarnya adalah struktur tujuan umum dengan hanya menggunakan 3 pelompat bersama dengan traceto menyelesaikan litar.

Kuantiti komponen dalam Jadual 1 diterapkan, dimulai dengan jumlah yang mungkin menghasilkan frekuensi 1 MHz.

Motifnya adalah mencari peraturan bandwidth / slew pada 1 MHz dan memeriksa frekuensi yang lebih berpatutan atau lebih tinggi jika diperlukan.

Hasilnya pada 1 MHz

Gambar 7 menandakan bahawa anda dapat memperoleh sejumlah tindak balas jalur lebar dan / atau kadar laju tertentu pada 1 MHz. Bentuk gelombang tindak balas pada Q 100 menunjukkan hanya riak di mana takiknya mungkin ada.

Pada Q dari 10, hanya terdapat takik 10-dB, dan takik 30-dB pada Q dari 1.

Nampaknya saringan takik tidak dapat mencapai frekuensi setinggi yang kita jangkakan, namun THS4032 hanyalah peranti 100-MHz.

Adalah wajar untuk mengantisipasi fungsi yang unggul dari komponen dengan lebar jalur peningkatan kesatuan. Kestabilan unity-gain sangat penting, kerana topologi Fliege membawa keuntungan kesatuan tetap.

Apabila pencipta berharap dapat menghitung dengan tepat lebar jalur apa yang penting untuk takik pada frekuensi tertentu, tempat yang tepat untuk dilalui adalah gabungan keuntungan / lebar jalur seperti yang ditunjukkan dalam lembar data, yang seharusnya seratus kali frekuensi tengah takik.

Lebar jalur tambahan mungkin diharapkan untuk peningkatan nilai Q. Anda dapat mengetahui tahap penyimpangan frekuensi pusat takik kerana Q diubah suai.

Ini sama seperti peralihan frekuensi yang diperhatikan untuk penapis jalur lebar.

Peralihan frekuensi lebih rendah untuk saringan takik yang digunakan untuk bekerja pada 100 kHz dan 10 kHz, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8 dan akhirnya pada Gambar 10.

penapis takik digunakan untuk berfungsi pada 100 kHz dan 10 kHz

Data pada 100 kHz

Kuantiti bahagian dari Jadual 1 kemudian terbiasa membuat penapis takik 100-kHz dengan Q yang beragam.

Data disajikan dalam Gambar 8. Nampak jelas bahawa penekan takik yang dapat digunakan biasanya dikembangkan dengan frekuensi pusat 100 kHz, walaupun pada kedalaman takik jauh lebih rendah pada nilai Q yang lebih besar.

Namun, ingatlah bahawa objektif konfigurasi yang disenaraikan di sini adalah 100-kHz bukan takik-97-kHz.

Nilai bahagian yang disukai adalah sama seperti simulasi, oleh itu frekuensi pusat takik harus secara teknikal pada 100.731 kHz namun kesannya dijelaskan oleh komponen yang termasuk dalam reka bentuk makmal.

Nilai purata bagi kumpulan kapasitor 1000-pF adalah 1030 pF, dan pelbagai perintang 1.58-kΩ adalah 1.583 kΩ.

Bila-bila masa frekuensi pusat dikendalikan menggunakan nilai-nilai ini, ia mencapai 97.14 kHz. Walaupun begitu, bahagian tertentu tidak dapat ditentukan (papannya sangat sensitif).

Dengan syarat kapasitor setara, mungkin mudah untuk meningkat lebih tinggi melalui beberapa nilai perintang E96 konvensional untuk mencapai hasil yang lebih ketat hingga 100 kHz.

Tidak perlu dikatakan, kemungkinan besar ini bukan alternatif dalam pengeluaran bervolume tinggi, di mana kapasitor 10% mungkin berasal dari hampir semua pakej dan mungkin dari pelbagai pengeluar.

Pemilihan frekuensi pusat akan sesuai dengan toleransi R0 dan C0, yang merupakan berita buruk sekiranya kedudukan Q tinggi diperlukan.

Terdapat 3 kaedah mengatasi ini:

Beli perintang dan kapasitor berketepatan tinggi

meminimumkan spesifikasi Q dan menyelesaikan penolakan frekuensi yang tidak diingini atau

memperbaiki litar (yang telah difikirkan kemudian).

Sekarang, litar nampaknya diperibadikan untuk menerima Q 10, dan potensiometer 1-kΩ yang disatukan untuk menala frekuensi tengah (seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4).

Dalam susun atur dunia nyata, nilai potensiometer yang disukai mestilah sedikit lebih daripada julat yang diperlukan untuk merangkumi jarak penuh frekuensi pusat sebanyak mungkin walaupun dengan toleransi R0 dan C0 terburuk.

Itu belum dapat dicapai pada ketika ini, kerana ini adalah contoh dalam menganalisis potensi, dan 1 kΩ adalah kualiti potensiometer paling kompetitif yang dapat diakses di makmal.

Apabila litar diselaraskan dan ditala untuk frekuensi pusat 100 kHz seperti yang digariskan dalam Gambar 9, tahap takik menurun dari 32 dB hingga 14 dB.

Perlu diingat bahawa kedalaman takik ini mungkin dapat ditingkatkan secara dramatik dengan memberikan awal yang lebih ketat ke nilai yang paling sesuai.

Potensiometer dimaksudkan untuk diubah secara eksklusif di kawasan frekuensi tengah yang sederhana.

Walau bagaimanapun, penolakan 5: 1 terhadap frekuensi yang tidak diingini boleh dipercayai dan mungkin cukup untuk digunakan. Program yang jauh lebih penting tidak dapat disangkal memerlukan bahagian dengan ketepatan yang lebih tinggi.

Pembatasan lebar jalur op, yang mempunyai kemampuan untuk menurunkan penurunan takuk yang diselaraskan, mungkin juga bertanggungjawab untuk menghentikan tahap takik dari sekecil yang mungkin. Mengingat hal ini, litar kembali disesuaikan dengan frekuensi pusat 10 kHz.

Hasilnya pada 10 kHz

Gambar 10 menentukan bahawa lembah takuk untuk Q dari 10 telah meningkat hingga 32 dB, itu mungkin dengan jangkaan yang anda dapat dari frekuensi pusat potongan 4% dari simulasi (Gambar 6).

takik lembah untuk Q 10 meningkat kepada 32 dB

Opamp tanpa ragu mengurangkan kedalaman takik pada frekuensi pusat 100 kHz! Kedudukan 32-dB adalah pembatalan 40: 1, yang mungkin cukup baik.

Oleh itu, walaupun terdapat beberapa bahagian yang membuat kesalahan awal sebanyak 4%, mudah untuk mengeluarkan takik 32-dB pada frekuensi pusat yang paling dikehendaki.

Berita yang tidak menyenangkan adalah hakikat bahawa untuk mengelakkan kekangan lebar jalur opamp, frekuensi takik tertinggi yang dapat difahami dengan opamp 100 MHz adalah sekitar 10 dan 100 kHz.

Ketika menggunakan filter takik, 'berkelajuan tinggi' dianggap asli pada sekitar ratusan kilohertz.

Aplikasi praktikal yang luar biasa untuk penapis takik 10-kHz adalah penerima AM (gelombang sederhana), di mana pembawa dari stesen jiran menghasilkan jeritan 10-kHz yang kuat dalam audio, khususnya pada waktu malam. Ini pasti dapat mengganggu saraf seseorang semasa penyesuaian berterusan.

Gambar 11 menunjukkan spektrum audio yang diambil dari stesen tanpa menggunakan dan menggunakan takik 10-kHz dilaksanakan. Perhatikan bahawa bunyi 10-kHz adalah bahagian paling kuat dari audio yang diambil (Gambar 11a), walaupun telinga manusia pada hakikatnya kurang rentan terhadapnya.

spektrum audio stesen tanpa menggunakan dan menggunakan takik 10-kHz

Rangkaian audio ini dirakam pada waktu malam di stesen berdekatan yang menerima beberapa stesen berkuasa di kedua-dua belah pihak. Ketentuan FCC membenarkan variasi tertentu dari pembawa stesen.

Atas sebab itu, perangkap sederhana dalam frekuensi pembawa kedua-dua stesen tetangga berkemungkinan membuat bunyi 10-kHz heterodyne, meningkatkan pengalaman mendengar yang menjengkelkan.

Setiap kali saringan takik dilaksanakan (Gambar 11b), nada 10-kHz diminimumkan ke level yang sepadan dengan modulasi yang berdekatan. Selanjutnya yang dapat dilihat pada spektrum audio ialah pembawa 20-kHz dari stesen yang berjarak 2 saluran dan nada 16-kHz dari stesen transatlantik.

Ini umumnya tidak menjadi perhatian besar, kerana ia dilemahkan oleh penerima JIKA. Frekuensi sekitar 20 kHz mungkin tidak dapat didengar oleh sebilangan besar individu dalam kedua-dua kes tersebut.

Rujukan:

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


Sebelumnya: Apakah Rintangan Dalaman Bateri Seterusnya: Litar Pemeriksa Kesihatan Bateri untuk Menguji Keadaan Bateri dan Sandaran