Kerbfilterschaltungen mit Konstruktionsdetails

In diesem Artikel wird ausführlich erläutert, wie Kerbfilter mit präziser Mittenfrequenz und maximaler Wirkung konstruiert werden können.

Wo Kerbfilter verwendet werden

Sperrfilterschaltungen werden normalerweise zum Unterdrücken, Aufheben oder Aufheben eines bestimmten Frequenzbereichs verwendet, um störende oder unerwünschte Interferenzen innerhalb einer Schaltungskonfiguration zu vermeiden.

Es wird insbesondere bei empfindlichen Audiogeräten wie Verstärkern und Funkempfängern nützlich, bei denen eine einzelne oder eine ausgewählte Anzahl unerwünschter Störfrequenzen auf einfache Weise beseitigt werden muss.

Aktive Sperrfilter wurden in den früheren Jahrzehnten aktiv für Verstärker- und Audioanwendungen verwendet, um Brummstörungen von 50 und 60 Hz zu beseitigen. Diese Netzwerke waren vom Standpunkt der Abstimmung, des Gleichgewichts und der Konsistenz der Mittenfrequenz (f0) etwas umständlich.

Mit der Einführung der modernen Hochgeschwindigkeitsverstärker wurde es unerlässlich, kompatible Hochgeschwindigkeits-Sperrfilter zu entwickeln, die zur effizienten Handhabung der Hochgeschwindigkeits-Sperrfrequenzfiltration eingesetzt werden können.

Hier werden wir versuchen, die Möglichkeiten und die damit verbundenen Komplexitäten bei der Herstellung von High-Notch-Filtern zu untersuchen.

Wichtige Eigenschaften

Bevor wir uns mit dem Thema befassen, fassen wir zunächst die wichtigen Eigenschaften zusammen, die beim Entwurf der vorgeschlagenen Hochgeschwindigkeits-Sperrfilter unbedingt erforderlich sein können.

1) Die in der Simulation von Abbildung 1 angegebene Steilheit der Nulltiefe ist möglicherweise praktisch nicht realisierbar. Die effizientesten erzielbaren Ergebnisse können nicht über 40 oder 50 dB liegen.

2) Daher muss verstanden werden, dass der wichtigste zu verbessernde Faktor die Mittenfrequenz und das Q ist, und der Konstrukteur sollte sich darauf konzentrieren, anstatt auf die Tiefe der Kerbe. Das Hauptziel bei der Herstellung eines Sperrfilterdesigns sollte der Grad der Unterdrückung der unerwünschten Störfrequenz sein, dies muss optimal sein.

3) Das obige Problem kann optimal gelöst werden, indem die besten Werte für die R- und C-Komponenten bevorzugt werden, die durch korrekte Verwendung des in Referenz 1 gezeigten RC-Rechners implementiert werden können, der zur geeigneten Identifizierung von R0 und C0 für verwendet werden kann eine bestimmte Anwendung zum Entwerfen von Sperrfiltern.

Die folgenden Daten untersuchen und helfen, das Design einiger interetierender Kerbfiltertopologien zu verstehen:

Twin-T-Kerbfilter

Die in Abbildung 3 gezeigte Twin-T-Filterkonfiguration sieht aufgrund ihrer guten Leistung und der Einbeziehung nur eines einzigen Operationsverstärkers in das Design recht interessant aus.

Schema

Obwohl die oben angegebene Sperrfilterschaltung einigermaßen effizient ist, kann sie aufgrund der extrem einfachen Einfachheit, die sie trägt, gewisse Nachteile haben, wie nachstehend angegeben:

Das Design verwendet 6 Präzisionskomponenten für seine Abstimmung, wobei einige davon zum Erreichen von Verhältnissen der anderen verwendet werden. Wenn diese Komplikation vermieden werden muss, muss die Schaltung möglicherweise 8 zusätzliche Präzisionskomponenten enthalten, z. B. R0 / 2 = 2nos von R0 parallel und 2 in C0 = 2nos von C0 parallel.

Eine Twin-T-Topologie funktioniert nicht ohne weiteres mit einzelnen Netzteilen und entspricht nicht den vollwertigen Differenzverstärkern.

Der Bereich der Widerstandswerte nimmt aufgrund des RQ weiter zu<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Selbst mit den oben genannten Problemen kann jedoch eine einigermaßen effektive Filtration für die gegebene Anwendung erwartet und implementiert werden, wenn es dem Benutzer gelingt, das Design mit hochqualitativen präzisen Komponenten zu optimieren.

The Fliege Notch Filter

Abbildung 4 zeigt das Fliege Notch-Filterdesign, das im Vergleich zum Twin-T-Gegenstück einige deutliche Vorteile aufweist, wie unten dargestellt:

1) Es enthält nur einige Präzisionskomponenten in Form von Rs und Cs, um eine genaue Mittenfrequenzabstimmung zu erreichen.

2) Ein bemerkenswerter Aspekt dieses Designs ist, dass es geringfügige Ungenauigkeiten innerhalb der Komponenten und der Einstellungen zulässt, ohne die Tiefe des Kerbpunkts zu beeinflussen, obwohl sich die Mittenfrequenz entsprechend geringfügig ändern könnte.

3) Sie finden einige Widerstände, die für die diskrete Bestimmung der Mittenfrequenz verantwortlich sind und deren Werte möglicherweise nicht extrem kritisch sind

4) Die Konfiguration ermöglicht das Einstellen der Mittenfrequenz mit einem angemessen engen Bereich, ohne die Kerbtiefe auf ein signifikantes Maß zu beeinflussen.

Das Negative an dieser Topologie ist jedoch die Verwendung von zwei Operationsverstärkern, und dennoch kann sie mit Differenzverstärkern nicht verwendet werden.

Simulationsergebnisse

Die Simulationen wurden zunächst mit den am besten geeigneten Opamp-Versionen durchgeführt. Bald darauf wurden naturgetreue Opamp-Versionen eingesetzt, die zu Ergebnissen führten, die mit denen im Labor vergleichbar waren.

Tabelle 1 zeigt die Komponentenwerte, die für das Schema in 4 verwendet wurden. Es schien keinen Sinn zu machen, Simulationen bei oder über 10 MHz durchzuführen, hauptsächlich weil Labortests im Wesentlichen als Start durchgeführt wurden und 1 MHz die führende Frequenz, bei der ein Sperrfilter angewendet werden musste.

Ein Wort zu Kondensatoren : Trotz der Tatsache, dass die Kapazität lediglich eine 'Zahl' für Simulationen ist, bestehen reale Kondensatoren aus einzigartigen dielektrischen Elementen.

Für 10 kHz verpflichtete die Widerstandswertdehnung den Kondensator auf einen Wert von 10 nF. Obwohl dies in der Demo den Trick korrekt ausgeführt hat, war im Labor eine Anpassung von einem NPO-Dielektrikum auf ein X7R-Dielektrikum erforderlich, wodurch der Sperrfilter mit seiner Funktion vollständig abfiel.

Die Spezifikationen der verwendeten 10-nF-Kondensatoren lagen im Wert nahe beieinander, weshalb der Rückgang der Kerbtiefe hauptsächlich auf ein schlechtes Dielektrikum zurückzuführen war. Die Schaltung wurde gezwungen, zu den Aspekten für ein Q = 10 zurückzukehren, und ein 3-MΩ für R0 wurde verwendet.

Für reale Schaltungen ist es ratsam, sich an NPO-Kondensatoren zu halten. Die Anforderungswerte in Tabelle 1 wurden sowohl in Simulationen als auch in der Laborentwicklung als gute Wahl angesehen.

Zu Beginn wurden die Simulationen ohne das 1-kΩ-Potentiometer durchgeführt (die beiden 1-kΩ-Festwiderstände waren spezifisch synchron und dem nicht invertierenden Eingang des unteren Operationsverstärkers zugeordnet).

Die Demo-Ausgänge sind in Abbildung 5 dargestellt. In Abbildung 5 finden Sie 9 Ergebnisse. Möglicherweise überlappen sich jedoch die Wellenformen pro Q-Wert mit denen der anderen Frequenzen.

Berechnung der Mittenfrequenz

Die Mittenfrequenz liegt unter allen Umständen moderat über einem Strukturziel von 10 kHz, 100 kHz oder 1 MHz. Dies kann so nahe sein, wie es ein Entwickler mit einem akzeptierten E96-Widerstand und einem E12-Kondensator erfassen kann.

Denken Sie mit einer 100-kHz-Kerbe an die Situation:

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

Wie zu sehen ist, sieht das Ergebnis leicht von der Marke ab. Dies kann weiter optimiert und näher an den erforderlichen Wert gebracht werden, wenn der 1nF-Kondensator mit einem Standard-E24-Kondensator modifiziert wird, wie unten gezeigt:

f = 1/2π
x 4,42 k x 360 pF = 100,022 kHz, sieht viel besser aus

Die Verwendung von Kondensatoren der E24-Version kann die meiste Zeit wesentlich präzisere Mittenfrequenzen bewirken, aber das Erhalten der Mengen der E24-Serie kann in zahlreichen Labors einen hohen (und unangemessenen) Overhead bedeuten.

Obwohl es zweckmäßig sein könnte, E24-Kondensatorwerte in einer Hypothese zu bewerten, werden die meisten von ihnen in der realen Welt kaum jemals implementiert und haben längere Laufzeiten. Sie werden weniger komplizierte Vorlieben für den Kauf von E24-Kondensatorwerten entdecken.

Eine gründliche Auswertung von 5 stellt fest, dass die Kerbe die Mittenfrequenz um einen bescheidenen Betrag verfehlt. Bei niedrigeren Q-Werten können Sie immer noch eine beträchtliche Aufhebung der angegebenen Kerbfrequenz feststellen.

Wenn die Zurückweisung nicht zufriedenstellend ist, können Sie den Sperrfilter optimieren.

Wenn wir noch einmal das Szenario von 100 kHz betrachten, stellen wir fest, dass die Reaktion um 100 kHz in Abbildung 6 erweitert ist.

Die Sammlung von Wellenformen links und rechts von der Mittenfrequenz (100,731 kHz) entspricht Filterreaktionen, sobald das 1-kΩ-Potentiometer positioniert und in Schritten von 1% angepasst wurde.

Jedes Mal, wenn das Potentiometer zur Hälfte eingestellt wird, weist das Sperrfilter Frequenzen mit der genauen Kernfrequenz zurück.

Der Grad der simulierten Kerbe liegt tatsächlich in der Größenordnung von 95 dB, dies soll jedoch in der physikalischen Einheit einfach nicht eintreten.

Bei einer Neuausrichtung des Potentiometers um 1% wird eine Kerbe, die normalerweise 40 dB überschreitet, direkt auf die bevorzugte Frequenz gelegt.

Auch dies ist möglicherweise das beste Szenario, wenn ideale Komponenten verwendet werden. Dennoch zeigen Labordaten bei niedrigeren Frequenzen (10 und 100 kHz) eine genauere Darstellung.

Abbildung 6 zeigt, dass Sie mit R0 und C0 gleich zu Beginn eine viel nähere Frequenz erreichen müssen. Da das Potentiometer möglicherweise Frequenzen über ein ausgedehntes Spektrum gleichrichten kann, kann sich die Tiefe der Kerbe verschlechtern.

Über einen bescheidenen Bereich (± 1%) kann eine 100: 1-Zurückweisung der schlechten Frequenz erreicht werden, über einen erhöhten Bereich (± 10%) ist jedoch nur eine 10: 1-Zurückweisung möglich.

Laborergebnisse

Eine THS4032-Evaluierungskarte wurde implementiert, um die Schaltung in Abbildung 4 zusammenzusetzen.

Es handelt sich tatsächlich um eine Allzweckstruktur, bei der lediglich 3 Jumper zusammen mit Trac verwendet werden, um die Schaltung abzuschließen.

Die Komponentenmengen in Tabelle 1 wurden angewendet, beginnend mit denen, die wahrscheinlich eine Frequenz von 1 MHz erzeugen würden.

Das Motiv bestand darin, nach Bandbreiten- / Anstiegsratenregelungen bei 1 MHz zu suchen und bei Bedarf bei günstigeren oder höheren Frequenzen zu prüfen.

Ergebnisse bei 1 MHz

Abbildung 7 zeigt, dass Sie eine Reihe spezifischer Bandbreiten- und / oder Anstiegsratenreaktionen bei 1 MHz erhalten können. Die Reaktionswellenform bei einem Q von 100 zeigt nur eine Welligkeit, wobei die Kerbe vorhanden sein kann.

Bei einem Q von 10 gibt es nur eine 10-dB-Kerbe und eine 30-dB-Kerbe bei einem Q von 1.

Es scheint, dass Notch-Filter nicht in der Lage sind, eine so hohe Frequenz zu erreichen, wie wir es wahrscheinlich erwarten würden. Dennoch ist der THS4032 einfach ein 100-MHz-Gerät.

Es ist natürlich, von Komponenten mit einer verbesserten Bandbreite für die Verstärkung der Einheit eine überlegene Funktionalität zu erwarten. Die Stabilität des Einheitsgewinns ist kritisch, da die Fliege-Topologie einen festen Einheitsgewinn aufweist.

Wenn der Ersteller genau annähern möchte, welche Bandbreite für eine Kerbe bei einer bestimmten Frequenz wesentlich ist, ist die im Datenblatt dargestellte Kombination aus Verstärkung und Bandbreite, die das Hundertfache der Mittenfrequenz der Kerbe betragen sollte, ein geeigneter Ort.

Bei erhöhten Q-Werten kann möglicherweise eine zusätzliche Bandbreite erwartet werden. Sie können einen Grad der Frequenzabweichung des Kerbzentrums finden, wenn Q geändert wird.

Dies ist genau der gleiche Frequenzübergang wie bei Bandpassfiltern.

Der Frequenzübergang ist bei Sperrfiltern, die bei 100 kHz und 10 kHz arbeiten, geringer, wie in Abbildung 8 und schließlich in Abbildung 10 dargestellt.

Daten bei 100 kHz

Teilmengen aus Tabelle 1 wurden anschließend verwendet, um 100-kHz-Sperrfilter mit verschiedenen Qs herzustellen.

Die Daten sind in Abbildung 8 dargestellt. Es ist sofort klar, dass funktionsfähige Sperrfilter typischerweise mit einer Mittenfrequenz von 100 kHz entwickelt werden, obwohl die Kerbentiefe bei größeren Werten von Q zufällig erheblich geringer ist.

Beachten Sie jedoch, dass das hier aufgeführte Konfigurationsziel eine 100-kHz-Kerbe und keine 97-kHz-Kerbe ist.

Die bevorzugten Teilewerte waren die gleichen wie für die Simulation, daher muss die Kerbmittenfrequenz technisch bei 100,731 kHz liegen, der Einfluss wird jedoch durch die im Labordesign enthaltenen Komponenten deutlich.

Der Durchschnittswert des 1000-pF-Kondensatorsortiments betrug 1030 pF und des 1,58-kΩ-Widerstands-Sortiments betrug 1,583 kΩ.

Jedes Mal, wenn die Mittenfrequenz mit diesen Werten berechnet wird, erreicht sie 97,14 kHz. Trotzdem konnten die spezifischen Teile kaum bestimmt werden (die Platine war äußerst empfindlich).

Vorausgesetzt, die Kondensatoren sind äquivalent, kann es leicht sein, durch einige herkömmliche E96-Widerstandswerte höher zu werden, um Ergebnisse zu erzielen, die enger als 100 kHz sind.

Unnötig zu erwähnen, dass dies höchstwahrscheinlich keine Alternative in der Massenproduktion sein könnte, bei der 10% -Kondensatoren möglicherweise aus praktisch jedem Gehäuse und wahrscheinlich von verschiedenen Herstellern stammen könnten.

Die Auswahl der Mittenfrequenzen erfolgt gemäß den Toleranzen von R0 und C0, was eine schlechte Nachricht ist, falls eine Kerbe mit hohem Q erforderlich wird.

Es gibt 3 Methoden, um damit umzugehen:

Kaufen Sie höherpräzise Widerstände und Kondensatoren

Minimieren Sie die Q-Spezifikation und geben Sie sich mit einer geringeren Zurückweisung der unerwünschten Frequenz oder zufrieden

Feineinstellung der Schaltung (die später in Betracht gezogen wurde).

Derzeit scheint die Schaltung für den Empfang eines Q von 10 und eines integrierten 1-kΩ-Potentiometers zum Einstellen der Mittenfrequenz (wie in Abbildung 4 dargestellt) personalisiert zu sein.

Im realen Layout sollte der bevorzugte Potentiometerwert etwas größer sein als der erforderliche Bereich, um den gesamten Bereich der Mittenfrequenzen so weit wie möglich abzudecken, selbst bei ungünstigsten Toleranzen von R0 und C0.

Dies war zu diesem Zeitpunkt noch nicht erreicht worden, da dies ein Beispiel für die Analyse von Potenzialen war und 1 kΩ die wettbewerbsfähigste Potentiometerqualität war, die im Labor verfügbar war.

Wenn die Schaltung auf eine Mittenfrequenz von 100 kHz eingestellt und abgestimmt wurde, wie in 9 dargestellt, verschlechterte sich der Kerbpegel von 32 dB auf 14 dB.

Denken Sie daran, dass diese Kerbtiefe möglicherweise dramatisch verbessert werden kann, indem der vorläufige f0 enger auf den am besten geeigneten Wert gebracht wird.

Das Potentiometer soll ausschließlich über einen bescheidenen Bereich von Mittenfrequenzen eingestellt werden.

Eine 5: 1-Ablehnung einer unerwünschten Frequenz ist jedoch glaubwürdig und könnte für viele Anwendungen durchaus ausreichend sein. Weitaus wichtigere Programme können zweifellos Teile mit höherer Präzision erfordern.

Bandbreitenbeschränkungen für Operationsverstärker, die die eingestellte Kerbgröße zusätzlich verschlechtern können, können auch dafür verantwortlich sein, dass der Kerbgrad nicht so klein wie möglich wird. Vor diesem Hintergrund wurde die Schaltung erneut auf eine Mittenfrequenz von 10 kHz eingestellt.

Ergebnisse bei 10 kHz

Abbildung 10 stellt fest, dass sich das Kerbtal für ein Q von 10 auf 32 dB erhöht hat. Dies kann durch das geschehen, was Sie von einer Mittenfrequenz erwarten können, die 4% von der Simulation abweicht (Abbildung 6).

Der Opamp reduzierte ohne Zweifel die Kerbtiefe bei einer Mittenfrequenz von 100 kHz! Eine 32-dB-Kerbe ist eine Auslöschung von 40: 1, die einigermaßen anständig sein könnte.

Daher war es trotz Teilen, die einen vorläufigen Fehler von 4% verursachten, leicht gewesen, eine Kerbe von 32 dB bei der am meisten gewünschten Mittenfrequenz zu erzeugen.

Die unangenehme Nachricht ist die Tatsache, dass die höchstmögliche Kerbfrequenz, die mit einem 100-MHz-Opamp denkbar ist, ungefähr 10 und 100 kHz beträgt, um Einschränkungen der Opamp-Bandbreite zu entgehen.

Wenn es um Sperrfilter geht, wird „High-Speed“ bei rund Hunderten von Kilohertz als echt angesehen.

Eine hervorragende praktische Anwendung für 10-kHz-Sperrfilter sind AM-Empfänger (Mittelwellenempfänger), bei denen der Träger von benachbarten Stationen speziell während der Nacht ein lautes 10-kHz-Kreischen im Audio erzeugt. Dies könnte sicherlich auf die Nerven gehen, während das Einstellen kontinuierlich ist.

Abbildung 11 zeigt das aufgenommene Audiospektrum einer Station, ohne dass die 10-kHz-Kerbe verwendet wurde. Beachten Sie, dass das 10-kHz-Rauschen der lauteste Teil des aufgenommenen Audios ist (Abbildung 11a), obwohl das menschliche Ohr wesentlich weniger anfällig dafür ist.

Dieser Audiobereich wurde nachts auf einer nahe gelegenen Station aufgenommen, die auf beiden Seiten einige leistungsstarke Sender empfing. FCC-Bestimmungen erlauben eine gewisse Varianz der Stationsträger.

Aus diesem Grund ist es wahrscheinlich, dass bescheidene Fallstricke bei der Trägerfrequenz der beiden benachbarten Stationen die 10-kHz-Geräusche heterodyn machen und das störende Hörerlebnis verbessern.

Immer wenn das Sperrfilter implementiert ist (Abbildung 11b), wird der 10-kHz-Ton auf den Anpassungspegel wie bei der benachbarten Modulation minimiert. Darüber hinaus sind im Audiospektrum 20-kHz-Träger von 2 Kanäle entfernten Stationen und ein 16-kHz-Ton von einer transatlantischen Station zu beobachten.

Diese sind im Allgemeinen kein großes Problem, da sie durch die Empfänger-ZF erheblich gedämpft werden. Eine Frequenz bei etwa 20 kHz kann in beiden Fällen für die überwiegende Mehrheit der Personen unhörbar sein.

Verweise: