Notch-filtercircuits met ontwerpdetails

In dit artikel gaan we door een gedetailleerde discussie over het ontwerpen van notch-filters met een precieze middenfrequentie en voor maximale impact.

Waar Notch Filter wordt gebruikt

Notch-filtercircuits worden normaal gebruikt voor het onderdrukken, neutraliseren of annuleren van een bepaald frequentiebereik om vervelende of ongewenste interferentie binnen een circuitconfiguratie te vermijden.

Het wordt met name nuttig in gevoelige audioapparatuur zoals versterkers, radio-ontvangers waar een enkel of een geselecteerd aantal ongewenste storende frequenties op eenvoudige wijze moet worden geëlimineerd.

Actieve notch-filters werden in de eerste decennia actief gebruikt voor versterker- en audiotoepassingen voor het elimineren van 50- en 60-Hz bromstoringen. Deze netwerken waren, hoewel enigszins onhandig vanuit het oogpunt van afstemming, balans en consistentie van center notch frequency (f0).

Met de introductie van de moderne high-speed versterkers, werd het noodzakelijk om compatibele high-speed notch-filters te creëren die konden worden toegepast voor het verwerken van high-speed notch-frequentiefiltratie met een efficiënte snelheid.

Hier zullen we proberen de mogelijkheden en de bijbehorende complexiteit te onderzoeken die komen kijken bij het maken van high-notch filters.

Belangrijke kenmerken

Laten we, voordat we ingaan op het onderwerp, eerst de belangrijke kenmerken samenvatten die strikt vereist kunnen zijn bij het ontwerpen van de voorgestelde hogesnelheidsfilters.

1) De steilheid van de nuldiepte die wordt aangegeven in de simulatie van figuur1 is in de praktijk misschien niet haalbaar, de meest efficiënte haalbare resultaten kunnen niet hoger zijn dan 40 of 50 dB.

2) Daarom moet worden begrepen dat de belangrijkste factor die moet worden verbeterd de middenfrequentie en de Q is, en de ontwerper moet zich hierop concentreren in plaats van op de diepte van de inkeping. Het belangrijkste doel bij het maken van een notch-filterontwerp zou het niveau van de afwijzing van de ongewenste storende frequentie moeten zijn, dit moet optimaal zijn.

3) Het bovenstaande probleem kan optimaal worden opgelost door de voorkeur te geven aan de beste waarden voor de R- en de C-componenten, die kunnen worden geïmplementeerd door correct gebruik te maken van de RC-calculator die wordt getoond in Referentie 1, die kan worden gebruikt voor het correct identificeren van de R0 en C0 voor een bepaalde toepassing voor het ontwerpen van een notch-filter.

De volgende gegevens zullen het ontwerp van enkele interetsing notch-filtertopologieën onderzoeken en helpen begrijpen:

Twin-T Notch-filter

De Twin-T-filterconfiguratie die in figuur3 wordt getoond, ziet er best interessant uit vanwege de goede prestaties en de betrokkenheid van slechts één opamp bij het ontwerp.

Schematisch

Hoewel het hierboven aangegeven notch-filtercircuit redelijk efficiënt is, kan het bepaalde nadelen hebben vanwege de extreme eenvoud die het draagt, zoals hieronder weergegeven:

Het ontwerp maakt gebruik van 6 precisiecomponenten voor het afstemmen, waarvan een paar voor het bereiken van verhoudingen van de andere. Als deze complicatie moet worden vermeden, kan het nodig zijn om in de schakeling 8 extra precisiecomponenten op te nemen, zoals R0 / 2 = 2nos of R0 parallel en 2 in C0 = 2 nos van C0 parallel.

Een Twin-T-topologie werkt niet gemakkelijk met enkele voedingen en voldoet niet aan volwaardige differentiële versterkers.

Het bereik van weerstandswaarden blijft toenemen vanwege de RQ<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Maar zelfs met het bovenstaande gedoe, als de gebruiker erin slaagt het ontwerp te optimaliseren met nauwkeurige componenten van hoge kwaliteit, kan een redelijk effectieve filtratie worden verwacht en geïmplementeerd voor de gegeven toepassing.

Het Fly Notch-filter

Figuur4 geeft het Fliege Notch-filterontwerp weer, dat een paar duidelijke voordelen identificeert in vergelijking met de Twin-T-tegenhanger, zoals hieronder wordt beschreven:

1) Het bevat slechts een paar precisiecomponenten in de vorm van Rs en Cs om een ​​nauwkeurige afstemming van de middenfrequentie te vervullen.

2) Een opmerkelijk aspect van dit ontwerp is dat het kleine onnauwkeurigheden binnen de componenten en de instellingen toelaat zonder de diepte van het kerfpunt te beïnvloeden, hoewel de middenfrequentie dienovereenkomstig enigszins kan veranderen.

3) Er zijn een aantal weerstanden die verantwoordelijk zijn voor het discreet bepalen van de middenfrequentie waarvan de waarden misschien niet extreem kritisch zijn

4) De configuratie maakt het mogelijk om de middenfrequentie in te stellen met een redelijk smal bereik zonder de kerfdiepte aanzienlijk te beïnvloeden.

Het negatieve aan deze toplogie is echter het gebruik van twee opamps, en toch wordt het niet bruikbaar met differentiële versterkers.

Simulatieresultaten

Simulaties werden aanvankelijk uitgevoerd met de meest geschikte opamp-versies. Al snel werden levensechte opamp-versies toegepast, die vergelijkbare resultaten opleverden als in het laboratorium.

Tabel 1 toont de componentwaarden die werden gebruikt voor het schema in figuur 4. Het leek geen zin te hebben om simulaties uit te voeren op of boven 10 MHz, voornamelijk omdat laboratoriumtests in wezen werden uitgevoerd als een start-up, en 1 MHz werd de leidende frequentie waarop een notch-filter moest worden toegepast.

Een woord over condensatoren : Ondanks het feit dat de capaciteit slechts een 'getal' is voor simulaties, zijn echte condensatoren ontworpen met unieke diëlektrische elementen.

Voor 10 kHz verplichtte het uitrekken van de weerstandswaarde de condensator tot een waarde van 10 nF. Hoewel dit de truc goed deed in de demo, was er een aanpassing nodig van een NPO-diëlektricum naar een X7R-diëlektricum in het laboratorium, waardoor het notch-filter volledig viel met zijn functie.

Specificaties van de toegepaste 10-nF condensatoren lagen qua waarde dicht bij elkaar, waardoor de afname van de kerfdiepte voornamelijk te wijten was aan een slecht diëlektricum. De schakeling werd gedwongen om terug te keren naar het respect voor een Q = 10, en een 3-MΩ voor R0 werd gebruikt.

Voor echte circuits is het raadzaam om NPO-condensatoren te volgen. De vereiste waarden in tabel 1 werden zowel in simulaties als in laboratoriumontwikkeling als een goede keuze beschouwd.

In het begin werden de simulaties uitgevoerd zonder de 1 kΩ-potentiometer (de twee 1-kΩ vaste weerstanden waren specifiek synchroon gekoppeld, en met de niet-inverterende ingang van de onderste opamp).

De demo-uitgangen worden weergegeven in afbeelding 5. U vindt 9 resultaten in afbeelding 5, maar het kan zijn dat de golfvormen per Q-waarde die bij de andere frequenties overlappen.

De middenfrequentie berekenen

De middenfrequentie ligt onder alle omstandigheden matig boven een structuurdoel van 10 kHz, 100 kHz of 1 MHz. Dit kan zo dichtbij zijn als een ontwikkelaar kan krijgen met een geaccepteerde E96-weerstand en E12-condensator.

Denk na over de situatie met een inkeping van 100 kHz:

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

Zoals te zien is, ziet het resultaat er iets van het merkteken uit, dit kan verder worden gestroomlijnd en dichter bij de vereiste waarde worden gemaakt als de 1nF-condensator wordt aangepast met een standaard E24-waardecondensator, zoals hieronder wordt aangetoond:

f = 1 / 2π
x 4,42 k x 360 pF = 100,022 kHz, ziet er veel beter uit

Het gebruik van condensatoren in de E24-versie kan meestal aanzienlijk nauwkeurigere middenfrequenties opleveren, maar op de een of andere manier kan het verkrijgen van de hoeveelheden uit de E24-serie in tal van laboratoria dure (en onnodige) overheadkosten opleveren.

Hoewel het handig zou kunnen zijn om E24-condensatorwaarden in hypothese te evalueren, worden in de echte wereld de meeste ervan bijna nooit geïmplementeerd, en hebben ze ook langere looptijden. U zult minder gecompliceerde voorkeuren ontdekken voor het kopen van E24-condensatorwaarden.

Grondige evaluatie van figuur 5 stelt vast dat de inkeping de middenfrequentie met een bescheiden mate mist. Bij lagere Q-waarden vindt u nog steeds een aanzienlijke annulering van de opgegeven kerffrequentie.

Als de afwijzing niet bevredigend is, wilt u misschien het notch-filter aanpassen.

Nogmaals, als we het scenario van 100 kHz beschouwen, zien we dat de reactie rond 100 kHz wordt verlengd in figuur 6.

De verzameling golfvormen links en rechts van de middenfrequentie (100,731 kHz) komt overeen met filterreacties, zodra de 1-kΩ-potentiometer is gepositioneerd en aangepast in stappen van 1%.

Elke keer dat de potentiometer halverwege wordt afgesteld, verwerpt het notch-filter frequenties met de exacte kernfrequentie.

De mate van de gesimuleerde notch is in feite in de orde van 95 dB, maar dit hoort gewoon niet te gebeuren in de fysieke entiteit.

Een herschikking van 1% van de potentiometer plaatst een inkeping die gewoonlijk groter is dan 40 dB direct op de gewenste frequentie.

Nogmaals, dit kan echt het beste scenario zijn als het wordt gedaan met ideale componenten, maar laboratoriumgegevens tonen nauwkeuriger aan bij lagere frequenties (10 en 100 kHz).

Figuur 6 bepaalt dat je aan het begin een veel dichter bij de precieze frequentie moet bereiken met R0 en C0. Aangezien de potentiometer in staat is om frequenties over een uitgebreid spectrum te corrigeren, kan de diepte van de inkeping afnemen.

Over een bescheiden bereik (± 1%), kan men een verwerping van 100: 1 van de slechte frequentie bereiken, maar over een groter bereik (± 10%) is slechts een verwerping van 10: 1 haalbaar.

Lab resultaten

Er is een THS4032-evaluatiebord geïmplementeerd om het circuit in figuur 4 samen te stellen.

Het is eigenlijk een algemene structuur met slechts 3 jumpers samen met tracé om het circuit te voltooien.

De componentgrootheden in Tabel 1 werden toegepast, te beginnen met degene die waarschijnlijk een 1 MHz-frequentie zouden produceren.

Het motief was om te jagen op bandbreedte / slew-rate-voorschriften bij 1 MHz en indien nodig te controleren op meer betaalbare of hogere frequenties.

Resultaten op 1 MHz

Figuur 7 geeft aan dat u een aantal specifieke bandbreedte- en / of slew-rate reacties kunt krijgen bij 1 MHz. De reactiegolfvorm bij een Q van 100 vertoont slechts een rimpel waarin de inkeping aanwezig kan zijn.

Bij een Q van 10 is er slechts een 10 dB-notch en een 30 dB-notch bij een Q van 1.

Het lijkt erop dat notch-filters niet in staat zijn om een ​​zo hoge frequentie te bereiken als we waarschijnlijk zouden verwachten, niettemin is de THS4032 gewoon een 100 MHz-apparaat.

Het is normaal om superieure functionaliteit te verwachten van componenten met een verbeterde bandbreedte voor eenheidsversterking. Unity-gain-stabiliteit is van cruciaal belang, omdat de Fliege-topologie een vaste eenheidswinst heeft.

Wanneer de maker precies hoopt te benaderen welke bandbreedte essentieel is voor een inkeping op een specifieke frequentie, is de juiste plaats om te handelen de combinatie van versterking / bandbreedte zoals weergegeven in de datasheet, die honderd keer de middenfrequentie van de inkeping zou moeten zijn.

Bij hogere Q-waarden kan mogelijk aanvullende bandbreedte worden verwacht. U kunt een mate van frequentieafwijking van het midden van de inkeping vinden wanneer Q wordt gewijzigd.

Dit is precies hetzelfde als de frequentie-overgang die wordt opgemerkt voor banddoorlaatfilters.

De frequentie-overgang is lager voor notch-filters die worden toegepast om te werken bij 100 kHz en 10 kHz, zoals uiteengezet in Figuur 8 en uiteindelijk in Figuur 10.

Gegevens op 100 kHz

Deelhoeveelheden uit tabel 1 werden vervolgens gebruikt om 100 kHz-notchfilters met verschillende Q's te maken.

De gegevens worden weergegeven in figuur 8. Het ziet er meteen glashelder uit dat werkbare notch-filters doorgaans worden ontwikkeld met een middenfrequentie van 100 kHz, ondanks het feit dat de kerfdiepte aanzienlijk minder is bij grotere waarden van Q.

Houd er echter rekening mee dat het hier vermelde configuratiedoel 100 kHz is en niet 97 kHz.

De gewenste deelwaarden waren dezelfde als voor de simulatie, daarom moet de middenfrequentie van de inkeping technisch 100.731 kHz zijn, maar de impact wordt beschreven door de componenten die in het laboratoriumontwerp zijn opgenomen.

De gemiddelde waarde van het 1000-pF condensatorassortiment was 1030 pF en van het 1,58 kΩ weerstandsassortiment was 1,583 kΩ.

Elke keer dat de middenfrequentie wordt berekend met behulp van deze waarden, komt deze aan op 97,14 kHz. De specifieke onderdelen waren desondanks nauwelijks te bepalen (het bord was extreem gevoelig).

Op voorwaarde dat de condensatoren equivalent zijn, kan het gemakkelijk zijn om hoger te worden door middel van enkele conventionele E96-weerstandswaarden om resultaten te bereiken die dichter bij 100 kHz liggen.

Het behoeft geen betoog dat dit hoogstwaarschijnlijk geen alternatief zou kunnen zijn in grootschalige productie, waar 10% condensatoren mogelijk afkomstig kunnen zijn van vrijwel elke verpakking en waarschijnlijk van verschillende fabrikanten.

De selectie van middenfrequenties zal gebeuren in overeenstemming met de toleranties van R0 en C0, wat slecht nieuws is voor het geval een hoge Q-notch nodig wordt.

Er zijn drie manieren om hiermee om te gaan:

Koop weerstanden en condensatoren met een hogere precisie

minimaliseer de Q-specificatie en neem genoegen met een mindere afwijzing van de ongewenste frequentie of

het circuit verfijnen (dat was later overwogen).

Op dit moment lijkt het circuit te zijn gepersonaliseerd om een ​​Q van 10 te ontvangen, en een 1-kΩ-potentiometer die is geïntegreerd voor het afstemmen van de middenfrequentie (zoals onthuld in figuur 4).

In een real-world lay-out zou de voorkeur van de potentiometerwaarde iets meer moeten zijn dan het vereiste bereik om het volledige bereik van middenfrequenties zoveel mogelijk te dekken, zelfs bij de ergste R0- en C0-toleranties.

Dat was op dit moment niet gelukt, omdat dit een voorbeeld was bij het analyseren van potentialiteiten, en 1 kΩ was de meest competitieve potentiometerkwaliteit die in het laboratorium beschikbaar was.

Toen het circuit werd aangepast en afgestemd op een middenfrequentie van 100 kHz, zoals weergegeven in afbeelding 9, verslechterde het kerfniveau van 32 dB naar 14 dB.

Houd er rekening mee dat deze diepte van de inkeping mogelijk dramatisch kan worden verbeterd door de voorlopige f0 strakker te maken voor de best passende waarde.

De potentiometer is bedoeld om te worden getweakt over uitsluitend een bescheiden gebied van middenfrequenties.

Een 5: 1 afwijzing van een ongewenste frequentie is echter verdienstelijk en zou heel goed voldoende kunnen zijn voor veel toepassingen. Veel meer cruciale programma's kunnen onmiskenbaar onderdelen met een hogere precisie vereisen.

Bandbreedtebeperkingen van opamps, die de mogelijkheid hebben om de getunede notch-magnitude extra te verlagen, kunnen er ook voor zorgen dat de notch-graad niet zo klein mogelijk wordt. Met dit in gedachten werd de schakeling opnieuw afgesteld op een middenfrequentie van 10 kHz.

Resultaten bij 10 kHz

Figuur 10 stelt vast dat de notch valley voor een Q van 10 is vergroot tot 32 dB, dat zou kunnen zijn door wat je kunt verwachten van een middenfrequentie van 4% korting op de simulatie (Figuur 6).

De opamp reduceerde zonder twijfel de kerfdiepte bij een middenfrequentie van 100 kHz! Een notch van 32 dB is een annulering van 40: 1, dat zou redelijk goed kunnen zijn.

Ondanks de onderdelen die een inleidende fout van 4% veroorzaakten, was het daarom gemakkelijk om een ​​32-dB-notch te produceren op de meest gewilde middenfrequentie.

Het onaangename nieuws is dat om bandbreedtebeperkingen van de opamp te omzeilen, de hoogst mogelijke notch-frequentie die met een 100 MHz opamp denkbaar is, ongeveer 10 en 100 kHz is.

Als het gaat om notch-filters, wordt 'hoge snelheid' dienovereenkomstig als echt beschouwd met ongeveer honderden kilohertz.

Een uitstekende praktische toepassing voor 10 kHz-notchfilters zijn AM-ontvangers (middengolf), waarbij de draaggolf van naburige stations een luide krijs van 10 kHz in de audio genereert, met name 's nachts. Dit zou zeker op de zenuwen kunnen werken terwijl het afstemmen continu is.

Figuur 11 toont het opgenomen audiospectrum van een station zonder gebruik te maken van en het gebruik van de 10 kHz-notch is geïmplementeerd. Merk op dat de 10 kHz-ruis het meest luide deel van de opgenomen audio is (Afbeelding 11a), ook al is het menselijk oor er aanzienlijk minder gevoelig voor.

Dit audiobereik werd 's nachts vastgelegd op een nabijgelegen station dat aan beide kanten een aantal krachtige stations ontving. FCC-bepalingen staan ​​bepaalde variaties van de stationcarriers toe.

Om die reden zullen bescheiden valkuilen in de draaggolffrequentie van de twee naburige stations de 10 kHz-geluiden waarschijnlijk heterodyne maken, waardoor de vervelende luisterervaring wordt versterkt.

Telkens wanneer het notch-filter wordt geïmplementeerd (Figuur 11b), wordt de 10 kHz-toon geminimaliseerd tot het overeenstemmende niveau als dat van de aangrenzende modulatie. Verder waarneembaar op het audiospectrum zijn 20 kHz draaggolven van stations 2 kanalen verder en een 16 kHz toon van een transatlantisch station.

Deze zijn over het algemeen geen probleem, aangezien ze aanzienlijk worden verzwakt door de ontvanger-IF. Een frequentie rond de 20 kHz kan in beide gevallen voor de overgrote meerderheid van de mensen onhoorbaar zijn.

Referenties: