Mạch lọc Notch với chi tiết thiết kế

Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận chi tiết về cách thiết kế bộ lọc notch với tần số trung tâm chính xác và cho tác động tối đa.

Nơi Bộ lọc Notch được sử dụng

Các mạch lọc Notch thường được sử dụng để triệt tiêu, vô hiệu hóa hoặc hủy bỏ một dải tần số cụ thể nhằm tránh nhiễu gây phiền nhiễu hoặc không mong muốn trong cấu hình mạch.

Nó đặc biệt trở nên hữu ích trong các thiết bị âm thanh nhạy cảm như bộ khuếch đại, máy thu vô tuyến, nơi yêu cầu loại bỏ một hoặc một số tần số gây nhiễu không mong muốn đã chọn thông qua một phương tiện đơn giản.

Các bộ lọc rãnh tích cực đã được sử dụng tích cực trong những thập kỷ trước cho các ứng dụng khuếch đại và âm thanh để loại bỏ nhiễu nhiễu 50 và 60 Hz. Các mạng này mặc dù hơi khó xử từ quan điểm của việc điều chỉnh, cân bằng và nhất quán tần số rãnh trung tâm (f0).

Với sự ra đời của các bộ khuếch đại tốc độ cao hiện đại, bắt buộc phải tạo ra các bộ lọc rãnh tốc độ cao tương thích có thể được áp dụng để xử lý lọc tần số rãnh tốc độ cao với tốc độ hiệu quả.

Ở đây, chúng tôi sẽ cố gắng điều tra các khả năng và sự phức tạp liên quan đến việc tạo ra các bộ lọc cao.

Đặc điểm quan trọng

Trước khi đi sâu vào chủ đề này, trước tiên hãy tóm tắt các đặc điểm quan trọng có thể được yêu cầu nghiêm ngặt trong khi thiết kế các bộ lọc khía tốc độ cao được đề xuất.

1) Độ dốc của độ sâu rỗng được chỉ ra trong mô phỏng hình 1 có thể không khả thi trên thực tế, các kết quả có thể đạt được hiệu quả nhất không thể trên 40 hoặc 50dB.

2) Do đó, cần phải hiểu rằng yếu tố quan trọng hơn cần được cải thiện là tần số trung tâm và Q, và nhà thiết kế nên tập trung vào điều này thay vì độ sâu của rãnh. Mục tiêu chính trong khi thiết kế bộ lọc rãnh phải là mức loại bỏ tần số gây nhiễu không mong muốn, điều này phải là tối ưu.

3) Vấn đề trên có thể được giải quyết một cách tối ưu bằng cách ưu tiên các giá trị tốt nhất cho các thành phần R và C, có thể được thực hiện một cách chính xác bằng cách sử dụng máy tính RC hiển thị trong Tài liệu tham khảo 1, có thể được sử dụng để xác định R0 và C0 cho một ứng dụng thiết kế bộ lọc khía cụ thể.

Dữ liệu sau đây sẽ khám phá và giúp hiểu được thiết kế của một số cấu trúc liên kết bộ lọc khía cạnh liên quan:

Bộ lọc Notch Twin-T

Cấu hình bộ lọc Twin-T thể hiện trong hình 3 trông khá thú vị do hiệu suất tốt và sự tham gia của chỉ một opamp duy nhất trong thiết kế.

Sơ đồ

Mặc dù mạch lọc notch được chỉ ra ở trên là hiệu quả hợp lý, nhưng nó có thể có một số nhược điểm nhất định do tính đơn giản cực kỳ mà nó mang lại, như được đưa ra dưới đây:

Thiết kế sử dụng 6 thành phần chính xác để điều chỉnh, trong đó một vài thành phần trong số này để đạt được tỷ lệ của các thành phần khác. Nếu cần tránh biến chứng này, mạch có thể yêu cầu bao gồm 8 thành phần chính xác bổ sung, chẳng hạn như R0 / 2 = 2nos của R0 song song và 2 thành C0 = 2 nos của C0 song song.

Cấu trúc liên kết Twin-T không hoạt động dễ dàng với các bộ nguồn đơn lẻ và không tuân thủ các bộ khuếch đại vi sai chính thức.

Phạm vi giá trị điện trở tiếp tục tăng do RQ<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Tuy nhiên, ngay cả với những phức tạp ở trên, nếu người dùng thành công trong việc tối ưu hóa thiết kế với các thành phần chính xác chất lượng cao, thì có thể mong đợi và triển khai quá trình lọc hiệu quả hợp lý cho ứng dụng nhất định.

Bộ lọc Fly Notch

Hình 4 chỉ ra thiết kế bộ lọc Fliege Notch, xác định một số ưu điểm khác biệt khi so sánh với đối tác Twin-T, như được trình bày dưới đây:

1) Nó chỉ kết hợp một vài thành phần chính xác ở dạng Rs và Cs để thực hiện điều chỉnh tần số trung tâm chính xác.

2) Một khía cạnh đáng chú ý về thiết kế này là nó cho phép các sai lệch nhỏ trong các thành phần và cài đặt mà không ảnh hưởng đến độ sâu của điểm khía, mặc dù tần số trung tâm có thể thay đổi một chút cho phù hợp.

3) Bạn sẽ tìm thấy một vài điện trở chịu trách nhiệm xác định tần số trung tâm một cách riêng biệt mà các giá trị có thể không cực kỳ quan trọng

4) Cấu hình cho phép thiết lập tần số trung tâm với phạm vi hẹp hợp lý mà không ảnh hưởng đến độ sâu rãnh ở mức đáng kể.

Tuy nhiên, điều tiêu cực về cấu trúc liên kết này là nó sử dụng hai opamps, nhưng nó vẫn không thể sử dụng được với các bộ khuếch đại vi sai.

Kết quả mô phỏng

Các mô phỏng ban đầu đã được thực hiện với hầu hết các phiên bản opamp phù hợp. Các phiên bản opamp giống như thật ngay sau khi được sử dụng đã tạo ra kết quả tương đương với những kết quả được phát hiện trong phòng thí nghiệm.

Bảng 1 trình bày các giá trị thành phần được sử dụng cho giản đồ trong Hình 4. Dường như không có ý nghĩa gì khi thực hiện mô phỏng ở hoặc cao hơn 10 MHz chủ yếu là do các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm về cơ bản được tiến hành như một bước khởi động, và 1 MHz là tần số hàng đầu mà bộ lọc rãnh cần được áp dụng.

Một từ liên quan đến tụ điện : Mặc dù thực tế là điện dung chỉ là một 'con số' để mô phỏng, các tụ điện thực được thiết kế bằng các phần tử điện môi duy nhất.

Đối với 10 kHz, giá trị điện trở giãn ra buộc tụ điện phải có giá trị 10 nF. Mặc dù điều này đã thực hiện chính xác thủ thuật trong bản demo, nhưng nó đã yêu cầu điều chỉnh từ chất điện môi NPO thành chất điện môi X7R trong phòng thí nghiệm khiến bộ lọc notch hoàn toàn giảm so với tính năng của nó.

Các thông số kỹ thuật của tụ điện 10-nF được áp dụng có giá trị gần nhau, do đó, sự suy giảm độ sâu rãnh chủ yếu là do chất điện môi kém. Mạch buộc phải quay trở lại các khía cạnh cho Q = 10 và sử dụng 3-MΩ cho R0.

Đối với các mạch thế giới thực, nên tuân theo các tụ điện NPO. Các giá trị yêu cầu trong Bảng 1 được coi là một sự lựa chọn tốt như nhau trong mô phỏng và phát triển trong phòng thí nghiệm.

Lúc đầu, các mô phỏng được thực hiện mà không có chiết áp 1-kΩ (hai điện trở cố định 1-kΩ được liên kết đặc biệt đồng bộ và với đầu vào không đảo ngược của opamp thấp hơn).

Các đầu ra demo được trình bày trong Hình 5. Bạn sẽ tìm thấy 9 phần kết quả trong Hình 5, tuy nhiên bạn có thể thấy các dạng sóng trên mỗi giá trị Q trùng lặp với các dạng sóng ở các tần số khác.

Tính toán tần số trung tâm

Tần số trung tâm trong mọi trường hợp đều cao hơn một cách vừa phải mục tiêu cấu trúc là 10 kHz, 100 kHz hoặc 1 MHz. Điều này có thể gần như nhà phát triển có thể đạt được với điện trở E96 và tụ điện E12 được chấp nhận.

Hãy suy nghĩ về tình huống sử dụng notch 100 kHz:

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

AS có thể thấy, kết quả trông hơi giống dấu, điều này có thể được sắp xếp hợp lý hơn và được thực hiện gần hơn với giá trị yêu cầu nếu tụ điện 1nF được sửa đổi bằng tụ điện có giá trị E24 tiêu chuẩn, như được minh họa bên dưới:

f = 1 / 2π
x 4,42k x 360 pF = 100,022 kHz, trông đẹp hơn nhiều

Việc sử dụng tụ điện phiên bản E24 có thể mang lại tần số trung tâm chính xác hơn đáng kể trong hầu hết thời gian, nhưng bằng cách nào đó, việc thu được số lượng dòng E24 có thể là một chi phí cao (và quá mức) trong nhiều phòng thí nghiệm.

Mặc dù có thể thuận tiện để đánh giá giá trị tụ điện E24 trong giả thuyết, nhưng trong thế giới thực, hầu hết chúng hầu như không được thực hiện, cũng như kéo dài thời gian chạy với chúng. Bạn sẽ ít phức tạp hơn khi mua các giá trị tụ điện E24.

Đánh giá kỹ lưỡng Hình 5 xác định rằng rãnh khuyết tần số trung tâm một lượng khiêm tốn. Ở các giá trị Q nhỏ hơn, bạn có thể thấy tần số khía được chỉ định vẫn bị hủy đáng kể.

Trong trường hợp từ chối không đạt yêu cầu, thì bạn có thể muốn tinh chỉnh bộ lọc khía cạnh.

Quay lại một lần nữa, xem xét kịch bản 100 kHz, chúng ta quan sát thấy rằng phản ứng xung quanh 100 kHz được mở rộng trong Hình 6.

Tập hợp các dạng sóng ở bên trái và bên phải của tần số trung tâm (100,731 kHz) tương ứng với các phản ứng của bộ lọc, khi chiết áp 1-kΩ được định vị và điều chỉnh theo gia số 1%.

Mỗi khi chiết áp được điều chỉnh nửa chừng, bộ lọc khía sẽ loại bỏ các tần số ở tần số lõi chính xác.

Mức độ của rãnh mô phỏng trên thực tế là theo thứ tự 95 dB, tuy nhiên điều này đơn giản không được cho là hiện thực trong thực thể vật lý.

Việc căn chỉnh lại 1% của chiết áp sẽ đặt một rãnh thường vượt quá 40 dB ngay trên tần số ưu tiên.

Một lần nữa, đây thực sự có thể là kịch bản tốt nhất khi được thực hiện với các thành phần lý tưởng, tuy nhiên, dữ liệu phòng thí nghiệm hiển thị chính xác hơn ở tần số thấp hơn (10 và 100 kHz).

Hình 6 xác định rằng bạn cần đạt được tần số gần hơn nhiều với tần số chính xác với R0 và C0 ngay từ đầu. Vì chiết áp có thể điều chỉnh tần số trên một phổ rộng, độ sâu của rãnh có thể giảm.

Trong một phạm vi khiêm tốn (± 1%), người ta có thể đạt được 100: 1 loại bỏ tần số xấu, tuy nhiên trong một phạm vi tăng lên (± 10%), chỉ có loại bỏ 10: 1 là khả thi.

Kết quả phòng thí nghiệm

Bảng đánh giá THS4032 đã được thực hiện để ghép mạch lại với nhau trong Hình 4.

Nó thực sự là một cấu trúc có mục đích chung chỉ sử dụng 3 jumper cùng với dấu vết để hoàn thiện mạch.

Các đại lượng thành phần trong Bảng 1 đã được áp dụng, bắt đầu với những đại lượng có thể tạo ra tần số 1 MHz.

Động cơ là tìm kiếm các quy định về băng thông / tốc độ quay ở mức 1 MHz và kiểm tra ở tần số giá cả phải chăng hơn hoặc cao hơn nếu cần.

Kết quả ở 1 MHz

Hình 7 biểu thị rằng bạn có thể nhận được một số băng thông cụ thể và / hoặc tốc độ phản ứng ở tần số 1 MHz. Dạng sóng phản ứng tại Q của 100 chỉ biểu hiện một gợn sóng trong đó có thể có khía.

Tại Q bằng 10, chỉ tồn tại một rãnh 10 dB và một rãnh 30 dB ở Q là 1.

Có vẻ như các bộ lọc notch không thể đạt được tần số cao như chúng ta có thể dự đoán, tuy nhiên THS4032 chỉ đơn giản là một thiết bị 100 MHz.

Việc dự đoán chức năng vượt trội từ các thành phần là điều đương nhiên với băng thông tăng thống nhất được cải thiện. Sự ổn định thống nhất-độ lợi là rất quan trọng, vì lý do rằng cấu trúc liên kết Fliege mang độ lợi thống nhất cố định.

Khi người sáng tạo hy vọng có thể ước lượng chính xác băng thông cần thiết cho một rãnh ở một tần số cụ thể, thì một nơi thích hợp để đi về là kết hợp độ lợi / băng thông như được trình bày trong biểu dữ liệu, tức là phải bằng một trăm lần tần số trung tâm của rãnh.

Băng thông bổ sung có thể được mong đợi cho các giá trị Q tăng lên. Bạn có thể tìm thấy mức độ lệch tần số của tâm rãnh khi Q được sửa đổi.

Điều này giống hệt như sự chuyển đổi tần số được nhận thấy đối với các bộ lọc thông dải.

Sự chuyển đổi tần số thấp hơn đối với các bộ lọc rãnh được áp dụng để làm việc ở 100 kHz và 10 kHz, như được trình bày trong Hình 8 và cuối cùng là trong Hình 10.

Dữ liệu ở 100 kHz

Các đại lượng một phần từ Bảng 1 sau đó đã quen với việc thiết lập các bộ lọc rãnh 100 kHz với các Q đa dạng.

Dữ liệu được trình bày trong Hình 8. Có thể thấy rõ ràng rằng các bộ lọc notch khả thi thường được phát triển với tần số trung tâm là 100 kHz, mặc dù thực tế là độ sâu notch xảy ra nhỏ hơn đáng kể ở các giá trị lớn hơn của Q.

Tuy nhiên, hãy nhớ rằng mục tiêu cấu hình được liệt kê ở đây là 100-kHz không phải là 97-kHz-notch.

Các giá trị bộ phận được ưu tiên giống như đối với mô phỏng, do đó tần số trung tâm của rãnh khía về mặt kỹ thuật cần phải ở mức 100,731 kHz, tuy nhiên tác động được giải thích bởi các thành phần có trong thiết kế phòng thí nghiệm.

Giá trị trung bình của loại tụ điện 1000 pF là 1030 pF và của loại điện trở 1,58 kΩ là 1,583 kΩ.

Bất kỳ lúc nào tần số trung tâm được tính toán bằng các giá trị này, nó sẽ đạt đến 97,14 kHz. Mặc dù vậy, các bộ phận cụ thể khó có thể được xác định (bảng cực kỳ nhạy cảm).

Với điều kiện là các tụ điện tương đương, có thể dễ dàng tăng cao hơn thông qua một số giá trị điện trở E96 thông thường để đạt được kết quả chặt chẽ hơn đến 100 kHz.

Không cần phải nói, đây rất có thể không phải là một giải pháp thay thế trong sản xuất số lượng lớn, nơi các tụ điện 10% có thể có nguồn gốc từ hầu như bất kỳ gói nào và có thể từ các nhà sản xuất khác nhau.

Việc lựa chọn tần số trung tâm sẽ tuân theo dung sai của R0 và C0, đây là một tin xấu trong trường hợp cần có một rãnh Q cao.

Có 3 phương pháp đối phó với điều này:

Mua tụ điện và điện trở có độ chính xác cao hơn

giảm thiểu thông số kỹ thuật Q và giải quyết để ít bị từ chối tần số không mong muốn hơn hoặc

tinh chỉnh mạch (đã được dự tính sau đó).

Ngay bây giờ, mạch dường như được cá nhân hóa để nhận Q là 10 và chiết áp 1 kΩ được tích hợp để điều chỉnh tần số trung tâm (như được tiết lộ trong Hình 4).

Trong bố cục trong thế giới thực, giá trị chiết áp được ưu tiên nên lớn hơn một chút so với phạm vi yêu cầu để bao phủ toàn bộ dải tần số trung tâm nhiều nhất có thể ngay cả trong trường hợp xấu nhất là dung sai R0 và C0.

Điều đó đã không được thực hiện tại thời điểm này, bởi vì đây là một ví dụ trong việc phân tích tiềm năng, và 1 kΩ là chất lượng chiết áp cạnh tranh nhất có thể sử dụng được trong phòng thí nghiệm.

Khi mạch được điều chỉnh và điều chỉnh cho tần số trung tâm 100 kHz như được mô tả trong Hình 9, mức khía giảm từ 32 dB xuống 14 dB.

Hãy nhớ rằng độ sâu của rãnh này có thể được tăng cường đáng kể bằng cách cung cấp f0 sơ bộ chặt hơn đến giá trị phù hợp nhất.

Chiết áp được thiết kế để điều chỉnh riêng cho một khu vực tần số trung tâm khiêm tốn.

Tuy nhiên, việc loại bỏ tần suất không mong muốn theo tỷ lệ 5: 1 là đáng tin cậy và rất có thể phù hợp cho nhiều mục đích sử dụng. Không thể phủ nhận các chương trình quan trọng hơn rất nhiều có thể yêu cầu các bộ phận có độ chính xác cao hơn.

Các hạn chế về băng thông op amp, có khả năng làm suy giảm thêm độ lớn của rãnh đã điều chỉnh, cũng có thể là nguyên nhân ngăn mức độ rãnh nhỏ đến mức khả thi. Ghi nhớ điều này, mạch một lần nữa được điều chỉnh để có tần số trung tâm là 10 kHz.

Kết quả ở 10 kHz

Hình 10 xác định rằng thung lũng notch cho Q của 10 đã tăng lên 32 dB, đó có thể là những gì bạn có thể dự đoán từ tần số trung tâm giảm 4% từ mô phỏng (Hình 6).

Không nghi ngờ gì nữa, opamp đã làm giảm độ sâu của rãnh ở tần số trung tâm 100 kHz! Một tai thỏ 32 dB là loại bỏ tỷ lệ 40: 1, có thể khá hợp lý.

Do đó, mặc dù các bộ phận được thiết kế có sai số sơ bộ 4%, vẫn có thể dễ dàng tạo ra một rãnh 32 dB ở tần số trung tâm mong muốn nhất.

Tin tức khó chịu là thực tế là để tránh các hạn chế về băng thông của opamp, tần số notch cao nhất có thể có với opamp 100 MHz là khoảng 10 và 100 kHz.

Khi nói đến bộ lọc notch, 'tốc độ cao' theo đó được coi là chính hãng ở khoảng hàng trăm kilohertz.

Một ứng dụng thực tế tuyệt vời cho bộ lọc notch 10 kHz là máy thu AM (sóng trung bình), trong đó sóng mang từ các trạm lân cận tạo ra tiếng rít lớn 10 kHz trong âm thanh, đặc biệt là vào ban đêm. Điều này chắc chắn có thể làm mất tinh thần của một người trong khi điều chỉnh liên tục.

Hình 11 hiển thị phổ âm thanh thu được của một trạm không sử dụng và sử dụng rãnh 10 kHz đã được triển khai. Lưu ý rằng tiếng ồn 10 kHz là phần lớn nhất của âm thanh thu được (Hình 11a), mặc dù tai người về cơ bản ít bị ảnh hưởng hơn.

Dải âm thanh này được thu vào ban đêm trên một trạm gần đó đã thu được một vài trạm mạnh ở cả hai phía. Các quy định của FCC cho phép một số phương sai nhất định của các tàu sân bay.

Vì lý do đó, những sai sót khiêm tốn trong tần số sóng mang của hai trạm lân cận có khả năng làm nhiễu âm thanh 10 kHz, làm tăng trải nghiệm nghe khó chịu.

Bất cứ khi nào bộ lọc khía được triển khai (Hình 11b), âm 10 kHz được giảm thiểu đến mức phù hợp với mức của điều chế liền kề. Hơn nữa, có thể quan sát được trên phổ âm thanh là sóng mang 20 kHz từ các trạm cách 2 kênh và âm 16 kHz từ một trạm xuyên Đại Tây Dương.

Đây thường không phải là mối quan tâm lớn, vì chúng bị suy giảm đáng kể bởi IF máy thu. Tần số khoảng 20 kHz có thể không nghe được đối với đa số cá nhân trong cả hai trường hợp.

Người giới thiệu: