Circuits de filtre à encoche avec détails de conception

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Dans cet article, nous passons par une discussion détaillée sur la façon de concevoir des filtres coupe-bande avec une fréquence centrale précise et pour un impact maximal.

Où le filtre coupe-bande est utilisé

Les circuits de filtre coupe-bande sont normalement utilisés pour supprimer, annuler ou annuler une gamme particulière de fréquences afin d'éviter une interférence gênante ou indésirable dans une configuration de circuit.



Il devient spécifiquement utile dans les équipements audio sensibles tels que les amplificateurs, les récepteurs radio où un seul ou un nombre sélectionné de fréquences parasites indésirables doivent être éliminés par un moyen simple.

Les filtres coupe-bande actifs ont été activement utilisés au cours des premières décennies pour les applications d'amplification et audio pour éliminer les interférences de bourdonnement de 50 et 60 Hz. Ces réseaux ont été bien que quelque peu gênants du point de vue de l'accord, de l'équilibre et de la cohérence de la fréquence d'entaille centrale (f0).



Avec l'introduction des amplificateurs modernes à grande vitesse, il est devenu impératif de créer des filtres coupe-bande haute vitesse compatibles qui pourraient être appliqués pour gérer la filtration de fréquence coupe-bande haute vitesse à un taux efficace.

Nous essaierons ici d'étudier les possibilités et les complexités associées impliquées dans la fabrication de filtres à haut cran.

Caractéristiques importantes

Avant d'approfondir le sujet, résumons d'abord les caractéristiques importantes qui peuvent être strictement requises lors de la conception des filtres coupe-bande haute vitesse proposés.

1) La pente de la profondeur nulle indiquée dans la simulation de la figure 1 peut ne pas être réalisable dans la pratique, les résultats les plus efficaces pouvant être obtenus ne peuvent pas dépasser 40 ou 50 dB.

la profondeur nulle la plus efficace ne peut pas être supérieure à 40 ou 50 dB

2) Par conséquent, il faut comprendre que le facteur le plus important à améliorer est la fréquence centrale et le Q, et le concepteur doit se concentrer sur cela plutôt que sur la profondeur de l'entaille. L'objectif principal lors de la conception d'un filtre coupe-bande doit être le niveau de rejet de la fréquence interférente indésirable, ce doit être optimal.

3) Le problème ci-dessus peut être résolu de manière optimale en préférant les meilleures valeurs pour les composants R et C, qui peuvent être implémentées correctement en utilisant la calculatrice RC indiquée dans la référence 1, qui peut être utilisée pour identifier de manière appropriée le R0, et C0 pour une application de conception de filtre coupe-bande particulière.

Les données suivantes exploreront et aideront à comprendre la conception de certaines topologies de filtre coupe-bande interets:

Filtre à entaille Twin-T

La configuration du filtre Twin-T illustrée dans la figure 3 semble assez intéressante en raison de ses bonnes performances et de l'implication d'un seul ampli op dans la conception.

Schématique

circuit de filtre à double entaille en T

Bien que le circuit de filtre coupe-bande indiqué ci-dessus soit raisonnablement efficace, il peut présenter certains inconvénients en raison de l'extrême simplicité qu'il présente, comme indiqué ci-dessous:

La conception utilise 6 composants de précision pour son réglage, dont quelques-uns pour atteindre les rapports des autres. Si cette complication doit être évitée, le circuit peut nécessiter l'inclusion de 8 composants de précision supplémentaires, tels que R0 / 2 = 2nos de R0 en parallèle et 2 en C0 = 2 nos de C0 en parallèle.

Une topologie Twin-T ne fonctionne pas facilement avec des blocs d'alimentation uniques et n'est pas compatible avec les amplificateurs différentiels à part entière.

La plage de valeurs de résistance continue d'augmenter en raison du RQ<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Cependant, même avec les tracas ci-dessus, si l'utilisateur réussit à optimiser la conception avec des composants précis de haute qualité, une filtration raisonnablement efficace peut être attendue et mise en œuvre pour l'application donnée.

Le filtre Fly Notch

La figure 4 indique la conception du filtre Fliege Notch, qui identifie quelques avantages distincts par rapport à l'homologue Twin-T, comme expliqué ci-dessous:

Le filtre Fly Notch

1) Il n'incorpore que quelques composants de précision sous la forme de Rs et Cs afin de réaliser un réglage précis de la fréquence centrale.

2) Un aspect appréciable de cette conception est qu'elle permet de légères inexactitudes dans les composants et les réglages sans affecter la profondeur du point d'entaille, bien que la fréquence centrale puisse changer un peu en conséquence.

3) Vous trouverez quelques résistances chargées de déterminer discrètement la fréquence centrale dont les valeurs peuvent ne pas être extrêmement critiques

4) La configuration permet le réglage de la fréquence centrale avec une plage raisonnablement étroite sans influencer la profondeur d'entaille à un niveau significatif.

Cependant, le point négatif de cette topologie est son utilisation de deux amplificateurs opérationnels, et pourtant il ne devient toujours pas utilisable avec des amplificateurs différentiels.

Résultats des simulations

Les simulations ont été initialement réalisées avec les versions opamp les plus appropriées. Des versions opamp réalistes ont été utilisées peu de temps après, ce qui a généré des résultats comparables à ceux détectés en laboratoire.

Le tableau 1 montre les valeurs des composants qui ont été utilisées pour le schéma de la figure 4. Il ne semblait pas y avoir de sens à effectuer des simulations à ou au-dessus de 10 MHz, principalement parce que les tests en laboratoire étaient essentiellement menés en tant que la fréquence principale à laquelle un filtre coupe-bande devait être appliqué.

Un mot sur les condensateurs : Malgré le fait que la capacité n'est qu'un «nombre» pour les simulations, les vrais condensateurs sont conçus avec des éléments diélectriques uniques.

Pour 10 kHz, l'étirement de la valeur de la résistance obligeait le condensateur à une valeur de 10 nF. Bien que cela ait fonctionné correctement en démo, cela a nécessité un ajustement d'un diélectrique NPO à un diélectrique X7R dans le laboratoire, ce qui a fait chuter complètement le filtre coupe-bande avec sa fonction.

Les spécifications des condensateurs de 10 nF appliqués étaient très proches en valeur, en conséquence la diminution de la profondeur de l'entaille était principalement due à un diélectrique médiocre. Le circuit a été forcé de revenir aux respects pour un Q = 10, et un 3-MΩ pour R0 a été utilisé.

Pour les circuits du monde réel, il est conseillé de respecter les condensateurs NPO. Les valeurs d'exigence du tableau 1 ont été considérées comme un bon choix aussi bien dans les simulations que dans le développement en laboratoire.

Au départ, les simulations ont été réalisées sans le potentiomètre de 1 kΩ (les deux résistances fixes de 1 kΩ étaient associées spécifiquement en synchro, et à l'entrée non inverseuse de l'ampli op inférieur).

Les sorties de démonstration sont présentées à la figure 5. Vous trouverez 9 résultats dans la figure 5, mais vous pouvez trouver que les formes d'onde par valeur Q chevauchent celles des autres fréquences.

les formes d

Calcul de la fréquence centrale

La fréquence centrale en toute circonstance est modérément au-dessus d'un objectif de structure de 10 kHz, 100 kHz ou 1 MHz. Cela peut être aussi proche qu'un développeur peut acquérir avec une résistance E96 et un condensateur E12 acceptés.

Pensez à la situation en utilisant une encoche de 100 kHz:

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

Comme on peut le voir, le résultat ressemble légèrement à la marque, cela peut être encore simplifié et rapproché de la valeur requise si le condensateur 1nF est modifié avec un condensateur de valeur E24 standard, comme illustré ci-dessous:

f = 1 / 2π
x 4,42k x 360 pF = 100,022 kHz, semble beaucoup mieux

L'utilisation de condensateurs de la version E24 peut entraîner des fréquences centrales beaucoup plus précises la plupart du temps, mais l'obtention des quantités de la série E24 pourrait représenter des frais généraux élevés (et excessifs) dans de nombreux laboratoires.

Bien qu'il puisse être pratique d'évaluer les valeurs du condensateur E24 en hypothèse, dans le monde réel, la majorité d'entre elles ne sont pratiquement jamais mises en œuvre, et ont des durées de fonctionnement prolongées. Vous découvrirez des préférences moins compliquées pour acheter des valeurs de condensateur E24.

Une évaluation approfondie de la figure 5 détermine que l'encoche manque de façon modeste la fréquence centrale. À des valeurs Q inférieures, vous pouvez trouver une annulation encore considérable de la fréquence de coupe spécifiée.

Si le rejet n'est pas satisfaisant, vous pouvez modifier le filtre coupe-bande.

En arrière encore, en considérant le scénario de 100 kHz, on observe que la réaction autour de 100 kHz est étendue sur la figure 6.

réglage de la fréquence centrale de l

L'ensemble des formes d'onde à gauche et à droite de la fréquence centrale (100,731 kHz) correspond aux réactions de filtre, une fois que le potentiomètre de 1 kΩ est positionné et ajusté par incréments de 1%.

Chaque fois que le potentiomètre est réglé à mi-course, le filtre coupe-bande rejette les fréquences à la fréquence centrale précise.

Le degré de l'encoche simulée est en fait de l'ordre de 95 dB, mais cela n'est tout simplement pas censé se matérialiser dans l'entité physique.

Un réalignement de 1% du potentiomètre place une encoche qui dépasse généralement 40 dB directement sur la fréquence préférée.

Encore une fois, cela peut vraiment être le meilleur scénario lorsque cela est fait avec des composants idéaux, néanmoins les données de laboratoire montrent plus de précision aux fréquences inférieures (10 et 100 kHz).

La figure 6 détermine que vous devez atteindre une fréquence beaucoup plus proche de la fréquence précise avec R0 et C0 au tout début. Comme le potentiomètre peut être capable de redresser les fréquences sur un spectre étendu, la profondeur de l'encoche pourrait se dégrader.

Sur une plage modeste (± 1%), on peut obtenir un rejet de 100: 1 de la mauvaise fréquence mais sur une plage accrue (± 10%), seul un rejet de 10: 1 est réalisable.

Résultats du laboratoire

Une carte d'évaluation THS4032 a été mise en œuvre pour assembler le circuit de la figure 4.

Il s'agit en fait d'une structure à usage général utilisant simplement 3 cavaliers et un trac pour finaliser le circuit.

Les quantités de composants du tableau 1 ont été appliquées, en commençant par celles qui produiraient probablement une fréquence de 1 MHz.

Le motif était de rechercher des réglementations de bande passante / vitesse de balayage à 1 MHz et de vérifier à des fréquences plus abordables ou plus élevées si nécessaire.

Résultats à 1 MHz

La figure 7 signifie que vous pouvez obtenir un certain nombre de réactions de bande passante et / ou de vitesse de balayage spécifiques à 1 MHz. La forme d'onde de réaction à un Q de 100 présente juste une ondulation dans laquelle l'encoche peut être présente.

À un Q de 10, il existe juste une encoche de 10 dB et une encoche de 30 dB à un Q de 1.

Il semble que les filtres coupe-bande ne soient pas capables d'atteindre une fréquence aussi élevée que nous l'aurions probablement anticipé, mais le THS4032 est simplement un appareil à 100 MHz.

Il est naturel d'anticiper des fonctionnalités supérieures de composants avec une bande passante améliorée à gain unitaire. La stabilité du gain unitaire est essentielle, car la topologie Fliege porte un gain unitaire fixe.

Lorsque le créateur espère se rapprocher précisément de la bande passante essentielle pour une encoche à une fréquence spécifique, un bon endroit pour s'y prendre est la combinaison gain / bande passante telle que présentée dans la fiche technique, qui devrait être cent fois la fréquence centrale de l'encoche.

Une bande passante supplémentaire peut éventuellement être attendue pour des valeurs Q augmentées. Vous pouvez trouver un degré de déviation de fréquence du centre de l'entaille lorsque Q est modifié.

C'est exactement la même chose que la transition de fréquence observée pour les filtres passe-bande.

La transition de fréquence est plus faible pour les filtres coupe-bande appliqués pour fonctionner à 100 kHz et 10 kHz, comme indiqué sur la figure 8 et éventuellement sur la figure 10.

filtres coupe-bande appliqués pour fonctionner à 100 kHz et 10 kHz

Données à 100 kHz

Les quantités de pièces du tableau 1 ont été par la suite habituées à établir des filtres coupe-bande de 100 kHz avec divers Q.

Les données sont présentées à la figure 8. Il semble tout de suite clair que les filtres coupe-bande utilisables sont généralement développés avec une fréquence centrale de 100 kHz, malgré le fait que la profondeur d'entaille se trouve être nettement inférieure à des valeurs plus élevées de Q.

Gardez à l'esprit, cependant, que l'objectif de configuration répertorié ici est un 100 kHz et non pas un 97 kHz.

Les valeurs de pièce préférées étaient exactement les mêmes que pour la simulation, par conséquent, la fréquence centrale de l'entaille doit être techniquement à 100,731 kHz, mais l'impact est précisé par les composants inclus dans la conception du laboratoire.

La valeur moyenne de l'assortiment de condensateurs de 1000 pF était de 1030 pF et de l'assortiment de résistances de 1,58 kΩ était de 1,583 kΩ.

Chaque fois que la fréquence centrale est calculée à l'aide de ces valeurs, elle arrive à 97,14 kHz. Les parties spécifiques, malgré cela, ne pouvaient guère être déterminées (la planche était extrêmement sensible).

À condition que les condensateurs soient équivalents, il peut être facile d'obtenir des valeurs de résistance E96 classiques pour obtenir des résultats plus serrés à 100 kHz.

Inutile de dire que cela pourrait très probablement ne pas être une alternative dans la production à grand volume, où 10% de condensateurs pourraient provenir de pratiquement n'importe quel boîtier et probablement de divers fabricants.

La sélection des fréquences centrales va se faire en fonction des tolérances de R0 et C0, ce qui est une mauvaise nouvelle au cas où une encoche Q élevée serait nécessaire.

Il existe 3 méthodes pour y faire face:

Achetez des résistances et des condensateurs de plus haute précision

minimiser la spécification Q et se contenter d'un rejet moindre de la fréquence indésirable ou

affiner le circuit (qui avait été envisagé par la suite).

À l'heure actuelle, le circuit semble être personnalisé pour recevoir un Q de 10, et un potentiomètre de 1 kΩ intégré pour régler la fréquence centrale (comme le montre la figure 4).

Dans la configuration du monde réel, la valeur du potentiomètre préférée doit être un peu plus que la plage requise pour couvrir la plage complète des fréquences centrales autant que possible, même avec le pire des cas de tolérances R0 et C0.

Cela n'avait pas été accompli à ce stade, car il s'agissait d'un exemple d'analyse des potentialités, et 1 kΩ était la qualité de potentiomètre la plus compétitive disponible dans le laboratoire.

Lorsque le circuit a été ajusté et accordé pour une fréquence centrale de 100 kHz comme indiqué sur la figure 9, le niveau d'encoche s'est dégradé de 32 dB à 14 dB.

Gardez à l'esprit que cette profondeur d'encoche pourrait éventuellement être considérablement améliorée en fournissant le f0 préliminaire plus serré à la meilleure valeur appropriée.

Le potentiomètre est destiné à être ajusté uniquement sur une zone modeste de fréquences centrales.

Cependant, un rejet 5: 1 d'une fréquence indésirable est louable et pourrait très bien être adéquat pour de nombreuses utilisations. Des programmes bien plus cruciaux peuvent indéniablement exiger des pièces de plus haute précision.

Les restrictions de bande passante de l'amplificateur opérationnel, qui ont la capacité de dégrader en plus l'amplitude de l'entaille accordée, peuvent également être responsables de l'empêchement du degré d'encoche de devenir aussi petit que possible. Gardant cela à l'esprit, le circuit a de nouveau été ajusté pour une fréquence centrale de 10 kHz.

Résultats à 10 kHz

La figure 10 détermine que la vallée de l'encoche pour un Q de 10 a augmenté à 32 dB, ce qui pourrait être de ce que vous pouvez anticiper à partir d'une fréquence centrale de 4% de réduction par rapport à la simulation (Figure 6).

Notch valley pour un Q de 10 a augmenté à 32 dB

L'ampli op réduisait sans aucun doute la profondeur de l'encoche à une fréquence centrale de 100 kHz! Une encoche de 32 dB est une annulation de 40: 1, ce qui pourrait être raisonnablement décent.

Par conséquent, en dépit des pièces qui ont conçu une erreur préliminaire de 4%, il avait été facile de produire une encoche de 32 dB à la fréquence centrale la plus recherchée.

La nouvelle désagréable est le fait que pour échapper aux contraintes de bande passante de l'amplificateur optique, la fréquence d'entaille la plus élevée possible imaginable avec un amplificateur opérationnel à 100 MHz est d'environ 10 et 100 kHz.

En ce qui concerne les filtres coupe-bande, le «haut débit» est donc considéré comme authentique à environ des centaines de kilohertz.

Les récepteurs AM (ondes moyennes) sont une superbe application pratique pour les filtres coupe-bande de 10 kHz, dans lesquels la porteuse des stations voisines génère un cri strident de 10 kHz dans l'audio, en particulier pendant la nuit. Cela pourrait certainement râler sur les nerfs tant que l’écoute est continue.

La figure 11 affiche le spectre audio capté d'une station sans utiliser ni utiliser l'encoche de 10 kHz a été implémentée. Notez que le bruit de 10 kHz est la section la plus forte de l'audio capté (figure 11a), même si l'oreille humaine y est nettement moins sensible.

spectre audio d

Cette plage audio a été capturée la nuit sur une station voisine qui a reçu quelques stations puissantes des deux côtés. Les stipulations de la FCC permettent une certaine variance des transporteurs de stations.

Pour cette raison, des pièges modestes dans la fréquence porteuse des deux stations voisines sont susceptibles de rendre les bruits de 10 kHz hétérodynes, renforçant ainsi l'expérience d'écoute ennuyeuse.

Chaque fois que le filtre coupe-bande est mis en œuvre (figure 11b), la tonalité de 10 kHz est minimisée au niveau correspondant à celui de la modulation adjacente. En outre, on peut observer sur le spectre audio des porteuses à 20 kHz provenant de stations éloignées de 2 canaux et une tonalité de 16 kHz provenant d'une station transatlantique.

Celles-ci ne sont généralement pas un gros problème, car elles sont considérablement atténuées par le récepteur IF. Une fréquence à environ 20 kHz peut être inaudible pour l'écrasante majorité des individus dans les deux cas.

Les références:

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


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