Sirkuit Notch Filter dengan Detail Desain

Pada artikel ini kita membahas diskusi mendetail tentang cara merancang filter takik dengan frekuensi tengah yang tepat dan untuk dampak maksimum.

Dimana Filter Takik Digunakan

Rangkaian filter takik biasanya digunakan untuk menekan, membatalkan, atau membatalkan rentang frekuensi tertentu untuk menghindari gangguan yang mengganggu atau tidak diinginkan dalam konfigurasi rangkaian.

Ini secara khusus menjadi berguna dalam peralatan audio sensitif seperti amplifier, penerima radio di mana satu atau sejumlah frekuensi interferensi yang tidak diinginkan diperlukan untuk dihilangkan melalui cara sederhana.

Filter takik aktif secara aktif digunakan selama dekade-dekade sebelumnya untuk aplikasi amplifier dan audio untuk menghilangkan gangguan dengungan 50- dan 60-Hz. Jaringan ini meskipun agak canggung dari sudut pandang penyetelan, keseimbangan, dan konsistensi frekuensi takik pusat (f0).

Dengan diperkenalkannya amplifier kecepatan tinggi modern, menjadi penting untuk membuat filter takik kecepatan tinggi yang kompatibel yang dapat diterapkan untuk menangani filtrasi frekuensi takik kecepatan tinggi pada tingkat yang efisien.

Di sini kami akan mencoba untuk menyelidiki kemungkinan dan kerumitan terkait yang terlibat dengan pembuatan filter takik tinggi.

Karakteristik Penting

Sebelum mempelajari subjek, pertama-tama mari kita rangkum karakteristik penting yang mungkin sangat diperlukan saat merancang filter takik kecepatan tinggi yang diusulkan.

1) Kecuraman kedalaman nol yang ditunjukkan dalam simulasi gambar1 mungkin tidak dapat dilakukan secara praktis, hasil yang dapat dicapai yang paling efisien tidak boleh di atas 40 atau 50dB.

2) Oleh karena itu, harus dipahami bahwa faktor yang lebih signifikan untuk ditingkatkan adalah frekuensi tengah dan Q, dan perancang harus fokus pada hal ini daripada kedalaman takik. Tujuan utama saat membuat desain takik filter harus tingkat penolakan frekuensi gangguan yang tidak diinginkan, ini harus optimal.

3) Masalah di atas dapat diselesaikan secara optimal dengan mengutamakan nilai terbaik untuk komponen R dan C, yang dapat diimplementasikan dengan benar menggunakan kalkulator RC yang ditunjukkan pada Referensi 1, yang dapat digunakan untuk mengidentifikasi R0 dengan tepat, dan C0 untuk aplikasi perancangan filter takik tertentu.

Data berikut akan mengeksplorasi dan membantu untuk memahami perancangan beberapa topologi filter takik yang menarik:

Filter Takik Twin-T

Konfigurasi filter Twin-T yang ditunjukkan pada gambar3 terlihat cukup menarik karena kinerjanya yang baik dan hanya keterlibatan satu opamp dalam desain.

Skema

Meskipun rangkaian filter takik yang ditunjukkan di atas cukup efisien, ia mungkin memiliki kerugian tertentu karena kesederhanaannya yang ekstrim, seperti yang diberikan di bawah ini:

Desainnya menggunakan 6 komponen presisi untuk penyetelannya, di mana beberapa di antaranya untuk mencapai rasio yang lain. Jika komplikasi ini perlu dihindari, rangkaian mungkin memerlukan penyertaan 8 komponen presisi tambahan, seperti R0 / 2 = 2nos dari R0 secara paralel dan 2 ke C0 = 2 nos dari C0 secara paralel.

Topologi Twin-T tidak langsung bekerja dengan catu daya tunggal, dan tidak sesuai dengan amplifier diferensial lengkap.

Kisaran nilai resistor terus meningkat karena RQ<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Namun, bahkan dengan kerepotan di atas, jika pengguna berhasil mengoptimalkan desain dengan komponen presisi berkualitas tinggi, penyaringan yang cukup efektif dapat diharapkan dan diterapkan untuk aplikasi tertentu.

Filter Fly Notch

Gambar4 menunjukkan desain filter Fliege Notch, yang mengidentifikasi beberapa keunggulan berbeda jika dibandingkan dengan pasangan Twin-T, seperti yang dinarasikan di bawah ini:

1) Ini menggabungkan hanya beberapa komponen presisi dalam bentuk Rs dan Cs untuk memenuhi penyetelan frekuensi pusat yang akurat.

2) Satu aspek yang cukup penting tentang desain ini adalah memungkinkan sedikit ketidakakuratan dalam komponen dan pengaturan tanpa mempengaruhi kedalaman titik takik, meskipun frekuensi tengah dapat berubah sedikit.

3) Anda akan menemukan beberapa resistor yang bertanggung jawab untuk menentukan frekuensi pusat secara diskrit yang nilainya mungkin tidak terlalu kritis

4) Konfigurasi memungkinkan pengaturan frekuensi tengah dengan kisaran yang cukup sempit tanpa mempengaruhi kedalaman takik ke tingkat yang signifikan.

Namun, hal negatif tentang toplogy ini adalah penggunaan dua opamp, namun tetap tidak dapat digunakan dengan penguat diferensial.

Hasil Simulasi

Simulasi awalnya dilakukan dengan versi opamp yang paling sesuai. Versi opamp yang benar-benar hidup segera setelah digunakan, yang menghasilkan hasil yang sebanding dengan yang terdeteksi di lab.

Tabel 1 menunjukkan nilai komponen yang digunakan untuk skema pada Gambar 4. Tampaknya tidak ada gunanya melakukan simulasi pada atau di atas 10 MHz terutama karena uji laboratorium pada dasarnya dilakukan sebagai permulaan, dan 1 MHz frekuensi utama di mana filter takik perlu diterapkan.

Sepatah kata tentang kapasitor : Terlepas dari kenyataan bahwa kapasitansi hanyalah 'angka' untuk simulasi, kapasitor sebenarnya dirancang dari elemen dielektrik yang unik.

Untuk 10 kHz, nilai resistor yang diregangkan mengharuskan kapasitor bernilai 10 nF. Meskipun trik ini berhasil dengan benar dalam demo, hal ini meminta penyesuaian dari dielektrik NPO ke dielektrik X7R di lab yang menyebabkan filter takik benar-benar turun dengan fiturnya.

Spesifikasi kapasitor 10-nF yang diterapkan memiliki nilai yang hampir sama, akibatnya penurunan kedalaman takik terutama disebabkan karena dielektrik yang buruk. Sirkuit dipaksa untuk kembali ke penghormatan untuk Q = 10, dan 3-MΩ untuk R0 digunakan.

Untuk sirkuit dunia nyata, disarankan untuk mematuhi kapasitor NPO. Nilai persyaratan pada Tabel 1 dianggap sebagai pilihan yang baik dalam simulasi dan dalam pengembangan laboratorium.

Pada awalnya, simulasi dilakukan tanpa potensiometer 1-kΩ (dua resistor tetap 1-kΩ dikaitkan secara khusus dalam sinkronisasi, dan dengan input non-pembalik dari opamp bawah).

Output demo disajikan pada Gambar 5. Anda akan menemukan 9 hasil pada Gambar 5, namun Anda mungkin menemukan bentuk gelombang per nilai Q tumpang tindih dengan frekuensi lain.

Menghitung Frekuensi Pusat

Frekuensi pusat dalam keadaan apa pun berada di atas target struktur 10 kHz, 100 kHz, atau 1 MHz. Ini bisa sedekat yang bisa diperoleh pengembang dengan resistor E96 dan kapasitor E12 yang diterima.

Pikirkan tentang situasi menggunakan takik 100 kHz:

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

SEBAGAIMANA dapat dilihat, hasilnya terlihat sedikit seperti tanda, ini dapat lebih disederhanakan dan dibuat mendekati nilai yang diperlukan jika kapasitor 1nF dimodifikasi dengan kapasitor nilai E24 standar, seperti yang ditunjukkan di bawah ini:

f = 1 / 2π
x 4,42k x 360 pF = 100,022 kHz, terlihat jauh lebih baik

Penggunaan kapasitor versi E24 dapat menghasilkan frekuensi tengah yang jauh lebih tepat hampir sepanjang waktu, namun entah bagaimana mendapatkan jumlah seri E24 mungkin merupakan biaya overhead yang mahal (dan tidak semestinya) di banyak laboratorium.

Meskipun mungkin nyaman untuk mengevaluasi nilai kapasitor E24 dalam hipotesis, di dunia nyata sebagian besar dari mereka hampir tidak pernah diterapkan, serta telah memperpanjang waktu pengoperasian yang terkait dengannya. Anda akan menemukan preferensi yang tidak terlalu rumit untuk membeli nilai kapasitor E24.

Evaluasi menyeluruh dari Gambar 5 menentukan bahwa takik merindukan frekuensi tengah dengan jumlah yang sederhana. Pada nilai Q yang lebih rendah, Anda masih dapat menemukan pembatalan frekuensi notch yang ditentukan.

Jika penolakan tidak memuaskan, Anda mungkin ingin mengubah filter takik.

Kembali lagi, dengan mempertimbangkan skenario 100 kHz, kami mengamati bahwa reaksi sekitar 100 kHz diperpanjang pada Gambar 6.

Pengumpulan bentuk gelombang di kiri dan kanan frekuensi tengah (100,731 kHz) sesuai dengan reaksi filter, setelah potensiometer 1-kΩ diposisikan dan diubah dalam peningkatan 1%.

Setiap kali potensiometer disetel setengah jalan, filter takik menolak frekuensi pada frekuensi inti yang tepat.

Tingkat takik yang disimulasikan sebenarnya berada di urutan 95 dB, namun ini tidak seharusnya terwujud dalam entitas fisik.

Penataan kembali 1% dari potensiometer menempatkan takik yang biasanya melebihi 40 dB lurus pada frekuensi yang diinginkan.

Sekali lagi, ini mungkin skenario terbaik jika dilakukan dengan komponen yang ideal, namun data lab menunjukkan lebih akurat pada frekuensi yang lebih rendah (10 dan 100 kHz).

Gambar 6 menentukan bahwa Anda perlu mencapai frekuensi yang lebih dekat ke frekuensi yang tepat dengan R0 dan C0 di awal. Karena potensiometer mungkin dapat memperbaiki frekuensi pada spektrum yang luas, kedalaman takik dapat menurun.

Pada rentang sederhana (± 1%), seseorang dapat mencapai penolakan 100: 1 dari frekuensi buruk, namun pada rentang yang ditingkatkan (± 10%), hanya penolakan 10: 1 yang layak.

Hasil lab

Papan evaluasi THS4032 diimplementasikan untuk menyatukan sirkuit pada Gambar 4.

Ini sebenarnya adalah struktur tujuan umum yang hanya menggunakan 3 jumper dan pelacakan untuk menyelesaikan sirkuit.

Jumlah komponen pada Tabel 1 diterapkan, dimulai dengan yang mungkin akan menghasilkan frekuensi 1 MHz.

Motifnya adalah untuk mencari regulasi bandwidth / laju perubahan tegangan pada 1 MHz dan memeriksa frekuensi yang lebih terjangkau atau lebih tinggi sesuai kebutuhan.

Hasil di 1 MHz

Gambar 7 menandakan bahwa Anda bisa mendapatkan sejumlah bandwidth tertentu dan / atau reaksi laju perubahan tegangan pada 1 MHz. Bentuk gelombang reaksi pada Q 100 menunjukkan hanya riak dimana takik mungkin ada.

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

Tampaknya filter takik tidak dapat mencapai frekuensi setinggi yang mungkin kita perkirakan, namun THS4032 hanyalah perangkat 100 MHz.

Wajar untuk mengantisipasi fungsionalitas superior dari komponen dengan bandwidth gain yang ditingkatkan. Stabilitas penguatan kesatuan sangat penting, karena topologi Fliege membawa penguatan kesatuan tetap.

Ketika pencipta berharap untuk memperkirakan dengan tepat bandwidth apa yang penting untuk takik pada frekuensi tertentu, tempat yang tepat untuk melakukannya adalah kombinasi gain / bandwidth seperti yang disajikan dalam lembar data, yang seharusnya seratus kali frekuensi pusat takik.

Bandwidth tambahan mungkin diharapkan untuk meningkatkan nilai Q. Anda dapat menemukan derajat deviasi frekuensi dari pusat takik saat Q dimodifikasi.

Ini persis sama dengan transisi frekuensi yang diperhatikan untuk filter bandpass.

Transisi frekuensi lebih rendah untuk filter takik yang diterapkan untuk bekerja pada 100 kHz dan 10 kHz, seperti yang dijelaskan pada Gambar 8 dan akhirnya pada Gambar 10.

Data pada 100 kHz

Jumlah bagian dari Tabel 1 kemudian digunakan untuk membuat filter takik 100 kHz dengan Qs yang beragam.

Data disajikan pada Gambar 8. Terlihat sangat jelas bahwa filter takik yang bisa diterapkan biasanya dikembangkan dengan frekuensi tengah 100 kHz, meskipun fakta bahwa kedalaman takik secara signifikan lebih kecil pada nilai Q yang lebih besar.

Perlu diingat, bagaimanapun, bahwa tujuan konfigurasi yang tercantum di sini adalah 100-kHz, bukan 97-kHz-notch.

Nilai bagian yang disukai sama dengan untuk simulasi, oleh karena itu frekuensi notch center harus secara teknis berada pada 100.731 kHz namun dampaknya ditentukan oleh komponen yang termasuk dalam desain lab.

Nilai rata-rata dari bermacam-macam kapasitor 1000-pF adalah 1030 pF, dan dari bermacam-macam resistor 1,58-kΩ adalah 1,583 kΩ.

Setiap kali frekuensi tengah dihitung dengan menggunakan nilai-nilai ini, ia mencapai 97,14 kHz. Bagian-bagian tertentu, meskipun demikian, hampir tidak dapat ditentukan (papannya sangat sensitif).

Asalkan kapasitornya setara, mungkin mudah untuk mendapatkan yang lebih tinggi melalui beberapa nilai resistor E96 konvensional untuk mencapai hasil yang lebih ketat hingga 100 kHz.

Tak perlu dikatakan, ini kemungkinan besar bukan alternatif dalam produksi volume tinggi, di mana kapasitor 10% mungkin dapat berasal dari hampir semua paket dan mungkin dari beragam produsen.

Pemilihan frekuensi tengah akan sesuai dengan toleransi R0 dan C0, yang merupakan berita buruk jika Q notch tinggi diperlukan.

Ada 3 metode untuk mengatasi ini:

Beli resistor dan kapasitor dengan presisi lebih tinggi

meminimalkan spesifikasi Q dan menerima penolakan yang lebih rendah dari frekuensi yang tidak diinginkan atau

menyempurnakan sirkuit (yang telah direnungkan kemudian).

Saat ini, rangkaian tampaknya dipersonalisasi untuk menerima Q 10, dan potensiometer 1-kΩ terintegrasi untuk menyetel frekuensi tengah (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4).

Dalam tata letak dunia nyata, nilai potensiometer yang disukai harus sedikit lebih dari kisaran yang diperlukan untuk mencakup rentang penuh frekuensi pusat sebanyak mungkin bahkan dengan kasus terburuk toleransi R0 dan C0.

Itu belum tercapai pada saat ini, karena ini adalah contoh dalam menganalisis potensi, dan 1 kΩ adalah kualitas potensiometer paling kompetitif yang dapat diakses di lab.

Ketika rangkaian disetel dan disetel untuk frekuensi tengah 100 kHz seperti yang diuraikan pada Gambar 9, tingkat takik diturunkan dari 32 dB menjadi 14 dB.

Ingatlah bahwa kedalaman takik ini mungkin dapat ditingkatkan secara dramatis dengan memberikan pengencang awal ke nilai yang paling sesuai.

Potensiometer dimaksudkan untuk disesuaikan secara eksklusif pada area frekuensi tengah yang sederhana.

Namun, penolakan 5: 1 dari frekuensi yang tidak diinginkan dapat dikreditkan dan sangat mungkin cukup untuk banyak penggunaan. Program yang jauh lebih penting tidak dapat disangkal membutuhkan suku cadang dengan presisi lebih tinggi.

Pembatasan bandwidth op amp, yang memiliki kemampuan untuk menurunkan besaran notch yang disetel, mungkin juga bertanggung jawab untuk menghentikan tingkat notch menjadi sekecil mungkin. Mengingat hal ini, rangkaian sekali lagi disesuaikan untuk frekuensi tengah 10 kHz.

Hasil pada 10 kHz

Gambar 10 menentukan bahwa notch valley untuk Q 10 telah diperbesar menjadi 32 dB, yang dapat Anda antisipasi dari frekuensi tengah 4% off dari simulasi (Gambar 6).

Opamp tanpa ragu mengurangi kedalaman takik pada frekuensi tengah 100 kHz! Notch 32-dB adalah pembatalan 40: 1, yang mungkin cukup layak.

Oleh karena itu, terlepas dari bagian yang merekayasa kesalahan awal 4%, itu mudah untuk menghasilkan takik 32-dB pada frekuensi tengah yang paling diinginkan.

Berita yang tidak menyenangkan adalah kenyataan bahwa untuk menghindari batasan bandwidth opamp, frekuensi notch setinggi mungkin yang dapat dibayangkan dengan opamp 100-MHz kira-kira 10 dan 100 kHz.

Dalam hal filter takik, 'kecepatan tinggi' dianggap asli dengan kecepatan sekitar ratusan kilohertz.

Aplikasi praktis yang luar biasa untuk filter takik 10-kHz adalah penerima AM (gelombang menengah), di mana operator dari stasiun tetangga menghasilkan pekikan 10-kHz yang keras dalam audio, khususnya pada malam hari. Ini pasti bisa merusak saraf seseorang saat penyetelan terus menerus.

Gambar 11 menampilkan spektrum audio yang diambil dari sebuah stasiun tanpa menggunakan dan menggunakan takik 10-kHz diimplementasikan. Perhatikan bahwa suara 10-kHz adalah bagian yang paling keras dari audio yang ditangkap (Gambar 11a), meskipun telinga manusia secara substansial kurang rentan terhadapnya.

Rentang audio ini ditangkap pada malam hari di stasiun terdekat yang menerima beberapa stasiun bertenaga di kedua sisi. Ketentuan FCC mengizinkan varian tertentu dari pembawa stasiun.

Oleh karena itu, kesalahan kecil dalam frekuensi pembawa dari dua stasiun yang bertetangga kemungkinan besar akan membuat suara 10-kHz menjadi heterodyne, meningkatkan pengalaman mendengarkan yang mengganggu.

Kapanpun filter takik diterapkan (Gambar 11b), nada 10-kHz diminimalkan ke tingkat yang cocok seperti modulasi yang berdekatan. Selanjutnya yang dapat diamati pada spektrum audio adalah pembawa 20-kHz dari stasiun 2 saluran dan nada 16-kHz dari stasiun transatlantik.

Ini umumnya bukan masalah besar, karena mereka sangat dilemahkan oleh receiver IF. Frekuensi sekitar 20 kHz mungkin tidak terdengar bagi sebagian besar orang dalam kedua kasus tersebut.

Referensi: