מעגלי מסנן חריצים עם פרטי עיצוב

במאמר זה אנו עוברים דיון מפורט לגבי אופן תכנון מסנני חריץ בתדירות מרכז מדויקת ולשיפור מרבי.

היכן משתמשים במסנן חריצים

מעגלי מסנן חריצים משמשים בדרך כלל לדיכוי, ביטול או ביטול טווח מסוים של תדרים על מנת למנוע הפרעות מעצבנות או לא רצויות בתצורת המעגל.

זה הופך להיות שימושי במיוחד בציוד שמע רגיש כמו מגברים, מקלטי רדיו, בהם נדרש לחסל מספר יחיד או מספר נבחר של תדרי הפרעה לא רצויים באמצעים פשוטים.

מסנני חריץ פעילים שימשו באופן פעיל במהלך העשורים המוקדמים יותר ליישומי מגבר ואודיו לצורך הסרת הפרעות זמזום של 50 ו -60 הרץ. רשתות אלה היו אמנם קצת מביכות מנקודת המבט של כוונון, איזון ועקביות של תדר החריץ המרכזי (f0).

עם כניסתם של המגברים המהירים המודרניים, חובה היה ליצור פילטרים תואמים במהירות גבוהה שתואמים לטיפול בסינון תדרים במהירות גבוהה במהירות יעילה.

כאן ננסה לחקור את האפשרויות והמורכבויות הנלוות הכרוכות ביצור פילטרים ברמה גבוהה.

מאפיינים חשובים

לפני שנעמיק בנושא בואו נסכם תחילה את המאפיינים החשובים שעשויים להידרש בהחלט בעת תכנון המסננים המוצעים במהירות גבוהה.

1) התלילות של עומק האפס המצוין בסימולציה איור 1 עשויה שלא להיות אפשרית מעשית, התוצאות היעילות ביותר הניתנות להשגה עשויות להיות לא מעל 40 או 50dB.

2) לכן, יש להבין כי הגורם המשמעותי יותר שיש לשפר הוא תדר המרכז ו- Q, ועל המעצב להתמקד בכך במקום בעומק החריץ. המטרה העיקרית בעת ביצוע תכנון מסנן חריץ צריכה להיות רמת הדחייה של תדר ההפרעה הלא רצוי, זה חייב להיות אופטימלי.

3) ניתן לפתור את הבעיה שלעיל בצורה הטובה ביותר ולהעדיף את הערכים הטובים ביותר עבור רכיבי R ו- C, אשר ניתן ליישם נכון באמצעות מחשבון RC המוצג בהפניה 1, שיכול לשמש לזיהוי הולם של R0 ו- C0 עבור מסנן חריץ מסוים המעצב יישום.

הנתונים הבאים יחקרו ויעזרו להבין את העיצוב של כמה טופולוגיות מסנני חריץ זה מזה:

מסנן חריץ Twin-T

תצורת המסנן Twin-T המוצגת באיור 3 נראית מעניינת למדי בשל הביצועים הטובים שלה והמעורבות של אופמפ יחיד בלבד בעיצוב.

סכמטי

למרות שמעגל מסנן החריצים שצוין לעיל יעיל במידה סבירה, ייתכן שיש לו חסרון מסוים בשל הפשטות הקיצונית שהוא נושא, כמפורט להלן:

העיצוב עושה שימוש ב -6 רכיבים מדויקים לצורך כוונוןו, ובו כמה מהם להשגת יחסים של האחרים. אם דורשים הימנעות מסיבוך זה, המעגל עשוי לדרוש הכללתם של 8 רכיבי דיוק נוספים, כגון R0 / 2 = 2no של R0 במקביל ו- 2 ל- C0 = 2 NO של C0 במקביל.

טופולוגיית Twin-T אינה עובדת בקלות עם ספקי כוח בודדים ואינה תואמת את מגברי הדיפרנציאל המלאים.

טווח ערכי הנגד ממשיך לגדול בגלל ה- RQ<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

עם זאת, גם עם הטרדות הנ'ל, אם המשתמש יצליח לייעל את העיצוב באמצעות רכיבים מדויקים באיכות גבוהה, ניתן לצפות וליישם סינון יעיל למדי עבור היישום הנתון.

מסנן הזבוב

איור 4 מציין את עיצוב המסנן Fliege Notch, המזהה כמה יתרונות ברורים בהשוואה למקבילה Twin-T, כמוסבר להלן:

1) הוא משלב רק כמה רכיבים מדויקים בצורה של Rs ו- Cs בכדי להגשים כיוונון תדרים מרכזי מדויק.

2) היבט ניכר של עיצוב זה הוא שהוא מאפשר אי דיוקים קלים ברכיבים ובהגדרות מבלי להשפיע על עומק נקודת החריץ, אם כי תדר המרכז יכול להשתנות מעט בהתאם.

3) תמצאו כמה נגדים האחראים לקביעת תדר המרכז באופן דיסקרטי שערכיו עשויים שלא להיות קריטיים במיוחד

4) התצורה מאפשרת הגדרת תדר המרכז בטווח צר למדי מבלי להשפיע על עומק החריץ לרמה משמעותית.

עם זאת, הדבר השלילי בטופלוגיה זו הוא השימוש בשני אופמים, ובכל זאת הוא לא הופך להיות שמיש עם מגברים דיפרנציאליים.

תוצאות סימולציות

תחילה בוצעו סימולציות עם גרסאות האופמפ המתאימות ביותר. זמן קצר לאחר מכן הועסקו בגרסאות אופמפ אמיתיות, שהניבו תוצאות דומות לאלה שהתגלו במעבדה.

טבלה 1 מדגימה את ערכי הרכיבים שהיו בשימוש לתרשים באיור 4. נראה כי אין טעם לבצע סימולציות ב -10 מגה הרץ או יותר, בעיקר משום שבדיקות מעבדה נערכו למעשה כסטארט-אפ, ו -1 מגה-הרץ התדר המוביל שבו היה צורך להחיל פילטר חריץ.

מילה לגבי קבלים : למרות העובדה שהקיבול הוא רק 'מספר' לסימולציות, קבלים אמיתיים מתוכננים מאלמנטים דיאלקטריים ייחודיים.

במשך 10 קילוהרץ, מתיחת ערך הנגד חייבה את הקבל לערך של 10 nF. למרות שזה עשה את הטריק נכון בהדגמה, זה קרא להתאמה ממכשיר NPO לדיאלקטרי X7R במעבדה שגרם למסנן החריץ לרדת לחלוטין עם התכונה שלו.

המפרט של קבלים 10-nF שהופעלו היה בסמיכות ערך, כתוצאה מהירידה בעומק החריץ הייתה אחראית בעיקר בגלל דיאלקטריה לקויה. המעגל נאלץ לחזור לכבוד עבור Q = 10, והועסק 3-MΩ עבור R0.

עבור מעגלים בעולם האמיתי, מומלץ להקפיד על קבלים NPO. ערכי הדרישה בטבלה 1 נחשבו לבחירה טובה באותה מידה בסימולציות ובפיתוח מעבדה.

בתחילת הדרך, הסימולציות בוצעו ללא פוטנציומטר 1-kΩ (שני הנגדים הקבועים של 1-kΩ נקשרו באופן מסונכרן, וכניסת הקלט הלא-הפוכה של ה- opamp התחתון).

יציאות הדגמה מוצגות באיור 5. תמצאו 9 חלקי תוצאות באיור 5, אולם יתכן שתצורות הגל לכל ערך Q חופפות את אלה בתדרים האחרים.

חישוב תדירות מרכז

תדר המרכז בכל הנסיבות הוא בינוני מעל מטרת המבנה של 10 קילוהרץ, 100 קילוהרץ או 1 מגה-הרץ. זה יכול להיות קרוב ככל שמפתח יכול לרכוש עם נגד E96 מקובל וקבל E12.

חשוב על המצב באמצעות חריץ של 100 קילוהרץ:

f = 1 / 2πR0C0 = 1 / 2π x 1.58k x 1nF = 100.731 kHz

כפי שניתן לראות, התוצאה נראית מעט מהסימן, ניתן לייעל זאת ולהתקרב לערך הנדרש אם הקבל 1nF משתנה עם קבל ערך E24 סטנדרטי, כפי שמוצג להלן:

f = 1 / 2π
x 4.42k x 360 pF = 100.022 kHz, נראה הרבה יותר טוב

השימוש בקבלים בגרסת E24 יכול להביא תדרים מרכזיים מדויקים יותר לרוב, אך איכשהו השגת כמויות מסדרת E24 עשויה להיות תקורה יקרה (וגם לא מוגזמת) במעבדות רבות.

למרות שזה יכול להיות נוח להעריך את ערכי הקבלים E24 בהשערה, בעולם האמיתי רובם כמעט ולא מיושמים, כמו גם זמני הריצה המורחבים הכרוכים בהם. תגלה העדפות פחות מסובכות לרכישת ערכי קבלים E24.

הערכה יסודית של איור 5 קובעת כי החריץ מחמיץ את תדר המרכז במידה צנועה. בערכי Q נמוכים יותר, עדיין ניתן למצוא ביטול ניכר של תדר החריץ שצוין.

במקרה שהדחייה אינה מספקת, ייתכן שתרצה לשנות את מסנן החריץ.

שוב, בהתחשב בתרחיש של 100 קילוהרץ, נצפה שהתגובה סביב 100 קילוהרץ מורחבת באיור 6.

אוסף צורות הגל מצד שמאל וימין של תדר המרכז (100.731 קילוהרץ) תואם לתגובות סינון, ברגע שמוצב ומתאים את הפוטנציומטר 1-kΩ במרווחים של 1%.

בכל פעם שמכוונים את הפוטנציומטר למחצית הדרך, מסנן החריץ דוחה תדרים בתדר הליבה המדויק.

מידת החריץ המדומה היא בסדר גודל של 95 dB, אולם זה פשוט לא אמור להתממש בישות הפיזית.

יישור מחדש של 1% של הפוטנציומטר מציב חריץ העולה בדרך כלל על 40 dB ישר בתדר המועדף.

שוב, זה באמת יכול להיות התרחיש הטוב ביותר כאשר נעשה עם רכיבים אידיאליים, עם זאת נתוני המעבדה מראים מדויקים יותר בתדרים נמוכים יותר (10 ו -100 קילו-הרץ).

איור 6 קובע שעליך להגיע הרבה יותר קרוב לתדר המדויק עם R0 ו- C0 בהתחלה. מכיוון שהפוטנציומטר עשוי לתקן תדרים על פני ספקטרום נרחב, עומק החריץ יכול להתדרדר.

על פני טווח צנוע (± 1%), ניתן להשיג דחייה של 100: 1 של התדר הרע בכל זאת בטווח מוגבר (± 10%), רק דחייה של 10: 1 אפשרית.

תוצאות מעבדה

לוח הערכה THS4032 יושם כדי להרכיב את המעגל באיור 4.

זהו למעשה מבנה למטרות כלליות המשתמש רק בשלושה קופצים יחד עם מעקב כדי לסיים את המעגל.

כמויות הרכיבים בטבלה 1 הוחלו, החל מכאלה שכנראה יגרמו לתדר של 1 מגה-הרץ.

המניע היה לחפש אחר תקנות רוחב פס / קצב מיתוג במהירות 1 מגה-הרץ ולבדוק בתדרים זולים יותר או גבוהים יותר לפי הצורך.

תוצאות ב -1 מגה הרץ

איור 7 מסמל שאתה יכול לקבל מספר רוחב פס ספציפי ו / או תגובת קצב חלשה ב -1 מגה-הרץ. צורת הגל של התגובה ב- Q של 100 מציגה רק אדווה שבה החריץ עשוי להיות קיים.

ב- Q של 10, יש רק חריץ של 10 dB, ו- 30-dB ב- Q של 1.

נראה כי מסנני חריץ אינם מסוגלים להשיג תדר גבוה ככל שכנראה היינו צופים, עם זאת ה- THS4032 הוא פשוט מכשיר של 100 מגה-הרץ.

זה טבעי לצפות לפונקציונליות מעולה ממרכיבים עם רוחב פס משופר לרווחיות אחדות. יציבות רווח אחדות היא קריטית, מהסיבה שטופולוגיית Fliege נושאת רווח אחדות קבוע.

כאשר היוצר מקווה לבחון במדויק את רוחב הפס החיוני לחריץ בתדר מסוים, המקום הנכון לנהוג בו הוא שילוב הרווח / רוחב המוצג בגיליון הנתונים, שיהיה פי מאה מהתדר המרכזי של החריץ.

יתכן שיש לצפות לרוחב פס משלים בערכי Q מוגברים. אתה יכול למצוא מידה של סטיית תדרים של מרכז החריץ כאשר Q שונה.

זה בדיוק כמו מעבר התדרים שהבחין בו עבור מסנני מעבר פס.

מעבר התדרים נמוך יותר עבור פילטרים חריצים המיושמים לעבודה ב -100 קילו-הרץ ו -10 קילו-הרץ, כמפורט באיור 8 ובסופו של דבר באיור 10.

נתונים ב 100 קילוהרץ

כמויות חלק מטבלה 1 הורגלו לאחר מכן להקים מסנני חריץ של 100 קילו-הרץ עם Qs מגוונים.

הנתונים מוצגים בתרשים 8. נראה ישר כבהיר כי מסנני חריץ מעובדים מפותחים בדרך כלל בתדירות מרכז של 100 קילוהרץ, למרות העובדה שעומק החריץ במקרה נמוך משמעותית בערכים גדולים יותר של Q.

יש לזכור, עם זאת, כי מטרת התצורה המפורטת כאן היא 100-kHz ולא 97-kHz-חריץ.

ערכי החלק המועדפים היו זהים לזה של הסימולציה, ולכן תדר מרכז החריץ צריך להיות טכנית ב 100.731 קילוהרץ. עם זאת, ההשפעה מוגדרת על ידי הרכיבים הכלולים בתכנון המעבדה.

הערך הממוצע של מגוון הקבלים של 1000 pF היה 1030 pF, ומגוון הנגד של 1.58 kΩ היה 1.583 kΩ.

בכל פעם שמתבצעת תדר המרכז באמצעות ערכים אלה, הוא מגיע ל 97.14 קילוהרץ. את החלקים הספציפיים, למרות זאת, בקושי ניתן היה לקבוע (הלוח היה רגיש ביותר).

בתנאי שהקבלים שווים, יכול להיות שקל להגיע גבוה יותר באמצעות ערכי נגדים E96 קונבנציונליים כדי להשיג תוצאות חזקות יותר ל -100 קילו-הרץ.

למותר לציין כי ככל הנראה זו לא יכולה להיות חלופה בייצור בנפחים גדולים, כאשר קבלים של 10% עשויים להיות מקורם כמעט בכל חבילה וכנראה מיצרנים מגוונים.

בחירת תדרי המרכז תהיה בהתאם לסבילות של R0 ו- C0, שהן חדשות רעות במקרה שדרגת Q גבוהה תהיה נחוצה.

ישנן שלוש שיטות להתמודדות עם זה:

קנו נגדים וקבלים עם דיוק גבוה יותר

למזער את מפרט ה- Q ולהסתפק בדחייה פחותה של התדר הלא רצוי או

כוונן את המעגל (שהתבונן בהמשך).

נכון לעכשיו, נראה כי המעגל מותאם אישית לקבלת Q של 10, ופוטנציומטר 1 kΩ משולב לכוונון תדר המרכז (כפי שנחשף באיור 4).

בפריסה של העולם האמיתי, ערך הפוטנציומטר המועדף צריך להיות קצת יותר מהטווח הנדרש כדי לכסות את כל טווח התדרים המרכזיים ככל האפשר, אפילו במקרה הגרוע ביותר של סובלנות R0 ו- C0.

זה לא הושג בשלב זה, מכיוון שזו הייתה דוגמה לניתוח הפוטנציאלים, ו- 1 kΩ היה האיכות הפוטנציומטר התחרותית ביותר שנגישה במעבדה.

כאשר המעגל הותאם וכוון לתדר מרכזי של 100 קילוהרץ, כפי שמתואר בתרשים 9, רמת החריץ התדרדרה מ 32 dB ל 14 dB.

זכור כי ניתן לשפר באופן דרמטי את עומק החריץ הזה על ידי מתן f0 הראשוני הדוק יותר לערך המתאים ביותר.

הפוטנציומטר נועד לצבוט באופן בלעדי על שטח צנוע של תדרי מרכז.

עם זאת, דחייה של 5: 1 של תדר לא רצוי ניתנת לזכות, ויכול מאוד להיות נאותה לשימוש רב. תוכניות מכריעות הרבה יותר יכולות להכחיש ללא ספק חלקים בעלי דיוק גבוה יותר.

מגבלות על רוחב הפס של המגבר, היכולות גם לפגוע בעוצמת החריץ המכוונת, עשויות להיות אחראיות למנוע את דרגת החריץ מלהיות קטנה ככל האפשר. בהתחשב בכך, המעגל הותאם שוב לתדר מרכז של 10 קילוהרץ.

תוצאות ב -10 קילוהרץ

איור 10 קובע כי עמק החריץ עבור Q של 10 הוגדל ל 32 dB, זה יכול להיות לפי מה שאתה יכול לצפות מתדר מרכזי הנחה של 4% מהסימולציה (איור 6).

האופמפ ללא ספק צמצם את עומק החריץ בתדר מרכז של 100 קילוהרץ! חריץ של 32 dB הוא ביטול של 40: 1, שיכול להיות הגון למדי.

לכן, למרות חלקים שביצעו שגיאה ראשונית של 4%, היה קל לחרוץ חריץ 32-dB בתדר המרכזי המבוקש ביותר.

החדשות הלא נעימות הן העובדה שכדי להתחמק מאילוצי רוחב הפס של אופמפ, תדר החריץ הגבוה ביותר האפשרי שניתן להעלות על הדעת עם אופמפ 100 מגה-הרץ הוא כ -10 ו -100 קילו-הרץ.

כשמדובר במסנני חריץ, 'מהירות גבוהה' נחשבת בהתאם לאמיתית בסביבות מאות קילו-הרץ.

יישום מעשי מעולה למסנני חריץ של 10 קילוהרץ הוא מקלטי AM (גל בינוני), בהם המוביל מהתחנות הסמוכות מייצר צווחה חזקה של 10 קילוהרץ בשמע, במיוחד במהלך הלילה. זה בהחלט יכול לגרד את העצבים של האדם בזמן שהכוונון הוא רציף.

איור 11 מציג את ספקטרום האודיו הרים של תחנה ללא שימוש ושימוש בחריץ 10 קילוהרץ. שימו לב כי רעש 10 קילוהרץ הוא החלק החזק ביותר באודיו הרים (איור 11 א), למרות שהאוזן האנושית פחות רגישה אליו.

טווח שמע זה נלכד בשעות הלילה בתחנה סמוכה שקיבלה כמה תחנות חזקות משני הצדדים. תנאי FCC מאפשרים שונות מסוימת של מובילי התחנה.

מסיבה זו, מלכודות צנועות בתדירות המוביל של שתי התחנות הסמוכות עשויות להפוך את רעשי 10 קילוהרץ להטרודיניים, ולהגביר את חווית ההאזנה המעצבנת.

בכל פעם שמסנן החריץ מיושם (איור 11 ב), הטון של 10 קילוהרץ ממוזער לרמה התואמת כמו זו של האפנון הסמוך. יתר על כן נצפים בספקטרום האודיו מובילים של 20 קילוהרץ מתחנות שנמצאות במרחק של 2 ערוצים וטון של 16 קילוהרץ מתחנה טרנס-אטלנטית.

אלה בדרך כלל לא דאגה גדולה, מכיוון שהם מוחלשים במידה ניכרת על ידי המקלט IF. תדר בסביבות 20 קילוהרץ עשוי להיות בלתי נשמע לרוב המכריע של האנשים בשני המקרים.

הפניות: