陷波滤波器电路与设计细节

在这篇文章中，我们将详细讨论如何设计具有精确中心频率和最大冲击的陷波滤波器。

在哪里使用陷波滤波器

陷波滤波器电路通常用于抑制、抵消或抵消特定范围的频率，以避免电路配置中令人讨厌的或不必要的干扰。

它特别适用于敏感的音频设备，如放大器、无线电接收器，这些设备需要通过简单的方法消除单个或选定数量的不需要的干扰频率。

有源陷波滤波器在早期的几十年里被积极地用于放大器和音频应用，以消除50和60赫兹的嗡嗡声干扰。这些网络虽然从中心陷波频率(f0)调优、平衡和一致性的角度来看有些笨拙。

随着现代高速放大器的引入，有必要创建兼容的高速陷波滤波器，以有效的速率处理高速陷波频率滤波。

在这里，我们将尝试研究与制造高陷波滤波器有关的可能性和相关的复杂性。

可调50hz陷波器应用电路

磁产生的嗡嗡声干扰频率为50Hz，而纹波诱导的嗡嗡声频率为100Hz。这个电路可以处理两种类型的帮助开关，允许50Hz或100Hz的功能。滤波器由两个晶体管级组成，每个级延迟信号90度。在X点，通过Q2和Q3的最大延迟是180°。

重要特征

在深入研究本主题之前，让我们首先总结一下在设计拟议的高速陷波滤波器时可能严格要求的重要特性。

1)图1模拟中所示的零深度陡度在实际中不一定可行，最有效的可达结果不超过40或50dB。

2)因此必须认识到，中心频率和Q是需要改进的更重要的因素，设计者应该关注这一点而不是缺口的深度。在设计陷波器时，主要目标应该是对不需要的干扰频率的抑制水平，这必须是最佳的。

3） 上述问题可通过优选R和C分量的最佳值来最佳解决，这可通过正确使用参考文献1中所示的RC计算器来实现，该计算器可用于适当识别特定陷波滤波器设计应用中的R0和C0。

以下数据将探索并帮助理解一些交互陷波滤波器拓扑的设计：

双T陷波滤波器

图3中显示的Twin-T滤波器配置看起来非常有趣，因为它的良好性能和设计中只涉及一个opamp。

略图的

尽管上述陷波滤波器电路相当有效，但由于其极其简单，可能具有某些不利条件，如下所示：

该设计使用了6个精密部件进行调谐，其中一对用于获得其他的比率。如果需要避免这种复杂性，电路可能需要包含8个额外的精密元件，例如R0/2 = 2个并行的R0和2 into C0 = 2个并行的C0。

Twin-T拓扑不容易在单电源下工作，也不符合全功能的差分放大器。

由于RQ < < R0的必要性，电阻值的范围不断增加，这反过来可能会影响所需中心频率的深度水平。

然而，即使有上述的麻烦，如果用户成功地优化了设计与高质量的精确组件，一个合理有效的过滤可以预期和执行给定的应用程序。

Fliege Notch滤波器

图4显示了Fliege Notch滤波器的设计，与Twin-T相比较，它有几个明显的优点，如下所述:

1） 为了实现精确的中心频率调谐，它仅采用Rs和Cs形式的两个精密组件。

2)这种设计的一个值得注意的方面是，在不影响缺口点深度的情况下，尽管中心频率可能会相应改变，但它允许组件和设置中有轻微的不准确性。

3)你会发现几个电阻负责确定离散的中心频率，其值可能不是非常关键

4） 该配置可在合理狭窄的范围内设置中心频率，而不会显著影响槽口深度。

然而，这种拓扑结构的缺点是它使用了两个放大器，但它仍然不能用于差分放大器。

模拟结果

模拟最初是用最合适的opamp版本完成的。真实的opamp版本在使用后不久就产生了与实验室检测的结果相当的结果。

表1展示了用于图4中的原理图的组件值。在10兆赫兹或以上进行模拟似乎没有意义，这主要是因为实验室测试基本上是作为启动进行的，1兆赫兹是需要应用陷波滤波器的领先频率。

关于电容器有一句话要说：尽管电容只是模拟的一个“数字”，但实际电容器是由独特的电介质元件设计的。

对于10 kHz，电阻值拉伸使电容器的值为10 nF。虽然这在演示中正确地实现了这个技巧，但它要求在实验室将NPO电介质调整为X7R电介质，这导致陷波滤波器的特性完全下降。

10-nF电容器的规格在数值上非常接近，因此缺口深度的下降主要是由于介电性能差。电路被迫恢复到Q = 10的尊重，并使用3-MΩ为R0。

对于真实电路，建议采用NPO电容。在模拟和实验室开发中，表1中的需求值被认为是一个很好的选择。

一开始，仿真是在没有1-kΩ电位器的情况下进行的(两个1-kΩ固定电阻是同步的，并且与低opamp的非反相输入相关联)。

演示输出如图5所示。您将在图5中发现9个结果，但是您可能会发现每个Q值的波形重叠在其他频率上。

计算中心频率

在任何情况下，中心频率都略高于10 kHz、100 kHz或1 MHz的结构目标。这可以是开发人员使用可接受的E96电阻器和E12电容器所能获得的。

考虑一下使用100 kHz缺口的情况:

f = 1 / 2π r0c0 = 1 / 2π x 1.58k x 1nF = 100.731 kHz

正如可以看到的，结果看起来有点标志，这可以进一步流线型，并使其更接近所需的值，如果1nF电容器被修改为标准E24值电容器，如下所示:

F = 1 / 2π
x 4.42k x 360 pF = 100.022 kHz，看起来好多了

使用E24版本的电容器可以带来更精确的中心频率大多数时间，但不知怎的获得E24系列的数量可能是一个昂贵的(和不适当的)在许多实验室的开销。

尽管在假设中可以方便地评估E24电容值，但在现实世界中，它们中的大多数几乎从来没有实现过，而且涉及到它们的运行时间也很长。您将发现购买E24电容值的简单偏好。

通过对图5的全面评估，可以确定缺口与中心频率的距离是适中的。在较小的Q值，您仍然可以发现相当大的抵消指定的陷波频率。

如果拒绝不令人满意，那么您可能需要调整陷波滤波器。

再回过头来，考虑100千赫的场景，我们观察到在100千赫左右的反应在图6中得到了扩展。

一旦1-kΩ电位器被定位并以1%的增量进行微调，位于中心频率(100.731 kHz)左右的波形收集就相当于滤波反应。

每当电位器被调半时，陷波器就会在精确的核心频率处拒绝频率。

模拟陷波的程度实际上在95 dB左右，但这根本不应该在物理实体中具体化。

电位计1%的重新校准会在首选频率上设置一个通常超过40 dB的缺口。

再一次，这真的可能是最好的方案，当用理想的组件，然而实验室数据显示更准确的低频率(10和100 kHz)。

图6确定您需要在一开始就使用R0和C0实现更接近精确的频率。由于电位器可以在广泛的频谱上校正频率，缺口的深度就会降低。

在一个适中的范围(±1%)，可以达到100:1的坏频率抑制;然而，在增加的范围内(±10%)，只有10:1的排斥是可行的。

实验室结果

采用THS4032评估板将电路组装在一起，如图4所示。

它实际上是一个通用的结构，仅仅使用3个跳线和跟踪来完成电路。

我们应用了表1中的分量，从那些可能产生1 MHz频率的分量开始。

其动机是在1MHz下寻找带宽/转换速率规则，并根据需要在更便宜或更高的频率下进行检查。

1 MHz下的结果

图7表明您可以在1 MHz下获得许多特定的带宽和/或回转速率反应。当Q值为100时，反应波形仅呈现一个波纹，其中可能存在缺口。

在Q值为10时，仅存在10 dB陷波，在Q值为1时存在30 dB陷波。

似乎陷波器无法实现我们可能预期的高频率，不过THS4032只是一个100 mhz的设备。

很自然地，我们会期望通过改进的单位增益带宽来实现组件的卓越功能。单位增益稳定性是至关重要的，因为Fliege拓扑具有固定的单位增益。

当创造者希望精确地估算出在特定频率下的缺口所必需的带宽时，一个正确的地方就是在数据表中显示的增益/带宽组合，这应该是缺口中心频率的100倍。

补充带宽可能是期望增加Q值。当Q被修改时，你可以发现缺口中心的频率偏差的程度。

这与带通滤波器所注意到的频率过渡完全相同。

陷波器用于工作在100khz和10khz时，频率过渡较低，如图8所示，最终如图10所示。

100khz数据

表1中的部分量随后被用于建立具有不同q的100 khz陷波滤波器。

数据如图8所示。显而易见，可使用的陷波滤波器的中心频率通常为100 kHz，尽管在较大的Q值下，陷波深度恰好明显较小。

然而，请记住，这里列出的配置目标是100 khz而不是97 khz的缺口。

首选零件值与模拟值相同，因此缺口中心频率在技术上需要为100.731 kHz；然而，实验室设计中包含的组件说明了影响。

1000-pF电容器品种的平均值为1030pf, 1.58-kΩ电阻品种的平均值为1.583 kΩ。

任何时候使用这些值计算出中心频率，它到达97.14千赫。尽管如此，具体的部件还是很难确定(电路板非常敏感)。

如果电容器是等效的，很可能很容易通过一些传统的E96电阻值得到更高的结果更紧密到100 kHz。

不用说，这很可能不是大批量生产的替代方案，因为10%的电容器可能来自几乎任何包装，也可能来自不同的制造商。

中心频率的选择将根据R0和C0的公差，这是一个坏消息，如果需要一个高Q缺口。

有3种方法可以解决这个问题:

购买更高精度的电阻器和电容器；

使Q规格最小化，满足对不期望频率的较小抑制;或

对电路进行微调(这是后来考虑的)。

现在，电路似乎是个性化的，以接收一个Q为10，并集成了一个1-kΩ电位器来调整中心频率(如图4所示)。

在真实世界的布局中，电位器的首选值应该比所需的范围稍微多一点，以便尽可能多地覆盖中心频率的全部范围，即使在R0和C0公差的最坏情况下也是如此。

这一点还没有完成，因为这是分析潜能的一个例子，而1kΩ是实验室中最具竞争力的电位器质量。

如图9所示，当电路的中心频率为100 kHz时，陷波电平从32 dB降至14 dB。

请记住，通过提供紧致最佳合适值的初始f0，这个切口深度可能会显著增强。

电位器的目的是专门调整一个适中的中心频率区域。

然而，对一个不需要的频率5:1的拒绝是可信的，对于许多应用来说是足够的。不可否认，更关键的程序可以要求更高精度的部件。

运算放大器带宽限制，具有额外降低调谐陷波幅度的能力，也可能是阻止陷波度变得尽可能小的原因。考虑到这一点，再次将电路调整为10 kHz的中心频率。

10 kHz时的结果

图10确定了Q为10时的陷波谷增加到32db，这可能是根据模拟的中心频率降低4%所预期的(图6)。

opamp无疑降低了中心频率为100 kHz时的槽口深度！32分贝的陷波是40:1的抵消，这可能是相当不错的。

因此，尽管零件设计的初步误差为4%，但它很容易在最需要的中心频率上制造出32db的缺口。

令人不快的消息是，为了避免运算放大器带宽限制，100 MHz运算放大器可能的最高陷波频率约为10和100 kHz。

当谈到陷波滤波器时，“高速”被认为是真正的，在大约几百千赫兹。

10-kHz陷波滤波器的一个极好的实际应用是AM(中波)接收器，在这种接收器中，来自邻近电台的载波会在音频中产生巨大的10-kHz刺耳声音，特别是在夜间。这当然会激怒一个人的神经，而调谐是连续的。

图11显示了在没有使用和使用10khz陷波的情况下拾取的电台音频频谱。请注意，10khz噪音是拾取音频中音量最大的部分(图11a)，尽管人耳对它的敏感程度要低得多。

这个音频范围是在夜间被附近的一个电台捕捉到的，它收到了双方的两个强大的电台。FCC的规定允许电台运营商有一定的变动。

出于这个原因，两个相邻电台的载波频率中的适度缺陷可能会使10 kHz的噪声外差，增加恼人的收听体验。

每当陷波器被实现时(图11b)， 10khz的音调被最小化到相邻调制的匹配水平。此外，在音频频谱上可以观察到来自2个频道之外的电台的20千赫载波和来自跨大西洋电台的16千赫音调。

这些通常不是一个大问题，因为它们会被接收器IF大幅衰减。无论哪种情况，绝大多数人都可能听不到20 kHz左右的频率。

引用:

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