Мастерство проектирования режекторных (Notch) фильтров: Точное подавление шумов для надежной электроники

Что такое режекторный (Notch) фильтр?

Также называется полосно-заграждающим фильтром (band rejection filter) или полосно-подавляющим (band-stop filter). Это устройство, создающее высокое затухание на узкой полосе (notch). Блокирует эту полосу частот, но пропускает все остальные ниже или выше заграждаемого диапазона.

Удобен для фильтрации конкретных шумов, например, 60 Гц гудения от сети переменного тока.

Характеристики режекторного фильтра

• Узкая полоса подавления (stopband)
• Большая глубина затухания
• Высокое добротность (High Q)

Для высокого Q нужна почти бесконечная глубина затухания и ОУ с высоким усилением в схеме.

Типы режекторных фильтров

Структурно: НЧФ (блокирует высокие частоты), ВЧФ (блокирует низкие) и суммирующий усилитель (комбинирует результаты). Но есть разные топологии:

Активный режекторный фильтр

Пассивный режекторный фильтр

Только пассивные компоненты, без усилителей (активной части).

RLC режекторный фильтр

Пассивный тип: только резистор (R), катушка (L), конденсатор (C).

Фильтр Баттерворта (Butterworth Notch Filter)

Дает максимально плоскую АЧХ — надежный и точный. Применяется в медицинском оборудовании (ЭКГ).

FM режекторный фильтр

Подавляет сильные FM-сигналы, вызывающие перегрузку приемника. Важен из-за роста частотного модуляции в одном диапазоне из-за локальных аудиовещаний.

Другие типы: оптические, ЧП (RF), инверсные режекторные фильтры. Все базируются на активном или пассивном варианте. Различить просто: есть ли в схеме активный компонент (усилитель).

Пример проектирования режекторного фильтра

Три основных блока: НЧФ, ВЧФ, усилитель. Вместе затухают узкий диапазон.

Частая топология — базовый двойной T-фильтр (twin-T). Сочетание двух RC-ветвей.

Для более узкого подавления с высокой глубины вводят операционный усилитель.

Проблема: усиливает сигнал после V-затухания на АЧХ. Нужен второй ОУ для сохранения пропускной полосы.

Пример расчета

Задача: два ОУ, частота подавления 1 кГц, полоса 3 дБ = 100 Гц. Конденсаторы ВЧФ = 0,1 мкФ.

Формула частоты подавления:

Расчет активного режекторного фильтра для глубины 20 дБ:

Проектирование RLC режекторного фильтра

Вместо twin-T с 6 компонентами — только 3: R, L, C.

Задача: частота среза 23 кГц и 25 кГц.

Передаточная функция режекторного фильтра

BW — полоса пропускания. Wz — нулевая круговая частота (частота среза), Wp — полюсная круговая частота. Wp определяет тип/характеристики фильтра, три варианта:

• Wp > Wz → высокочастотный режекторный фильтр
• Wp < Wz → низкочастотный режекторный фильтр
• Wp = Wz → стандартный режекторный фильтр

Формула стандартного режекторного фильтра:

Wc — ширина подавленной полосы, W0 — центральная подавленная частота.

Применение режекторных фильтров

• Системы связи: гармонические шумы от линий питания, режекторные фильтры удаляют этот диапазон.
• Аудио (акустика): гудение искажает звук в усилителях и звукоусиливательных системах, фильтры устраняют эти частоты.
• Медицинская инженерия: помехи сети мешают ЭЭГ и ЭКГ, фильтры убирают сетевой шум из биомедицинских сигналов.
• Интернет-услуги: DSL по телефонным линиям подвержен помехам, режекторный фильтр как снижатель линейного шума.
• Цифровая обработка сигналов и изображений
• Оптические приложения

Заключение

Режекторные фильтры — полезные устройства во многих приложениях, прежде всего для блокировки помех от источников переменного тока. Информации и схем выше достаточно для самостоятельной сборки. Для покупки компонентов (PCB, резисторы, конденсаторы и др.) — свяжитесь с нами за выгодными ценами.