ביטול מיסטיציה של עיצוב מסנן פסיבי: תיאוריה ושלבי עיצוב נחשפו

1. מבוא למסננים פסיביים

מסננים אנלוגיים פסיביים הם מרכיבים חיוניים בעיבוד אותות, שנועדו להחליש או להעביר רכיבי תדר ספציפיים של אותות. להלן המפרט.

1.1 תדר נמוך יותר של 1 קילו-הרץ (עם משרעת 5V)

1.2 תדר של 50 קילו-הרץ (עם משרעת 1V)

1.3 אות מורכב

הם שימושיים במיוחד עבור יישומים כגון הסרת רעשים והפרדת אותות בסביבות בינוניות משותפות. מאמר זה בוחן את הבנייה, העקרונות התפעוליים והיישומים של מסננים פסיביים.

2. רכיבים פסיביים בפילטרים

מסננים פסיביים מעסיקים שני רכיבים תגובתיים ראשוניים: קבלים ומשרנים, כל אחד עם מאפיינים ברורים המבוססים על התדרים המיושמים.

2.1 קבלים

קבלים אוגרים אנרגיה על ידי שמירה על מטען בין שני לוחות. כאשר מופעל מתח, זרם זורם לתוך הקבל עד שהמתח על פני הלוחות שווה למתח המופעל. לאחר הטעינה, הקבל מחזיק אנרגיה בשדה החשמלי שלו.

במסננים פעילים, ניכר כי הזרם זורם כאשר המתח משתנה ונפסק כאשר המתח מתייצב. ללא הפרש מתח, לא זורם זרם.

עבור זרם ישר (DC), עבור זרם ישר (DC), קבלים חוסמים זרם עקב היעדר המשכיות חשמלית בין המסופים שלהם. עם זאת, עם זרם חילופין (AC), זרם יכול לעבור דרך קבלים כהעברת אנרגיה דרך השדה החשמלי הפנימי שלהם.

מנקודת מבט של AC, קבלים חוסמים תדרים נמוכים יותר תוך שהם מאפשרים מעבר לתדרים גבוהים יותר

עכבה קיבולית משתנה בהתאם לתדר: בתדרים נמוכים, קבל מתנהג כמו מעגל פתוח, ואילו בתדרים גבוהים הוא פועל כקצר חשמלי. בתדרי ביניים, קבלים מציגים עכבה דומה לנגדים. עם זאת, בניגוד לנגדים, הם אינם מפזרים אנרגיה כחום אלא אוגרים אותה בשדה החשמלי שלהם.

2.2 משרן:

משרנים אוגרים אנרגיה בשדה מגנטי שנוצר סביב הפיתול שלהם. שלא כמו קבלים, משרנים מאפשרים זרימת זרם קבועה ומתנגדים לשינויים בזרם ובמתח. בעוד שקבלים דומים לקפיצים, משרנים דומים לגלגלי תנופה. כאשר מתח מופעל, עכבה ראשונית מגבילה את זרימת הזרם תוך יצירת שדה מגנטי.

ברגע שהשדה המגנטי נוצר, זרם ישר זורם דרך המשרן באין מפריע. אם אתה מנסה לעכב זרם דרך המשרן, השדה המגנטי יוצר מתח כדי לשמור על זרימת הזרם.

עבור תדרים נמוכים, משרן מופיע כקצר חשמלי. עבור תדרים גבוהים, משרן מופיע כמעגל פתוח. בדומה לקבלים, משרנים מציגים מאפייני עכבה הדומים לנגדים בתדרי ביניים, אך בניגוד לנגדים, הם אינם מפזרים אנרגיה כחום; במקום זאת, הם אוגרים אנרגיה בשדה מגנטי.

לסיכום, קבלים ומשרנים הם רכיבים תגובתיים המשלימים זה את זה ביישומי זרם חילופין, מה שהופך אותם לאידיאליים לבניית מסננים פסיביים.

3. דֵצִיבֵּל

לפני התעמקות נוספת, חיוני לתפוס את יחידת המדידה המכונה דציבלים (dB). דציבלים הם יחידה לוגריתמית, כדלקמן:

20 dB תואמים פי 0 משרעת ופי 100 כוח, 40 dB מייצגים פי 100 משרעת ופי 10,000 כוח, וכן הלאה. שימוש בדציבלים כיחידת מדידה מאפשר לנו להתמודד בקלות עם מגוון רחב של ערכים, מקטן מאוד ועד גדול מאוד.

4. עלילת תגובת תדר

עלילת תגובת תדר, המכונה גם עלילת Bode, ממחישה כיצד מעגל מגיב על פני טווח של תדרים, והוכחה חיונית לתכנון וניתוח מסננים.

5. מסנן High Pass קבלים

מסנן High Pass מאפשר מעבר של תדרים גבוהים יותר תוך הנחתה של תדרים נמוכים יותר. קבלים מקלים על מעבר של תדרים גבוהים יותר, מה שהופך אותם למתאימים לבניית מסנני High Pass.

מתרשים תגובת התדר, אנו רואים שתדרים מעל כ-16 קילו-הרץ עוברים בשינוי מינימלי (קרוב ל-0 dB וריאציה), בעוד שתדרים מתחת לנקודה זו מציגים הנחתה גוברת (ב-100 הרץ, ההנחתה מגיעה ל-44 dB).

מסננים אינם יוצרים אפקט קיר לבנים כדי לחסום תדרים נמוכים יותר, אלא מחליש אותם יותר ככל שהתדר פוחת. שילוב מסננים יכול לשפר את הגלגול הזה, הידוע גם כהגדלת סדר הסינון.

לדוגמה, הקבל מסיר למעשה את רכיב התדר הנמוך של 1 קילו-הרץ מהאות (כפי שמודגם על ידי העקיבה האדומה בגרף).

6. מסנן נמוך

מסנן מעבר נמוך פועל הפוך למסנן גבוה, המאפשר מעבר תדרים נמוכים יותר תוך הנחתה של תדרים גבוהים יותר. כדי להמיר את הדוגמה למסנן נמוך, פשוט החליפו את הקבל במשרן.

באופן דומה, תדרים מתחת ל-3 קילו-הרץ לערך עוברים בשינוי מינימלי (קרוב ל-0 dB וריאציה), בעוד שתדרים מעל לנקודה זו חווים הנחתה גוברת (ב-100 קילו-הרץ, ומגיעים ל-30 dB). חשוב לציין שוב שמסננים אינם מציגים אפקט של קיר לבנים כדי לחסום תדרים גבוהים יותר אלא להחליש יותר ככל שהתדר עולה. שילוב מסננים יכול גם לחדד את הגלגול הזה, המכונה הגדלת סדר הסינון.

בתרחיש זה, תדרים גבוהים עוקפים לאדמה דרך הקבל, ובכך למעשה מסירים אותם מהאות. עלילת תגובת התדרים עבור הגדרה זו מומחשת להלן:

7. מסנן High-Pass משרן

באופן דומה, אנו יכולים לבנות מסנן גבוה באמצעות משרן:

כאן, רכיבי התדר הנמוך מועברים לאדמה דרך המשרן, ולמעשה מסירים אותם מהאות. עלילת תגובת התדר עבור תצורה זו מוצגת להלן: [הכנס עלילת תגובת תדר].

8. תדירות חיתוך

תדר החיתוך מוגדר כנקודה במגרש תגובת התדר שבה האות מוחלש ל-3dB, המקביל ל-50% מההספק המקורי שלו (כ-70.7% מהמתח המקורי שלו). זוהי גם הנקודה שבה שיפוע ההנחתה מצטלב עם שיפוע פס המעבר בתרשים.

עבור מסנן קבלים, נוסחת התדר היא:

C=1/2πRC

עבור מסנן משרן, נוסחת התדר היא:

C= R / 2πL

במקרה של מסנן קבלים עם נגד 10k וקבל 1nF, התדר הוא:

C= 1/2π(10x103)(1x10-9) = 15.9kHz

במקרה של מסנן משרן עם נגד 10k וקבל 1nF, התדר הוא:

C=(10x103)/2π(0.1) = 15.9kHz

שני המקרים הללו עולים בקנה אחד עם מה שנצפה בתרשים תגובת התדר לעיל.

9. מסננים מסדר גבוה

במסננים שנדונו קודם לכן, כל אחד מהם כולל רכיב תגובתי אחד. השיפוע באזור הפס העצור של חלקת תגובת התדר הוא כ-20 dB לעשור.

על ידי שילוב רכיבים ריאקטיביים ו/או מסננים נוספים, נוכל לשפר את השיפוע של כל רכיב תגובתי בסביבות 20 dB, ובכך להגדיל את סדר המסנן.

לדוגמה, הנה מסנן מסדר שני (2 רכיבים תגובתיים) משיג שיפוע של כ-40 dB לעשור.

אבל חשוב לציין שלהגדלת סדר המסנן יתר על המידה יש ​​גם חסרונות, כגון הנחתה מוגברת של אותות אפילו בתוך פס המעבר, עיכוב הפצת אותות, ועלויות ומורכבות מעגלים מוגברת.

10. מסנני Bandpass ו-Bandstop

לבסוף, מסנני פס-פס או פס-פס נוצרים על-ידי שילוב של מסנני מעבר גבוה ומעבר נמוך עם תדרי חיתוך מתאימים.