Notch-Filter-Design meistern: Präzise Rauschunterdrückung für zuverlässige Elektronik

Rauschen und Störungen sind bei elektrischen Geräten alltäglich, da verschiedene Schaltungen unterschiedliche Signalfrequenzen erzeugen, die sich gegenseitig beeinträchtigen. Solche Probleme treten häufig in Kommunikationsgeräten auf, die leicht von Stromleitungen beeinflusst werden. Wenn Sie solche Probleme haben, gibt es einen Weg, unerwünschte Frequenzen mit einem Notch-Filter-Design herauszufiltern. Es gibt verschiedene Arten von Notch-Filtern, jede mit einem einzigartigen Schaltungsdesign, das spezifische Komponenten erfordert.

In diesem Artikel betrachten wir sie detailliert, damit Sie die korrekte Schaltung bauen können.

Was ist ein Notch-Filter?

Auch als Bandsperrfilter oder Band-Stopp-Filter bekannt, ist ein Notch-Filter ein Bauelement, das eine hohe Dämpfung auf einem schmalen Frequenzband (Notch) erzeugt. Es sperrt dieses Frequenzband, lässt aber alle anderen Frequenzen unterhalb oder oberhalb des gesperrten Bereichs durch.

Graph zeigt den Frequenzgang eines 50Hz Audiofilters. Beachten Sie die schmale V-Form der gesperrten Frequenzen.

Quelle: Wikimedia Commons.

Das Gerät eignet sich hervorragend, um spezifische Störungen wie das 50/60Hz-Brummen einer AC-Stromquelle herauszufiltern.

Notch-Filter-Eigenschaften

Notch-Filter haben drei Attribute:

• Schmale Bandbreite (Sperrband / Stopband)
• Hohe Dämpfungstiefe (Attenuation Depth)
• Hohe Güte (High Q)

Um hohes Q zu erreichen, benötigen Sie eine fast unendliche Dämpfungstiefe und einen hochverstärkenden Operationsverstärker in der Schaltung.

Notch-Filter-Typen

Notch-Filter-Designs bestehen aus drei Komponenten: Ein Tiefpassfilter dämpft hohe Frequenzen, ein Hochpassfilter sperrt niedrige Frequenzen, und ein Summierverstärker kombiniert die Ergebnisse.

Es gibt jedoch verschiedene Notch-Filter-Typen, jedes mit einzigartigem Schaltungsdesign:

Aktiver Notch-Filter (Active Notch Filter)

Ein aktiver Notch-Filter Schaltplan

Der grüne Teil bildet das Tiefpassfilter, der blaue Teil das Hochpassfilter. Diese werden vom Op-Amp (orange Komponenten) summiert.

Passiver Notch-Filter (Passive Notch Filter)

Im Gegensatz zum aktiven Notch-Filter besitzt dieser Typ nur passive Komponenten. Er hat keine Verstärker, die den aktiven Teil der Schaltung bilden.

Passiver Notch-Filter Schaltplan mit Tiefpass- und Hochpassfilter in T-Konfiguration

Die orangefarbenen Teile bilden den Tiefpassfilter-Bereich, die blauen Komponenten den Hochpassfilter.

RLC-Notch-Filter

Wie der Name vermuten lässt, ist ein RLC-Notch-Filter ein passiver Typ, da die Schaltung nur einen Widerstand (R), eine Induktivität (L) und einen Kondensator (C) besitzt.

Ein RLC-Notch-Filter

Butterworth-Notch-Filter

Ein Butterworth-Notch-Filter erzeugt ein Frequenzgang, der so flach wie möglich ist, was es zuverlässig und hochpräzise macht. Die meisten medizinischen Geräte, wie EKGs, verfügen über dieses Bauelement.

4. Ordnung Butterworth Tiefpassfilter

FM-Notch-Filter

FM-Notch-Filter helfen, starke FM-Signale abzulehnen, die Empfängersättigung verursachen. Frequenzmodulation im gleichen Band hat zugenommen, hauptsächlich durch lokale Audioübertragungen, weshalb dieses Gerät entscheidend für die Rauschreduzierung ist.

Ein VHF FM Notch-Filter

Weitere Typen umfassen optische, RF und inverse Notch-Filter. Es mag mehr geben, aber alle haben einen aktiven oder passiven Notch-Filter als zugrundeliegende Schaltung. Der einzige Weg, die beiden zu unterscheiden, ist, ob das Schaltungsdesign eine aktive Komponente (Verstärkerschaltung) hat oder nicht.

Notch-Filter-Design-Beispiel

Das grundlegende Design eines Notch-Filters

Wie bereits erwähnt, hat ein Notch-Filter drei Hauptkomponenten: ein Tiefpassfilter, ein Hochpassfilter und einen Verstärker. Kombiniert dämpfen die drei einen schmalen und spezifischen Frequenzbereich.

Graphische Antwort zeigt das schmale V-Sperrband eines Notch-Filters

Quelle: Wikimedia Commons.

Die gängigste Notch-Filter-Topologie ist das grundlegende Twin-T-Notch-Filter-Design. Es ist eine Kombination aus zwei RC-Zweigen.

Ein grundlegender Twin-T-Notch-Filter-Schaltkreis

Die obere T-Konfiguration (rot) ist das Tiefpassfilter, die untere T-Konfiguration (grün) das Hochpassfilter.

Wenn Sie jedoch ein schmaleres Sperrniveau mit hoher Dämpfung erreichen wollen, müssen Sie einen Operationsverstärker hinzufügen.

Ein Twin-T-Notch-Filter mit Operationsverstärker. Die zwei Widerstände in Orange bilden den Spannungsteiler

Die Schaltung hat noch ein Hauptproblem: Sie erhöht die Verstärkung nach der V-Dämpfung in der Antwortkurve. Daher müssen Sie einen weiteren Operationsverstärker hinzufügen, um zu verhindern, dass der Durchlassbereich verfälscht wird.

Zwei Op-Amp Notch-Filter Design

Design-Beispiel

Angenommen, wir wollen zwei Operationsverstärker mit einer Notch-Frequenz von 1 kHz und einer 3-dB-Bandbreite von 100 Hz entwerfen. Betrachten Sie den Wert der Hochpassfilter-Kondensatoren als 0,1 µF.

Wir können die Formel für die Notch-Filter-Frequenz verwenden:

Damit können wir den aktiven Notch-Filter für eine 20-dB-Notch-Tiefe wie folgt entwerfen:

Ein Zwei-Op-Amp-Notch-Filter für 20dB Notch-Tiefe

RLC-Typ Notch-Filter designen

Ein weiteres lohnenswertes Beispiel ist der RLC-Notch-Filter. Statt eines Twin-T-Designs mit sechs Komponenten hat dieser nur drei: einen Widerstand, eine Induktivität und einen Kondensator.

Wenn die Aufgabe darin besteht, eine Schaltung mit 23 kHz und 25 kHz als Grenzfrequenzen zu entwerfen, gehen Sie wie folgt vor:

Ein RLC-Notch-Filter für 23 kHz und 25 kHz Grenzfrequenzen

Notch-Filter-Übertragungsfunktion

BW ist die Bandbreite.

W_Z ist die Null-Kreisfrequenz (Grenzfrequenz), während W_P die Pol-Kreisfrequenz ist. W_P bestimmt den Typ/die Charakteristik des Filters, mit drei Möglichkeiten:

• Wenn W_P > W_Z: Hochpass-Notch-Filter
• Wenn W_P < W_Z: Tiefpass-Notch-Filter
• Wenn beide gleich sind: Standard-Notch-Filter

Daher können Sie die Formel eines Standard-Notch-Filters umschreiben als:

W_C ist die Breite des abgelehnten Bandes, W₀ die abgelehnte Frequenz (zentral).

Notch-Filter-Anwendungen

• Kommunikationssysteme: Hohe Wahrscheinlichkeit von Nachrichtensignal-Störungen durch harmonische Rauschen (insbesondere Stromleitungen). Notch-Filter entfernen diesen Frequenzbereich.
• Audio-Anwendungen (Akustische Anwendungen): Brummgeräusche können Audio-Engineering-Geräte wie Verstärker und PA-Systeme verzerren oder scharfe Spitzen erzeugen. Notch-Filter eliminieren diese Frequenzen.
• Medizintechnik: Netzstörungen können EEG- und EKG-Messwerte verfälschen. Notch-Filter eliminieren dieses Netzrauschen aus biomedizinischen Signalen.
• Internetdienste: DSL-Übertragung über Telefonleitungen ist anfällig für unerwünschte Störungen. Ein Notch-Filter als Leitungsrauschreduzierer ist die einzige Abhilfe.
• Digitale Signal- und Bildverarbeitung
• Optische Anwendungen

Zusammenfassung

Notch-Filter sind praktische Geräte in zahlreichen Anwendungen, vor allem weil sie Störungen durch AC-Stromquellen blockieren können.

Wenn Sie dieses Gerät bauen möchten, reichen die obigen Informationen und Schaltbilder aus, um Sie durch den Prozess zu führen.

Sie müssen jedoch zunächst die benötigten diskreten Komponenten für dieses Projekt kaufen – wir haben alles, was Sie brauchen. Kontaktieren Sie uns für günstige Angebote auf authentische PCBs, Widerstände, Kondensatoren und alle Teile zum Aufbau des Filters.