Diseño de filtro de paso alto de ruido muy bajo

  

Sí, solo queremos eliminar 1kHz

Se puede usar un filtro de muesca para esto: -

Esteesundiseñode10kHzyobservelafigura6:cómorespondecuandoobtieneentre9kHzy11kHzconlaseñaldeentrada.

Este artículo describe el circuito con más detalle y proporciona ejemplos de otros filtros de muesca en todo el rango de audio. El artículo es de TI y se titula: -

  

Una colección de circuitos de audio, Parte 2

Con respecto a los amplificadores operacionales, porque está usando un amplificador de bloqueo, no es crítico, PERO en caso de optar por amplificadores operacionales que estén por debajo de 10 nV / \ $ \ sqrt {Hz} \ $ especificados para el ruido. Los dispositivos que vienen a la mente son OP1177, AD8605, ADA4528, pero hay muchos con menos ruido.

Voy a recomendar un filtro L-C con una muesca a 1 kHz, seguido de un amplificador de bajo ruido, luego un filtro activo (ya sea Sallen & Key o un filtro de muesca en T doble como sugiere Andy).

Después del amplificador, el ruido de Johnson de las resistencias en ese filtro activo será un problema menor, y entre las dos etapas del filtro debería ser posible atenuar el componente de 1kHz en más de 70dB, para hacer un mejor uso de el rango dinámico del ADC de 16 bits (después del cual el filtrado digital puede proporcionar cualquier acondicionamiento de señal necesario adicional.

Para mí, el bajo ruido en la banda de audio significa 1 nV / rtHz o menos, lo que no se puede lograr con 10kilohm o incluso 1kilohm de resistencia antes de la primera etapa de ganancia. Pero si puede tolerar el ruido de las resistencias de valor relativamente alto en un filtro activo, hay soluciones más simples como sugiere Andy.

EDITAR para más detalles:

El propósito de un filtro L-C inicial es reducir la amplitud del componente no deseado, con un ruido agregado mínimo al componente deseado, de modo que se pueda usar un amplificador de bajo ruido para agregar ganancia sin saturar. Supongamos que puede atenuar el componente de 1 kHz en 40dB: luego el amplificador de bajo ruido puede proporcionar una ganancia de 40dB. El nivel general de la señal no se modifica, pero el componente deseado es 40dB más fuerte y el ruido introducido por el procesamiento adicional (filtrado activo, ADC, etc.) es menos importante.

Hay algunos inductores , ¡pero enrollarlos a mano no es tan difícil! Hay ajustable y Núcleos fijos de ferrita y bobinas disponibles que deberían ser adecuados. Si usa un inductor fijo, es posible que tenga que ajustar la muesca agregando condensadores durante la prueba (mal para una ejecución de producción pero está bien para números pequeños)

Diseñar una bobina requiere algo de trabajo: para vencer a 1 nV / rtHz debe mantener las resistencias por debajo de los 100 ohmios (aunque esto debería ser fácil), para manejar varios voltios sin saturar el núcleo, necesita un tamaño de núcleo razonable y aquí no es obvio si tiene un problema: una forma de onda de CA pura que satura un inductor generará componentes del 3er armónico (3 kHz) y más.

Mencionas una frecuencia de esquina de 2 kHz con 50 dB de atenuación a 1 kHz. Es un filtro empinado : ¿por qué necesita tanta atenuación? 50 dB de 1 a 2 kHz significa un despegue del filtro de aproximadamente 170 dB / década.

¿Estás seguro de que esto es lo que quieres? ¿Qué estás tratando de lograr aquí? Es bastante ridículo y requerirá algunos problemas de diseño de filtros serios . Si se implementa como una cascada de filtros de primer orden, por ejemplo, es un filtro de noveno orden . Es posible que pueda implementarlo como una cascada de filtros Butterworth de topología de Sallen-Key, pero los valores de sus componentes deberán ser muy precisos.

Usted dice "bajo ruido". ¿Qué nivel de ruido es aceptable?

Finalmente, si necesita este nivel de precisión, ¿por qué no implementarlo como un filtro digital?

EDITAR: Además, ¿cuáles son las restricciones de fase?

Es posible que desee considerar utilizar un amplificador diferencial para su etapa de amplificación, con las entradas como su señal original (desde su bloqueo) y la señal de su experimento. Deberá coincidir con las amplitudes de los componentes de estos que están en \ $ f \ $. ¿Su enclavamiento tiene entradas diferenciales?

Estaría tentado de proceder de la siguiente manera. Configure las entradas diferenciales de amplificador / bloqueo diferencial con un divisor de potencial en la entrada de referencia. Detecte en \ $ f \ $ y minimice la salida de bloqueo ajustando la amplitud y la fase (con un filtro LC de un solo polo, tal vez?) De la referencia hasta que coincida con la de la señal. Ahora debería poder detectar en \ $ 2f \ $ sin saturación.

Esto supone que su señal es un voltaje, en lugar de una corriente, pero ese parece ser el caso mirando lo anterior.

Diagrama de bloques

Aquí hay un diagrama de bloques del tipo de esquema al que me refiero. Debe asegurarse de que la frecuencia de referencia que ve el bloqueo es correcta; dependiendo de lo buena que sea, el ancho de banda podría ser muy estrecho.

No puedo predecir qué tan bien funcionará esto sin conocer la naturaleza de su bloqueo, ¡pero vale la pena intentarlo!