Полосовой заграждающий фильтр

[patron]

Вопрос к тем, кто много игрался с фильтрацией.
Задача такая : компенсировать паразитный резонанс в звуковой системе, расположенный в районе 5 кГц. Фильтр должен быть по возможности минималистичный, конечно без катушек и по возможности без ОУ.
Условия согласования фильтра по входу и выходу довольно тепличные : Rвых предыдущего каскада порядка 100 Ом, вх. сопротивление последующего порядка 100 кОм. Затухание в полосе пропускания желательно не более 3 дБ. Затухание в полосе задержания (или на частоте резонанса 5 кГц) порядка от - 8 до - 10 дБ.

В инете немеряно материала по теме и даже онлайн-калькуляторов, но все простые фильтры имеют очень неприятные АЧХ и ФЧХ : у них очень узкий резонанс и соответственно рваная ФЧХ, что не сулит ничего хорошего в звуке. Пример симуляции двойного Т-моста приведён ниже.

Хотелось бы иметь белее-менее гладкую АЧХ, какую дают LC-фильтры, но применение катушек исключено из-за габаритов. 
Применение одного ОУ в принципе допустимо, но нежелательно, применение двух и более ОУ ограничено и местом и потреблением всего в  2 мА.
Шумы тоже имеют крайне важное значение.
Может будут какие-либо мысли у "набивших руку" в этой области ?


 

[razorgolf]

Не скажу, что рука набита, но когда-то немного использовал Т-фильтры для измерений. Основная проблема - уход параметров. Нужна большая точность. И если резисторы с 0.1% доступны(у них и ТКЕ маленький), то с конденсаторами всё несколько хуже. И габариты у точных конденсаторов не очень маленькие, катушку наверное можно сделать меньше. Если места мало, то кмк нормально сделать не получится.
Тут есть некое противоречие. Чем уже полоса, тем точнее надо всё делать. Но если полосу расширить, то требования к точности понижаются. но и влияние на соседние частоты возрастает.
Что за излучатель, насколько острый у него резонанс, не пьеза?
Ну и ФЧХ у Т-фильтра с перескоком наверное не лучшим образом повлияет. Я то их не слушал, поэтому мне это не мешало.

А почему-бы не пойти стандартным путём - RC-цобель на 5кГц параллельно излучателю? Чаще так делают, хотя там тоже есть свои недостатки. Мощность большая? Если да, то габариты тоже будут немаленькими.

[KSG]

Я когда-то имел дело с аналоговой сотовой связью, там для оценки качества радиоканала и последующих автоматических действий системы в передаваемый сигнал подмешивался пилот-тон 4 кГц строго нормируемого уровня. Для бесперебойной работы системы перед этим стоял узкополосный режекторный фильтр.
Схему того устройства я сейчас вряд ли найду, но поищите в Гугле "notch filter schematic".

[patron]

Вот на картинке выше частота резонанса правильная, но затухание минус 45 дБ - перебор. Попробовал совать резисторы наугад в разные места разных номиналов - но это пальцем в небо.
Попробовал простой Т-мост, но у него слишком широкий захват (красная тонкая линия)
На картинке зелёными точками показана желаемая характеристика.

[OlegFX]

Затухание в полосе пропускания желательно не более 3 дБ. Затухание в полосе задержания (или на частоте резонанса 5 кГц) порядка от - 8 до - 10 дБ.

Обязательно надо указывать, какова требуется полоса пропускания (по уровню -3 дБ). Или другими словами, какова требуется добротность? А просто сказать "Затухание в полосе пропускания желательно не более 3 дБ" - это вообще ничего не сказать, т.к. не определена эта самая полоса пропускания - она может отстоять от f_режекции как всего лишь на 1 Гц, так и на 1 кГц (-3 дБ).

...все простые фильтры имеют очень неприятные АЧХ и ФЧХ : у них очень узкий резонанс и соответственно рваная ФЧХ, что не сулит ничего хорошего в звуке. Пример симуляции двойного Т-моста приведён ниже.

Узкий резонанс легко расширить. Во-первых, если не нужна узкая полоса, то и незачем применять двойной мост, достаточно одинарного. Во-вторых, расширить полосу всегда проще, чем сузить. Если я не ошибаюсь, вы же пользуетесь симулятором - вот и подберите дополнительный резистор для получения 8-10 дБ. И варьируйте номиналы R и C, сохраняя их соотношение (т.е. постоянную частоту режекции) для получения нужной полосы.

Хотелось бы иметь белее-менее гладкую АЧХ, какую дают LC-фильтры, но применение катушек исключено из-за габаритов.

Нет таких особых свойств у LC, любой эквивалентный RC фильтр даст точно такую же "гладкую" АЧХ/ФЧХ. Естественно, при одной и той же аппроксимации. Другое дело, LC иногда получается проще, особенно, когда требуются высокие добротности, а RC при этом будет уже активным. Но это явно не ваш случай.

[KSG]

Нашёл я ту фабричную схему, о которой говорил, вот она:
https://yadi.sk/i/pG86MI0LY3W_4A

[OlegFX]

но применение катушек исключено из-за габаритов.

Катушки нужных номиналов выпускаются в габаритах, чуть больших МЛТ-0,25, что и по объёму, и по площади меньше ОУ, применение которого вы допускаете. Сопоставимо с смд-ОУ или с плёночным конденсатором.
Вот, для примера, симуляция режектора по вашему ТЗ, варьируя L и C, меняем полосу пропускания (добротность). R_add - добавочный R для получения необходимого ослабления (-8 дБ), его сопротивление зависит, в том числе, и от активного R (R_L) конкретного дросселя. Дроссели покупные (магазин РКС, скрин. Там указаны и значения R_L).

[patron]

"...Узкий резонанс легко расширить. Во-первых, если не нужна узкая полоса, то и незачем применять двойной мост, достаточно одинарного. Во-вторых, расширить полосу всегда проще, чем сузить....подберите дополнительный резистор для получения 8-10 дБ. И варьируйте номиналы R и C, сохраняя их соотношение (т.е. постоянную частоту режекции) для получения нужной полосы..."

Я пробовал одиночный Т-мост : как и писал - слишком широкий захват частот.
В двойном Т-мосте пробовал варьировать номиналы RC и Rдоп : полоса частот меняется, но не характер : у LC_фильтра он колокольный, а у RC - какой-то острый и у подавление какое-то огромное.
Я что-то не так делаю ?

[Bpjkznjh]

" у LC_фильтра он колокольный, а у RC - какой-то острый и у подавление какое-то огромное.

А тупо воткнуть ещё один резистор между входом и выходом фильтра? Вот из принципа сим не запущу. Навскидку - 240-270К.

[OlegFX]

Я пробовал одиночный Т-мост : как и писал - слишком широкий захват частот.
В двойном Т-мосте пробовал варьировать номиналы RC и Rдоп : полоса частот меняется, но не характер : у LC_фильтра он колокольный, а у RC - какой-то острый и у подавление какое-то огромное. Я что-то не так делаю ?

Вы не так сформулировали задачу. Вначале вы писали, что

все простые фильтры имеют очень неприятные АЧХ и ФЧХ : у них очень узкий резонанс

У пассивного двойного Т-моста максимально достижимая добротность =0,25 (см. ТиШ, стр. 218). А то желаемое, что вы изобразили точками на графике, имеет намного бОльшую добротность, а именно:
полоса (дельта f) по уровню -3дБ примерно от 3,3 до 7,5 кГц. Q = 5кГц/дельта f(-3 дБ) = 5/(7,5-3,3) = 1,2. Иначе говоря, резонанс вам нужен существенно более "узкий", чем "очень узкий резонанс простых RC - фильтров".

у LC_фильтра он колокольный, а у RC - какой-то острый

У LC  он может быть любым - как сделаете, так и будет, если, конечно, требуемые параметры реализуемы в желаемой конфигурации (а нет, так актив в помощь). Повторю, нет никаких особых свойств у LC, при одинаковом ТЗ результаты будут одинаковыми как по АЧХ, так и по ФЧХ. Кстати, настоящую "колокольность" в радиотехнике получают фильтрами с двумя или более f_рез.
Поэтому, либо LC-режектор, либо двойной Т-мост + неинверт. усилитель с Кус примерно 1,5, на его выход - нижний вывод резистора R3 (из первой схемы). [При Кус=2 теоретически будет бесконечная Q/бесконечно узкая полоса режекции, а практически - возбуд]. Глубину режекции сбить резистором "вход схемы--вход доп. усилителя". R4 лучше увеличить. Короче, в симуляторе всё хорошо видно.

Ну, или какие-нибудь другие схемы активных фильтров.

По шумам LC выигрывает у них у всех.

[patron]

" у LC_фильтра он колокольный, а у RC - какой-то острый и у подавление какое-то огромное.

А тупо воткнуть ещё один резистор между входом и выходом фильтра? Вот из принципа сим не запущу. Навскидку - 240-270К.

"Тупо" не получилось : номинал этого резистора для подавления порядка -8 дБ - около 10 кОм, но при этом не удаётся сузить ачх. 

[Denn]

...но все простые фильтры имеют очень неприятные АЧХ и ФЧХ : у них очень узкий резонанс и соответственно рваная ФЧХ, что не сулит ничего хорошего в звуке.

Надо слушать применительно к конкретной задаче. Возможно, что на конкретный ух окажется всё не так уж плохо, если вообще заметно..

[Bpjkznjh]

" у LC_фильтра он колокольный, а у RC - какой-то острый и у подавление какое-то огромное.

А тупо воткнуть ещё один резистор между входом и выходом фильтра? Вот из принципа сим не запущу. Навскидку - 240-270К.

"Тупо" не получилось : номинал этого резистора для подавления порядка -8 дБ - около 10 кОм, но при этом не удаётся сузить ачх. 

:o Не может он быть 10К, нагрузка-то 100К. М.б. ты неправильно понял - я предлагал кинуть резюк от R5 к R4...

[patron]

2 Наблюдатель

Самая верхняя кривая - 10кОм, самая нижняя - 300 кОм

[KSG]

Кстати, замечательный способ проверить и сравнить в реале добротность конденсаторов разных типов

[Bpjkznjh]

2 Наблюдатель

Самая верхняя кривая - 10кОм, самая нижняя - 300 кОм

Да, так не пойдёт...совсем не то

[DDD]

Я бы поставил последовательную LC фильтр-пробку, а после неё - достаточно низкоомный резистор на землю, которым бы регулировал ширину полосы заграждения.
Габариты такого LC-фильтра невелики для частоты 5кГц, и в условиях единичного производства не грех и подобрать величину ёмкости вручную  (для удобства точного подбора поставить два конденсатора параллельно).
Вообще, начальные условия задачи диктуют неизбежность достаточно серьезного компромисса.
*** RC-фильтры в данных условиях считаю бесполезными хотя бы из-за их малой добротности в простом варианте, и - в случае узкополосного варианта - слишком сложными в настройке и нестабильными.

[patron]

Уточняю задачу : есть недорогой мелкосерийный микрофонный капсюль, но у него неважная АЧХ. Кроме резонанса в р-не 5 кГц у него ещё и завалены низы.
Хорошие результаты по компенсации резонанса дал вариант, предложенный OlegFX в посте 6 - с последовательным контуром на землю после входного повторителя.
Но вылезла другая проблема - из-за заваленных низов капсюля майк звучит сильно серединисто. Придётся как-то поднимать низы, но без завала верхов. Очевидно придётся навешивать какие-то дополнительные цепи для реализации чего-то наподобие кривой, обозначенной зелёными точками. 

[patron]

Возможно боян - набрёл на интересную утиль Tone Stack Calculator. Набор популярных регуляторов тебра с возможностью двигать мышью движки резисторов и наблюдать на графике результат. Можно даже менять номиналы деталей и гондобить что-то своё.
К сожалению под свои интересы что-то не удалось перекроить какой-то из готовых.

[OlegFX]

В окошке Big Muff можно накрутить требуемый провал на 250 (или сколько там) Гц. Кликнув по элементам, можно можно задавать их номиналы.