បច្ចេកទេសរចនាតម្រងអាណាឡូក

បច្ចេកទេសរចនាតម្រងអាណាឡូក

នៅក្នុងពិភពអេឡិចត្រូនិច តម្រងអាណាឡូកដើរតួនាទីយ៉ាងសំខាន់ក្នុងការបង្កើត សម្អាត និងគ្រប់គ្រងវិសាលគមសញ្ញាមុនពេលដំណើរការបន្ថែម។ ទោះបីជាមានភាពលេចធ្លោនៃយុគសម័យឌីជីថលក៏ដោយ តម្រងអាណាឡូកនៅតែមានសារៈសំខាន់នៅក្នុងកម្មវិធីជាច្រើន - ចាប់ពីអូឌីយ៉ូ និងឧបករណ៍ រហូតដល់ទូរគមនាគមន៍ រហូតដល់ប្រព័ន្ធត្រួតពិនិត្យ - ពីព្រោះវាដំណើរការក្នុងពេលវេលាជាក់ស្តែងដោយមិនមានការរំខានដល់ដំណើរការ ហើយអាចដាក់នៅផ្នែកខាងមុខនៃសៀគ្វីដើម្បីទប់ស្កាត់សំឡេងរំខានតាំងពីដំបូង។ អត្ថបទនេះពិភាក្សាអំពីបច្ចេកទេសរចនាតម្រងអាណាឡូកជាក់ស្តែង៖ ចាប់ពីគោលគំនិតជាមូលដ្ឋាន និងការជ្រើសរើសតូប៉ូឡូស៊ី រហូតដល់ជំហានរចនាទូទៅ។

១. គោលគំនិតជាមូលដ្ឋាននៃតម្រងអាណាឡូក

តម្រងអាណាឡូក គឺជាសៀគ្វីមួយដែលត្រូវបានរចនាឡើងដើម្បីបញ្ជូនសញ្ញានៅក្នុងជួរប្រេកង់ជាក់លាក់មួយ និងបន្ថយប្រេកង់នៅខាងក្រៅជួរនោះ។ ដោយផ្អែកលើការឆ្លើយតបប្រេកង់របស់វា តម្រងអាណាឡូកត្រូវបានបែងចែកជាច្រើនប្រភេទ៖

1. តម្រងឆ្លងកាត់ទាប (LPF): ឆ្លងកាត់ប្រេកង់ទាប និងបន្ថយប្រេកង់ខ្ពស់។
2. តម្រងឆ្លងកាត់ខ្ពស់ (HPF): ឆ្លងកាត់ប្រេកង់ខ្ពស់ និងបន្ថយប្រេកង់ទាប។
៣. តម្រងឆ្លងកាត់កម្រិតបញ្ជូន (BPF): ឆ្លងកាត់កម្រិតប្រេកង់ជាក់លាក់មួយ ដោយបន្ថយកម្រិតប្រេកង់នៅខាងក្រោម និងខាងលើកម្រិតបញ្ជូន។
៤. តម្រង​បញ្ឈប់​កម្រិត​ប្រេកង់ / តម្រង​ស្នាម​រន្ធ៖ បដិសេធ​កម្រិត​ប្រេកង់​តូចចង្អៀត​មួយចំនួន (ឧ. 50/60 Hz)។
៥. តម្រង All-pass៖ ទំហំថេរ ប៉ុន្តែផ្លាស់ប្តូរដំណាក់កាល (មានប្រយោជន៍សម្រាប់សំណងដំណាក់កាល)។

ប៉ារ៉ាម៉ែត្រ​តម្រង​សំខាន់ៗ​រួមមាន ប្រេកង់​កាត់ផ្តាច់ (fc) កម្រិត​កើនឡើង រលក​តូចៗ (រលក​តូចៗ​ក្នុង​កម្រិត​ឆ្លងកាត់) ការ​ចុះខ្សោយ​នៃ​កម្រិត​បញ្ឈប់ និង​លំដាប់​តម្រង (កំណត់​ជម្រាល​នៃ​ការ​រំកិល​ចេញ)។ ជាទូទៅ លំដាប់​កាន់តែ​ខ្ពស់ ការផ្លាស់ប្តូរ​កាន់តែ​ច្បាស់ ប៉ុន្តែ​សៀគ្វី​កាន់តែ​ស្មុគស្មាញ។

២. កំណត់លក្ខណៈបច្ចេកទេសនៃការរចនា

បច្ចេកទេសរចនាល្អតែងតែចាប់ផ្តើមជាមួយនឹងការបញ្ជាក់ច្បាស់លាស់។ មុននឹងជ្រើសរើសតូប៉ូឡូស៊ី សូមកំណត់៖

– កម្រិតបញ្ជូន៖ ជួរប្រេកង់ដែលត្រូវតែឆ្លងកាត់ រួមទាំងភាពអត់ធ្មត់នៃរលកសំឡេង។
– កម្រិត​ឈប់៖ ជួរ​ដែល​ត្រូវ​បន្ថយ​សំឡេង រួម​ទាំង​គោលដៅ​បន្ថយ​សំឡេង (ឧ. -40 dB)។
– ប្រេកង់អន្តរកាល៖ ចម្ងាយរវាងព្រំដែននៃកម្រិតបញ្ជូន និងកម្រិតឈប់។ វាកាន់តែតូចចង្អៀត លំដាប់ដែលត្រូវការកាន់តែខ្ពស់។
– ភាពធន់​នៃ​ប្រភព និង​បន្ទុក៖ សំខាន់​សម្រាប់​តម្រង​អកម្ម និង​ដើម្បី​ជៀសវាង​ការ​ផ្ទុក។
– ដែនកំណត់នៃសមាសធាតុ៖ ភាពអាចរកបាននៃតម្លៃ R, C ការអត់ធ្មត់ ទំហំ តម្លៃ និងដែនកំណត់ op-amp (សម្រាប់តម្រងសកម្ម)។

ឧទាហរណ៍ សម្រាប់កម្មវិធីអូឌីយ៉ូ អ្នកប្រហែលជាចង់បាន LPF ដែលមានប្រេកង់ 20 kHz fc រលកសំឡេងទាប និងការបង្ខូចទ្រង់ទ្រាយទាប។ សម្រាប់ឧបករណ៍ អ្នកប្រហែលជាត្រូវការរន្ធ 50 Hz ដើម្បីលុបបំបាត់សំឡេងរំខានអគ្គិសនីដោយមិនរំខានដល់សញ្ញាសំខាន់។

៣. ការជ្រើសរើសការប៉ាន់ស្មានការឆ្លើយតប៖ Butterworth, Chebyshev, Bessel

ការឆ្លើយតបតម្រងដ៏ល្អមិនអាចសម្រេចបានទេ ដូច្នេះអនុគមន៍ប្រហាក់ប្រហែលស្តង់ដារត្រូវបានប្រើ៖

– Butterworth៖ កម្រិតសំឡេងសំប៉ែតអតិបរមា។ ស័ក្តិសមសម្រាប់កម្មវិធីអូឌីយ៉ូ និងគោលបំណងទូទៅ។ ការផ្លាស់ប្តូរមិនមុតស្រួចដូច Chebyshev ក្នុងលំដាប់ដូចគ្នាទេ។
– ឆេប៊ីសេវ៖ ការផ្លាស់ប្តូរមុតស្រួចជាង ប៉ុន្តែមានរលកនៅក្នុងខ្សែឆ្លងកាត់ (ឆេប៊ីសេវ I) ឬខ្សែឈប់ (ឆេប៊ីសេវ II)។ សមរម្យនៅពេលដែលត្រូវការការជ្រើសរើសខ្ពស់។
– Bessel៖ ដំណាក់កាលស្ទើរតែលីនេអ៊ែរ និងការឆ្លើយតបបណ្តោះអាសន្នល្អ (ការហួសកម្រិតតូច)។ ស័ក្តិសមសម្រាប់សញ្ញាជីពចរ ឧបករណ៍ និងឧបករណ៍ប្រឆាំងភាពរអាក់រអួលមួយចំនួន។

ជម្រើសនៃការប៉ាន់ស្មានច្រើនតែអាស្រ័យលើអាទិភាព៖ ទំហំរាបស្មើ ការជ្រើសរើស ឬលីនេអ៊ែរដំណាក់កាល។

៤. លំដាប់តម្រង និងរចនាសម្ព័ន្ធដំណាក់កាល (Cascading)

លំដាប់តម្រងកំណត់ជម្រាលនៃការរំកិលចេញ៖ លំដាប់នីមួយៗបន្ថែមប្រហែល 20 dB/ទសវត្សរ៍ (ឬ 6 dB/អុកតាវ)។ ឧទាហរណ៍ តម្រងលំដាប់ទីពីរបន្ថែមប្រហែល 40 dB/ទសវត្សរ៍។ នៅក្នុងការអនុវត្ត តម្រងលំដាប់ខ្ពស់ជាធម្មតាត្រូវបានបង្កើតឡើងដោយការដាក់ជាជួរនៃដំណាក់កាលទីមួយ ឬទីពីរជាច្រើន (ប៊ីក្វាដ)។ នេះធ្វើឱ្យការលៃតម្រូវ និងការជ្រើសរើសសមាសធាតុកាន់តែសាមញ្ញ។

ជំហានទូទៅ៖
1. កំណត់លំដាប់អប្បបរមានៃការបន្ថយសំឡេង និងលក្ខណៈបច្ចេកទេសអន្តរកាល។
2. បំបែកវាទៅជាដំណាក់កាលលំដាប់ទី 2 ជាច្រើន + បើចាំបាច់ ដំណាក់កាលលំដាប់ទី 1 មួយ។
៣. កំណត់ប៉ារ៉ាម៉ែត្រសម្រាប់ដំណាក់កាលនីមួយៗ (Q និង ω0) យោងទៅតាមតារាង ឬលទ្ធផលនៃការគណនា។

៥. តម្រងអកម្ម ទល់នឹង តម្រងសកម្ម

តម្រងអកម្ម
ប្រើ R, L និង C ដោយមិនចាំបាច់ប្រើឧបករណ៍ពង្រីកសំឡេង។ គុណសម្បត្តិ៖ សំឡេងទាប មិនត្រូវការការផ្គត់ផ្គង់ថាមពល អាចដំណើរការនៅប្រេកង់ខ្ពស់។ គុណវិបត្តិ៖ អាំងឌុចទ័រធំ/ថ្លៃ ការផ្ទុករវាងដំណាក់កាល និងការលំបាកក្នុងការសម្រេចបាននូវកម្រិតសំឡេងកើនឡើង។

ត្រូវបានគេប្រើជាទូទៅនៅក្នុង RF ការផ្គូផ្គងភាពធន់ ឬកម្មវិធីថាមពលខ្ពស់។

តម្រងសកម្ម
ដោយប្រើ op-amp + R និង C (គ្មាន inductor)។ គុណសម្បត្តិ៖ ទំហំតូចជាង ងាយស្រួលគ្រប់គ្រង gain បញ្ចូលខ្ពស់ និង impedance ទិន្នផលទាប។ គុណវិបត្តិ៖ bandwidth op-amp មានកំណត់ សំឡេងរំខាន op-amp និងសក្តានុពលតិត្ថិភាព។

សម្រាប់សញ្ញាអូឌីយ៉ូ និងសញ្ញាមធ្យមទាប តម្រងសកម្មច្រើនតែជាជម្រើសដំបូង។

៦. តូប៉ូឡូស៊ីតម្រងសកម្មទូទៅ

តូប៉ូឡូស៊ីពេញនិយមមួយចំនួន៖

១. សាឡិន-ឃី (VCVS)
ងាយស្រួលរចនា មានសមាសធាតុតិចតួច ស័ក្តិសមសម្រាប់ LPF/HPF លំដាប់ទីពីរ។ Q ត្រូវបានប៉ះពាល់ដោយកម្រិតសំឡេង និងសមាមាត្រសមាសធាតុ។ ជារឿយៗត្រូវបានប្រើក្នុងអូឌីយ៉ូ។

2. មតិប្រតិកម្មច្រើន (MFB)
ស័ក្តិសមសម្រាប់ LPF/BPF ដែលមាន Q ខ្ពស់ជាង។ មានស្ថេរភាពជាងសម្រាប់ Q ខ្ពស់ជាង Sallen-Key ប៉ុន្តែការគណនាសមាសធាតុមានភាពស្មុគស្មាញជាងបន្តិច។

៣. អថេរ​ស្ថានភាព / Tow-Thomas
ផលិតទិន្នផល LPF, HPF និង BPF ក្នុងពេលដំណាលគ្នា។ លៃតម្រូវប្រេកង់ Q និងសំឡេងរោទ៍បានយ៉ាងងាយស្រួល។ ស័ក្តិសមសម្រាប់តម្រងដែលអាចលៃតម្រូវបាន។

៤. ប៊ីក្វាដ (ទូទៅ)
ពាក្យទូទៅសម្រាប់ប្លុកលំដាប់ទី 2។ តម្រងលំដាប់ខ្ពស់ជាច្រើនត្រូវបានបង្កើតឡើងពីប៊ីក្វាដ។

ជម្រើសនៃ topology ត្រូវបានជះឥទ្ធិពលដោយតម្រូវការ Q ភាពងាយស្រួលនៃការលៃតម្រូវ ភាពរសើបចំពោះការអត់ធ្មត់ និងលក្ខណៈនៃ op-amp ។

៧. បច្ចេកទេសរចនាជាក់ស្តែង (លំហូរការងារ)

ខាងក្រោមនេះគឺជាលំហូរការងារដែលត្រូវបានប្រើប្រាស់យ៉ាងទូលំទូលាយក្នុងការរចនាតម្រងអាណាឡូក៖

១. កំណត់លក្ខណៈបច្ចេកទេស៖ ប្រភេទតម្រង, fc/fo, រលក, ការបន្ថយភាពស្រអាប់, លំដាប់។
2. ជ្រើសរើសការប៉ាន់ស្មាន៖ Butterworth/Chebyshev/Bessel។
៣. ទទួលបានប៉ារ៉ាម៉ែត្រដំណាក់កាល៖ ω0 និង Q សម្រាប់ប៊ីក្វាដនីមួយៗ (ពីតារាង កម្មវិធី ឬរូបមន្ត)។
៤. ជ្រើសរើស​តូប៉ូឡូស៊ី​សម្រាប់​ដំណាក់កាល​នីមួយៗ៖ Sallen-Key សម្រាប់ Q មធ្យម, MFB សម្រាប់ Q ខ្ពស់, state-variable សម្រាប់ការលៃតម្រូវ។
៥. គណនាតម្លៃសមាសធាតុ៖ កំណត់ស្តង់ដារ C ជាមុនសិន (ឧទាហរណ៍ 10 nF, 100 nF) បន្ទាប់មកគណនា R ដើម្បីធ្វើឱ្យភាពជាក់លាក់កាន់តែងាយស្រួល។
៦. ការក្លែងធ្វើ៖ ប្រើ SPICE ដើម្បីមើលទំហំ និងការឆ្លើយតបនៃដំណាក់កាល ព្រមទាំងពិនិត្យមើលតិត្ថិភាព op-amp និងសំឡេងរំខានផងដែរ។
៧. ពិចារណា​ពី​ភាព​អត់ធ្មត់៖ R 1% និង C 5% អាច​ផ្លាស់ប្ដូរ fc និង Q។ សម្រាប់​កម្មវិធី​ដែល​មាន​ភាព​ជាក់លាក់ សូម​ប្រើ​ភាព​អត់ធ្មត់ C 2% ឬ​ការ​កាត់​តម្រឹម។
៨. ប្លង់ PCB៖ កាត់បន្ថយផ្លូវវែងៗ ញែកដីអាណាឡូក ជៀសវាងការភ្ជាប់ និងដាក់ឧបករណ៍ផ្ទុកអគ្គិសនីនៅជិត op-amp។
៩. ការធ្វើតេស្តគំរូដើម៖ វាស់ស្ទង់ការឆ្លើយតបប្រេកង់ (ការបោសសំអាត) ពិនិត្យមើលការបង្ខូចទ្រង់ទ្រាយ (THD សម្រាប់អូឌីយ៉ូ) និងផ្ទៀងផ្ទាត់ប្រឆាំងនឹងការប្រែប្រួលសីតុណ្ហភាព។

៨. ទិដ្ឋភាពមិនល្អឥតខ្ចោះដែលតែងតែត្រូវបានមើលរំលង

តម្រងអាណាឡូកពិតប្រាកដត្រូវបានប៉ះពាល់ដោយ៖

– កម្រិតបញ្ជូន Op-amp (GBW)៖ សម្រាប់ Q ខ្ពស់ និងប្រេកង់ខ្ពស់ op-amp ត្រូវតែមាន GBW ខ្ពស់ជាងប្រេកង់ប្រតិបត្តិការ។
– អត្រា​រអិល៖ សញ្ញា​ទំហំ​ធំ​នៅ​ប្រេកង់​ខ្ពស់​អាច​បង្ក​ឱ្យ​មាន​ការ​បង្ខូច​ទ្រង់ទ្រាយ។
– សំឡេងរំខាន៖ រេស៊ីស្តង់ និង op-amps បន្ថែមសំឡេងរំខាន។ ក្នុងការផលិតឧបករណ៍ ធ្វើឲ្យតម្លៃរេស៊ីស្តង់ប្រសើរឡើង ហើយជ្រើសរើស op-amps ដែលមានសំឡេងរំខានទាប។
– ការអត់ធ្មត់​នៃ​សមាសធាតុ៖ Q គឺ​ងាយ​នឹង​រង​ឥទ្ធិពល​ខ្លាំង។ ការ​រចនា​បែប “រឹងមាំ” ជៀសវាង Q ខ្លាំង​ប្រសិនបើ​មិន​ចាំបាច់។
– ការផ្ទុករវាងដំណាក់កាល៖ ធានាបាននូវការធ្វើសតិបណ្ដោះអាសន្ន ឬប្រើតូប៉ូឡូស៊ីដែលកាត់បន្ថយអន្តរកម្ម។

ដោយ​គិតគូរ​ពី​កត្តា​មិន​ល្អ​ប្រសើរ​តាំង​ពី​ដើម​មក លទ្ធផល​ចុង​ក្រោយ​នឹង​ស្រប​នឹង​ការ​រំពឹង​ទុក​នៅ​ពេល​ដែល​វា​បាន​សម្រេច។

៩. ឧទាហរណ៍នៃការអនុវត្ត

– ក្រូសវើរអូឌីយ៉ូ៖ ប្រើ LPF និង HPF លំដាប់ 2–4 ដើម្បីបែងចែកប្រេកង់ទៅឱ្យឧបករណ៍បំពងសម្លេង tweeter និង woofer។
– ប្រឆាំង​ការ​ប្ដូរ​ឈ្មោះ​ក្លែងក្លាយ៖ LPF មុន ADC ដើម្បី​ការពារ​សមាសធាតុ​ប្រេកង់​ខ្ពស់​ពី​ការ​បត់​ចូល​គ្នា​ទៅ​ជា​សំឡេង​រំខាន។
– Notch 50/60 Hz៖ ដើម្បីលុបបំបាត់សំឡេងរំខាននៅលើសញ្ញា ECG/EEG ឬឧបករណ៍ចាប់សញ្ញាឧស្សាហកម្ម។
– ផ្នែកខាងមុខ RF៖ កម្រិតបញ្ជូនតូចចង្អៀត ដើម្បីជ្រើសរើសឆានែលជាក់លាក់មួយ។

សេចក្តីសន្និដ្ឋាន

បច្ចេកទេសរចនាតម្រងអាណាឡូករួមមាន ការជ្រើសរើសលក្ខណៈបច្ចេកទេស ការប៉ាន់ស្មានការឆ្លើយតប (Butterworth, Chebyshev, Bessel) ការកំណត់លំដាប់ ការជ្រើសរើសតូប៉ូឡូស៊ី (Sallen-Key, MFB, state-variable) និងការវាយតម្លៃកត្តាមិនល្អឥតខ្ចោះដូចជាការអត់ធ្មត់នៃសមាសធាតុ និងដែនកំណត់ op-amp។ ជាមួយនឹងលំហូរការរចនាជាប្រព័ន្ធ និងការក្លែងធ្វើល្អ តម្រងអាណាឡូកអាចត្រូវបានធ្វើឱ្យមានភាពត្រឹមត្រូវ មានស្ថេរភាព និងស្របទៅតាមតម្រូវការកម្មវិធី - មិនថាសម្រាប់អូឌីយ៉ូ ឧបករណ៍ ឬការទំនាក់ទំនង។

ប្រសិនបើអ្នកចង់បាន ខ្ញុំអាចជួយអ្នកបង្កើតឧទាហរណ៍ការគណនាពេញលេញ (ឧទាហរណ៍ 4th-order Butterworth LPF ជាមួយ Sallen-Key topology) ពេញលេញជាមួយនឹងតម្លៃ RC និងលទ្ធផលនៃការក្លែងធ្វើទ្រឹស្តី។