Mạch khuếch đại thuật toán là một cách tuyệt vời để xây dựng và thiết kế bộ lọc loại bỏ tín hiệu nhiễu (notch filter). Các mạch khuếch đại thuật toán cho bộ lọc loại bỏ tín hiệu nhiễu chủ động rất hiệu quả, đồng thời dễ thiết kế và chế tạo chỉ với một số lượng tối thiểu các linh kiện điện tử.

Bộ lọc loại trừ (notch filter) có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, nơi cần loại bỏ các tần số hoặc dải tần số cụ thể. Thông thường, bộ lọc loại trừ có tần số cố định, mặc dù một số thiết kế có thể có tần số thay đổi.

Bộ lọc loại bỏ tần số cố định được ứng dụng trong việc loại bỏ nhiễu tần số cố định, ví dụ như tiếng ù chính, khỏi các mạch âm thanh. Chúng cũng có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực thiết kế mạch điện tử bằng cách loại bỏ một tần số đơn lẻ hoặc một dải tần số hẹp một cách thuận tiện.

Đáp ứng của bộ lọc khuyết.

Như tên gọi cho thấy, bộ lọc notch có một vùng khuyết hoặc dải tần hẹp mà qua đó bộ lọc loại bỏ các tín hiệu ở tần số đó.

Đáp tuyến lý tưởng của bộ lọc notch là đáp tuyến phẳng hoàn hảo trên toàn dải tần sử dụng được, ngoại trừ tần số notch. Tại đây, đáp tuyến giảm rất nhanh, tạo ra mức suy giảm cao có thể loại bỏ các tín hiệu không mong muốn.

Trên thực tế, sự hoàn hảo là điều không thể, nhưng việc sử dụng các mạch op-amp có độ khuếch đại cao trong bộ khuếch đại thuật toán cho phép dễ dàng đạt được độ suy giảm cao và dải tần hẹp với số lượng linh kiện điện tử tối thiểu ngoài bộ khuếch đại thuật toán.

Mạch lọc notch chủ động Op amp

Sơ đồ bên dưới thể hiện mạch khuếch đại thuật toán cho bộ lọc loại bỏ tín hiệu chủ động sử dụng một bộ khuếch đại thuật toán duy nhất và một vài linh kiện điện tử bổ sung.

Mạch lọc notch tương đối đơn giản, và việc tính toán thiết kế mạch điện tử để xác định giá trị linh kiện cũng dễ dàng.

Mạch lọc notch chủ động có thiết kế tương đối đơn giản, sử dụng cả phản hồi âm và dương xung quanh chip khuếch đại thuật toán, nhờ đó đạt được hiệu suất cao.

Việc tính toán các giá trị cho mạch rất đơn giản. Công thức để tính giá trị điện trở và tụ điện cho mạch lọc notch như sau:

Trong đó:
f_notch = tần số trung tâm của điểm khuyết tính bằng Hertz,
   Π = 3,142
, R và C là giá trị của điện trở và tụ điện tính bằng Ω và Farad.

Các biện pháp phòng ngừa cần xem xét khi thiết kế bộ lọc có khía.

Khi thiết kế mạch lọc notch chủ động, cần sử dụng các linh kiện có dung sai cao để đạt hiệu suất tối ưu. Thông thường, dung sai 1% hoặc tốt hơn được khuyến nghị. Có thể đạt được độ sâu notch 45 dB bằng cách sử dụng các linh kiện có dung sai 1%, mặc dù về mặt lý thuyết, có thể đạt được độ sâu notch 60 dB bằng cách sử dụng các linh kiện lý tưởng. R1 và R2 nên được ghép nối trong phạm vi 0,5%, hoặc được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng các điện trở mắc song song.

Các yêu cầu bổ sung để đảm bảo mạch hoạt động tối ưu bao gồm đảm bảo trở kháng nguồn nhỏ hơn khoảng 100 ôm và trở kháng tải lớn hơn khoảng 2 M ôm.

Mạch này thường được sử dụng để loại bỏ tiếng ù không mong muốn khỏi mạch điện. Các giá trị cho mạch lọc notch 50 Hz sẽ là: Tụ điện: C1, C2 = 47 nF, Điện trở: R1, R2 = 10 kΩ, R3, R4 = 68 kΩ.

Mạch lọc notch chữ T kép sử dụng op amp với hệ số Q thay đổi.

Mặc dù mạch lọc notch cố định có thể được sử dụng trong nhiều loại thiết kế mạch điện tử, đôi khi cần có độ rộng notch thay đổi Q. Điều này cũng có thể được cung cấp bằng cách sử dụng một mạch khuếch đại thuật toán đơn giản.

Bộ lọc notch chữ T kép với hệ số Q thay đổi rất dễ thực hiện và có thể cung cấp mức độ loại bỏ tốt ở tần số notch. Mạch khuếch đại thuật toán này sử dụng hai bộ khuếch đại thuật toán, và phần "T" kép có thể được nhìn thấy giữa hai bộ khuếch đại thuật toán.

Hàm Q thay đổi cho cặp bộ lọc notch chủ động T được tạo ra từ một biến trở đặt trên đầu vào không đảo của bộ khuếch đại thuật toán được thể hiện trong sơ đồ bên dưới.

Việc tính toán các giá trị cho mạch rất đơn giản. Công thức giống như công thức được sử dụng cho bộ lọc T-notch kép thụ động.

Trong đó:
f_notch = tần số cắt tính bằng Hertz,
 π = 3,142
, R và C là giá trị của điện trở và tụ điện trong mạch.

Giá trị của biến trở không quá quan trọng; nó không nên quá cao đến mức điện trở của nó bị ảnh hưởng bởi trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại thuật toán thứ hai. Vì nó được coi là tải điện trở đối với bộ khuếch đại thuật toán thứ nhất, nên nó không nên quá thấp đến mức tạo ra tải đáng kể. Điện trở này hoạt động như một bộ chia điện áp để cung cấp tỷ lệ mong muốn giữa đầu ra và đầu vào của bộ khuếch đại thuật toán thứ hai.

Giá trị trở kháng của biến trở có thể nằm trong khoảng từ 4,7kΩ đến 47kΩ. Vì các mạch khuếch đại thuật toán tiêu chuẩn có trở kháng đầu vào khoảng 250kΩ, nên vẫn có đủ biên độ cho biến trở 47kΩ.

Mạch khuếch đại thuật toán cho bộ lọc loại bỏ nhiễu rất hữu ích, và các chức năng điều chỉnh hệ số Q cũng rất tiện lợi. Nó sử dụng tương đối ít linh kiện điện tử: chỉ cần hai bộ khuếch đại thuật toán có thể tích hợp vào một mạch tích hợp duy nhất, cùng với ba điện trở, ba tụ điện và một biến trở để điều chỉnh giá trị của Q.

Nhược điểm chính của mạch lọc notch là khi mức Q tăng, độ sâu của vùng trống giảm. Mặc dù vậy, mạch op-amp vẫn có thể được sử dụng trong nhiều thiết kế mạch điện tử cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Các linh kiện điện tử dùng trong thiết kế bộ lọc notch.

Việc lựa chọn các linh kiện điện tử được sử dụng trong bộ lọc notch chủ động là yếu tố then chốt quyết định sự hoạt động thành công của mạch. Đối với bộ lọc notch chủ động, dung sai và hiệu năng của các linh kiện điện tử là vô cùng quan trọng.

Sự thay đổi giá trị của các linh kiện điện tử do dung sai có thể làm thay đổi đáng kể kích thước và độ sâu của rãnh khuyết. Tất cả các linh kiện nằm trong khu vực rãnh khuyết của mạch điện phải có dung sai nghiêm ngặt, không quá 1%.

Điện trở màng kim loại hiện có cả loại có chân dẫn và loại gắn bề mặt. Những điện trở này không chỉ có độ nhiễu thấp mà còn có các tùy chọn dung sai gần đúng, thường là 1%, 2%, hoặc đôi khi là 5%. Vì sự khác biệt về chi phí thường rất nhỏ, nên sử dụng điện trở 1% là một lựa chọn tốt.

Về tụ điện, nên tránh hoàn toàn tụ điện phân. Chúng không chỉ bị phân cực mà dung sai của chúng cũng rất kém. Tụ điện phân thường có dung sai từ -20% đến +80%, vì vậy độ chính xác của chúng rất thấp. Tụ điện phân tantalum cũng nên tránh. Chúng tốt hơn tụ điện phân, nhưng chúng bị phân cực và không cung cấp độ chính xác cần thiết.

Tụ điện gốm có hiệu suất tốt và thường có sẵn trong các dải điện áp cần thiết. Chúng cũng có cả phiên bản gắn chân và gắn bề mặt. Tùy thuộc vào chất điện môi thực tế, có những loại tụ điện có dung sai rất cao, và loại phù hợp sẽ mang lại hiệu suất tốt.

Tụ điện màng nhựa là một lựa chọn thay thế tốt khác, vì nhiều loại có độ dung sai cao. Tuy nhiên, tụ điện màng thường chỉ có dạng chân cắm, chứ không có dạng gắn bề mặt.

Mạch lọc notch hai tầng khuếch đại rất dễ thiết kế và sử dụng. Hiệu năng của nó đủ tốt cho hầu hết các ứng dụng, nhưng nếu cần ghép nối tiếp, cần phải cẩn thận để đảm bảo chúng có cùng tần số chính xác, sử dụng các linh kiện có dung sai rất giống nhau đối với các linh kiện quyết định tần số.