Bộ lọc thông thấp tích cực

Bộ lọc thông thấp là bộ lọc chuyển tất cả các tần số từ DC đến tần số cắt trên fH và loại bỏ bất kỳ tín hiệu nào trên tần số này.

Trong trường hợp lý tưởng, đường cong đáp ứng tần số giảm xuống ở tần số cắt. Thực tế tín hiệu sẽ không giảm đột ngột mà giảm dần từ vùng chuyển tiếp sang vùng dừng.

Tần số cắt nghĩa là điểm tại đó phản ứng giảm -3 dB hoặc 70,7% so với dải tần. Vùng chuyển tiếp có nghĩa là vùng xảy ra hiện giảm tần số.

Vùng dải dừng có nghĩa là vùng mà sự suy giảm phần lớn xảy ra đối với các tín hiệu đầu vào. Vì vậy bộ lọc này còn được gọi là bộ lọc cắt cao hoặc bộ lọc cắt âm ba. Phản ứng lý tưởng được hiển thị bên dưới với Hocwiki nhé.

Thay vì chỉ sử dụng các thành phần thụ động, Bộ lọc thông thấp tích cực được hình thành bởi các thành phần tích cực như Op-Amps, FET và bóng bán dẫn kết hợp với Thành phần thụ động. Các bộ lọc này rất hiệu quả khi so sánh với các bộ lọc thụ động. Bộ lọc tích cực ra đời nhằm khắc phục những khiếm khuyết của bộ lọc thụ động.

Một bộ lọc thông thấp tích cực đơn giản được hình thành bằng cách sử dụng một op-amp. Bộ khuếch đại thuật toán sẽ lấy tín hiệu trở kháng cao làm đầu vào và cho tín hiệu trở kháng thấp làm đầu ra. Thành phần khuếch đại trong mạch lọc này sẽ làm tăng biên độ của tín hiệu ra.

Bằng hành động này của bộ khuếch đại, tín hiệu đầu ra sẽ trở nên rộng hơn hoặc hẹp hơn. Đáp ứng tần số tối đa của bộ lọc phụ thuộc vào bộ khuếch đại được sử dụng trong thiết kế mạch.

Mạch lọc thông thấp tích cực

Sự suy giảm của tín hiệu tức là biên độ của tín hiệu đầu ra nhỏ hơn biên độ của tín hiệu đầu vào trong mạch thụ động. Để khắc phục nhược điểm này của bộ lọc thụ động người ta thiết kế bộ lọc tích cực. Bộ lọc Thông thấp Thụ động được kết nối với op-amp đảo hoặc không đảo cung cấp cho chúng ta một Bộ lọc Thông thấp tích cực đơn giản.

Bộ lọc tích cực bậc nhất được hình thành bởi một op-amp duy nhất với mạch RC. Bộ lọc thụ động RC đơn giản được kết nối với đầu cuối không đảo của Bộ khuếch đại thuật toán được hiển thị bên dưới.

Mạch RC này sẽ cung cấp một đường dẫn tần số thấp đến đầu vào của bộ khuếch đại. Bộ khuếch đại thuật toán như một mạch đệm cung cấp đầu ra độ lợi đơn vị. Mạch này có nhiều giá trị trở kháng đầu vào hơn. Ngay cả khi trở kháng đầu vào của op-amps cao dưới tần số cắt, trở kháng đầu vào này bị giới hạn bởi trở kháng nối tiếp bằng R + 1⁄jωC.

Trở kháng đầu ra của op-amp được kết nối trong mạch luôn ở mức thấp. Mạch này sẽ cung cấp độ ổn định cao cho bộ lọc. Hạn chế chính của cấu hình này là độ lợi điện áp là 1. Ngay cả đối với mạch này, công suất đầu ra cũng cao vì trở kháng đầu vào thấp.

Bộ lọc thông thấp tích cực với độ lợi điện áp cao

Mạch lọc thông thấp tích cực ở trên không cung cấp nhiều hơn Độ lợi đơn vị. Vì vậy, chúng tôi sử dụng mạch dưới đây để cung cấp độ lợi điện áp cao.

Khi tín hiệu đầu vào ở tần số thấp, tín hiệu sẽ đi qua mạch khuếch đại trực tiếp, nhưng nếu tần sỞ đây vào cao, tín hiệu sẽ đi qua tụ điện C1. Bằng mạch lọc này, biên độ tín hiệu đầu ra được tăng lên nhờ độ lợi dải thông của bộ lọc.

Chúng ta biết rằng, đối với mạch khuếch đại không đảo , độ lớn của độ lợi điện áp nhận được bằng điện trở hồi tiếp R2  chia cho điện trở tương ứng R3 của nó .

Điều này được đưa ra như sau

Độ lớn của điện áp = {1 + (R 2 / R3)}

Độ lợi điện áp của  bộ lọc thông thấp tích cực

Chúng ta biết rằng độ lợi có thể thu được bởi các thành phần tần số và điều này được đưa ra như sau

Độ lợi điện áp = V_out⁄V_in = A_max⁄ √ (1+ 〖f / f_c〗 ^ 2)

Ở đây

  • A max  = Độ lợi của dải thông = 1 + (R 2 / R3)
  • f = tần số hoạt động.
  • f c  = Tần số cắt.
  • V out  = Điện áp đầu ra.
  • V in = Điện áp đầu vào.

Khi tần số tăng lên, thì độ lợi giảm đi 20 dB cho mỗi lần tăng tần số 10 lần. Hoạt động này được quan sát như dưới đây

Ở tần số thấp khi tần số hoạt động f nhỏ hơn tần số cắt, thì

V ra / V vào = A max

Khi tần số hoạt động bằng tần số cắt, thì

V ra / V vào = A max / √2 = 0,707 A max

Khi tần số hoạt động nhỏ hơn tần số cắt, thì

V ra / V trong  <A max

Bằng các phương trình này, chúng ta có thể nói rằng ở tần số thấp, độ lợi mạch bằng độ lợi cực đại và ở tần số cao, độ lợi mạch nhỏ hơn độ lợi cực đại A max .

Khi tần số thực bằng tần số cắt thì độ lợi bằng 70,7% của A cực đại . Bằng cách này, chúng ta có thể nói rằng cứ tăng tần số lên mười lần (decade) thì độ lợi của điện áp được chia cho 10.

Độ lớn của độ lợi điện áp (dB): A max = 20 log 10 (V ra / V in )

Ở tần số -3 dB, độ lợi được cho là:

3 dB A max = 20 log 10  {0,707 (V ra / V in )}

Ví dụ về bộ lọc thông thấp tích cực

Chúng ta hãy xem xét một bộ lọc thông thấp tích cực không đảo có tần số cắt ở 160 Hz và trở kháng đầu vào là 15kΩ. Giả sử rằng ở tần số thấp, mạch này có Độ lợi điện áp là 10.

Độ lợi theo dB được cho là 20log (A max ) = 20log (10) = 20 dB

Chúng ta biết rằng độ lợi điện áp được cho là:

A tối đa  = 10 = 1 + (R 2 / R 1 )

Gọi điện trở R 1  là 1,2 kΩ

R 2  = 9R 1  = 9 x 1,2k = 10,8 kΩ

Do đó R 2 thu được  là 10,8 kΩ. Vì giá trị này không tồn tại nên chúng ta có thể coi giá trị tiêu chuẩn ưu tiên gần nhất là 11 kΩ.

Bằng cách xem xét phương trình tần số cắt, chúng ta có thể nhận được giá trị của tụ điện.

f C  = 1 / 2πRC

Bằng cách coi C là chính, chúng ta có thể viết phương trình trên như sau:

C = 1 / 2πf C R

Giá trị trở kháng đầu vào thay thế là 15 kΩ, giá trị f_C là 160 Hz.

Do đó C = 0,068µF.

Từ các giá trị thu được, chúng ta có thể nhận được bộ lọc thông thấp đang hoạt động như sau:

Đáp ứng tần số

 Đáp ứng của bộ lọc hoạt động như thể hiện trong hình dưới đây.

Bộ lọc thông thấp tích cực bậc 2

Chỉ bằng cách thêm một mạch RC bổ sung vào bộ lọc thông thấp bậc nhất, mạch sẽ hoạt động như một bộ lọc bậc hai. Mạch lọc bậc hai được hiển thị ở trên.

Hệ số khuếch đại của đoạn mạch trên là A max  = 1 + (R 2 / R 1 )

Tần số cắt của bộ lọc thông thấp bậc hai là f c = 1 / 2π√ (C 1 C 2 R 3 R 4 )

Đáp ứng tần số và các bước thiết kế của bộ lọc bậc hai và bộ lọc bậc một gần như giống nhau ngoại trừ phần cuộn của dải dừng. Giá trị cuộn tắt của bộ lọc bậc hai gấp đôi giá trị của bộ lọc bậc nhất là 40dB / decade hoặc 12dB / quãng tám. Các bộ lọc này ngăn tín hiệu tần số cao dốc hơn.

Các ứng dụng của bộ lọc thông thấp tích cực

  • Trong điện tử, các bộ lọc này được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng. Các bộ lọc này được sử dụng làm bộ lọc tiếng rít trong loa âm thanh để giảm tiếng rít tần số cao được tạo ra trong hệ thống và chúng được sử dụng làm đầu vào cho loa trầm phụ.
  • Chúng cũng được sử dụng trong bộ cân bằng và bộ khuếch đại âm thanh. Trong chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số, chúng được sử dụng như bộ lọc khử răng cưa để điều khiển tín hiệu. Trong các bộ lọc kỹ thuật số, chúng được sử dụng để làm mờ hình ảnh, làm mịn các bộ tín hiệu dữ liệu. Trong máy phát sóng vô tuyến để chặn phát xạ sóng hài.
  • Trong âm học, các bộ lọc này được sử dụng để lọc các tín hiệu tần số cao từ âm thanh truyền đi sẽ gây ra tiếng vọng ở tần số âm thanh cao hơn.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.

Back to top button