Bộ lọc thông cao là gì: Làm việc và các ứng dụng của nó

Bộ lọc là các mạch điện tử cho phép các thành phần tần số cụ thể và làm giảm các thành phần tần số không mong muốn của tín hiệu đầu vào. Chúng được tìm thấy trong các ứng dụng điện tử khác nhau để cho phép một dải tần số cụ thể của tín hiệu. Về cơ bản, bộ lọc được chia thành hai loại dựa trên loại thành phần được sử dụng trong thiết kế và hoạt động. Chúng là bộ lọc Thụ động và bộ lọc Hoạt động. Tùy thuộc vào phạm vi tần số, bộ lọc được phân loại thành 4 loại. Chúng là Bộ lọc thông thấp, Bộ lọc thông cao, Bộ lọc thông dải và Bộ lọc dừng dải. Bài viết này mô tả Bộ lọc thông cao, có thể được sử dụng làm cả bộ lọc tích cực và bộ lọc thụ động. Bộ lọc thông cao là gì? Bộ lọc có khả năng cho phép các thành phần tần số cao của tín hiệu và làm suy giảm tất cả các thành phần tần số thấp của một tín hiệu, được gọi là Bộ lọc thông cao. Nó có thể cho phép các thành phần tần số cao lớn hơn tần số cắt và loại bỏ tất cả các thành phần tần số không mong muốn khác của tín hiệu. Các loại bộ lọc này được tìm thấy trong các mạch RF và hệ thống xử lý tín hiệu khác nhau. Trong thực tế, bộ lọc này sẽ cho phép tần số tín hiệu thấp hơn tần số cắt. Mạch lọc thông cao Mạch này cũng giống như mạch lọc thông thấp, ngoại trừ việc các thành phần điện trở và tụ điện được hoán đổi cho nhau như thể hiện trong hình bên dưới.Mạch lọc thông cao Hai phần tử thụ động điện trở và tụ điện được kết hợp nối tiếp để cho phép tần số cao hơn tần số cắt của tín hiệu. Điện áp đầu ra của tín hiệu thu được trên điện trở bằng cách đặt điện áp đầu vào qua tụ điện. Loại bộ lọc này thuộc mạch lọc thông cao bậc nhất. HPF bậc hai không có gì khác ngoài việc xếp tầng của hai mạch lọc thông cao RC mắc nối tiếp. Sự gia tăng độ lợi của băng thông trong HPF bậc hai sẽ ở tốc độ + 40dB / thập kỷ. điện trở và cuộn cảm (RL HPF thụ động) dựa trên ứng dụng. RC HPF thụ động được sử dụng cho các ứng dụng ở dải âm thanh hoặc dải tần số thấp. Các mạch RL HPF thụ động được sử dụng cho các ứng dụng ở dải tần số cao hoặc tần số cao. Mạch lọc thông cao còn được gọi là bộ lọc thông cao RC thụ động vì sử dụng các phần tử thụ động như điện trở và tụ điện. Ưu điểm chính là không cần sử dụng nguồn điện bên ngoài hoặc bất kỳ thành phần khuếch đại nào. RC HPF thụ động là một mạch RC HPF đơn giản như trong hình trên. Tụ điện và điện trở được mắc nối tiếp trong đó điện áp đầu ra được phát triển trên điện trở. Do điện kháng của tụ điện, bộ lọc chỉ cho phép các tần số cao của tín hiệu lớn hơn tần số cắt và chặn các tần số thấp hơn của tín hiệu dưới tần số cắt. Đặc điểm của bộ lọc thông cao này được giải thích dưới dạng đáp ứng tần số và độ lệch pha của tín hiệu đầu ra. của tín hiệu thấp hơn tần số cắt. Các đặc điểm lý tưởng của HPF được trình bày dưới đây. Băng thông được gọi là HPF cho phép các tần số cao hơn tần số cắt. Bộ lọc này làm giảm các tần số thấp, được gọi là dải dừng.Đặc tính lý tưởng của bộ lọc thông cao Đáp ứng tần số Tần số của tín hiệu đầu ra tỷ lệ thuận với độ lợi. Khi tần số tăng lên, độ lợi tăng lên. Đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao RC phụ thuộc vào điện trở của tụ điện. Tụ điện tạo ra lượng điện kháng cần thiết hoặc điện kháng cao để làm giảm tần số thấp của tín hiệu, tức là dưới tần số cắt. Ở điện kháng thấp của tụ điện, bộ lọc thông cao RC cho phép các thành phần tần số cao của tín hiệu lớn hơn tần số cắt. Nhưng trên thực tế, bộ lọc thông cao RC cho phép các tần số thấp dưới tần số cắt của nó. Độ lợi của bộ lọc thông cao RC trở nên thống nhất khi điện kháng thấp / không ở tần số cao. Đó là điện áp đầu ra giống với điện áp đầu vào đã cho. Để cho phép tần số cao và loại bỏ tần số thấp, điện trở điện dung giảm khi tăng tần số, dẫn đến tăng điện áp đầu ra và độ lợi. Điện kháng điện dung được cho là, Xc = 1 / 2πfc Trong đó 'fc' = tần số cắt tính bằng Hz'Xc '= điện trở điện dung Đáp ứng tần số và đặc tính dịch pha của bộ lọc thông cao RC được hiển thị bên dưới.Đặc điểm RC HPF Từ hình vẽ, chúng ta có thể quan sát thấy các tần số thấp bị chặn / từ chối và tăng điện áp đầu ra lên + 20dB / thập kỷ khi tần số ở tần số cắt và R = Xc. Bộ lọc thông cao RC cho phép các tần số cao (từ tần số cắt đến vô cùng) khi điện áp đầu ra là 0.7071 hoặc 70.71% điện áp đầu vào của nó, tức là ở mức đầu vào và đầu ra -3dB (bằng cách tính 20 log Vout / Vin). Điều đó có nghĩa là đáp ứng tần số của HPF là, tín hiệu tần số cao được phép từ tần số cắt đến vô cùng. Ở tần số cắt, độ lệch pha của tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra giống nhau, tức là ở 45 °. Khi tần số của tín hiệu lớn hơn tần số cắt thì góc pha là Zero. Điều đó có nghĩa là tín hiệu đầu ra cùng pha với tín hiệu đầu vào ở tần số cao. Thời gian sạc và xả của tụ điện được biểu thị dưới dạng hằng số thời gian, ký hiệu là 'τ'. Hằng số thời gian của bộ lọc thông cao RC được cho làτ = RC = 1 / 2πfcω = 1 / τ = 1 / RCT Tần số cắt của RC HPF được cho là, fc = 1 / 2πRChiều pha của RC HPF là cho dưới dạngΦ = tan-1 (1 / 2πfRC) Trong đó 'fc' = tần số cắt tính bằng Hz'f '= tần số hoạt động tính bằng Hz'R' = giá trị điện trở tính bằng ohms'C '= giá trị của tụ điện trong FaradsHigh Pass Bộ lọc sử dụng Op-Amp Bộ lọc thông cao sử dụng op-amp rất dễ thiết kế và thực hiện vì nó sử dụng số hạn chế. của các thành phần điện tử và loại bỏ tiếng ồn và tiếng ồn. Sơ đồ mạch của bộ lọc thông cao sử dụng op-amp được hiển thị bên dưới. RC HPF thụ động được kết nối với op-amp không đảo ngược để khuếch đại và kiểm soát độ lợi điện áp.Bộ lọc thông cao sử dụng Op-Amp Đầu ra bị giới hạn bởi các đặc tính vòng hở của op-amp. Đầu ra của RC HPF được áp dụng cho một op-amp để khuếch đại và kiểm soát độ lợi điện áp của tín hiệu đầu ra. Độ lợi điện áp của bộ lọc thông cao sử dụng Op-amp được cho làAᵥ = Vout / Vin = Af (f / fc) / √ (1+ (f / fc) 2) Trong đó Av = độ lợi điện áp tính bằng dB = 1 + R2 / R1Af = độ lợi băng thôngfc = tần số cắt tính bằng Hzf = tần số hoạt động tính bằng Hz Khi f <fc (tần số thấp) , sau đó Vout / Vin <Af Khi f = fc (ở tần số cắt), sau đó Vout / Vin = Af / 2 ^ ½ = 0.7071Af Khi f> fc (tần số cao), thì Vout / Vin = Af Băng thông vòng kín của Op-amp xác định tần số cao nhất của HPF, có độ lợi băng thông không đổi Af. Độ lớn của độ lợi điện áp được cho làAv (dB) = 20 log (Vout / Vin) -3dB = 20 log (0.707 Vout / Vin ) Bộ lọc thông cao chủ động Nếu bộ lọc thông cao RC được kết nối với phần tử hoạt động như op-amp để cho phép tần số cao và loại bỏ tần số thấp, thì nó được gọi là HPF hoạt động. Đáp ứng tần số và dịch pha của HPF hoạt động cũng giống như RC HPF. Mục đích của bộ lọc thông cao tích cực là kiểm soát độ lợi điện áp và khuếch đại tín hiệu đầu ra. Sơ đồ mạch của bộ lọc thông cao tích cực để khuếch đại được hiển thị bên dưới.HPF hoạt động để khuếch đại Mạch RC HPF được kết nối với op-amp không đảo ngược. Đầu ra và tần số cắt của bộ lọc thông cao thụ động được điều khiển bởi op-amp. Trong đó băng thông và đặc tính khuếch đại của op-amp xác định tần số cắt. Loại bộ lọc này hoạt động như một bộ lọc thông dải. Op-amp tăng biên độ của tín hiệu đầu ra và độ lợi điện áp đầu ra của băng thông được cho là 1 + R2 / R1, giống như bộ lọc thông thấp. Xét một mạch RC HPF thụ động như hình trên.Từ mạch trên, Vo = điện áp đầu ra trên điện trở Vi = điện áp đầu vào đặt trên tụ điện Bằng cách lấy Biến đổi Laplace ở cả phía đầu vào và đầu ra, H (s) = Vₒ (s) / Vᵢ (s) H (s) = R / (R + (1 / sC)) Phương trình trên trở thành, H (s) = sCR / (1 + sCR) Bằng cách thay s = jw vào phương trình trên H (jω) = jωCR / (1 + jωCR) Khi đó phương trình trở thành Độ lớn của hàm truyền HPF được biểu diễn dưới dạng | H (jω) | = ωCR / √ (1+ (ωCR) ^ 2) Nếu ω = 0, thì hàm truyền HPF = 0If ω = 1 / CR, thì hàm truyền HPF = 0.707Nếu ω = vô cùng, thì hàm truyền HPF = 1 Do đó các đặc điểm của hàm truyền ở trên cho thấy rằng bộ lọc thông cao RC thụ động có thể cho phép các tần số cao từ tần số cắt đến i vô cùng. tức là, thay đổi từ 0 đến 1 nếu ω thay đổi từ 0 đến vô cùng.Butterworth HPFT Bộ lọc thông cao Butterworth là một trong những loại HPF, cung cấp đáp ứng tần số phẳng trong băng thông. Do đáp ứng tần số phẳng của nó, sẽ không có gợn sóng. Nó còn được gọi là bộ lọc phẳng phẳng, được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau mà độ lợi vòng kín của băng thông là sự thống nhất. Sơ đồ mạch và đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao Butterworth bậc nhất được hiển thị bên dưới. Chúng rất dễ dàng và đơn giản để thiết kế.Butterworth HPF Mức lợi nhuận tăng với tốc độ + 20dB / thập kỷ đối với Butterworth HPF đơn hàng đầu tiên và trong khi đối với Butterworth HPF đơn đặt hàng thứ hai, nó sẽ là + 40dB / thập kỷ.Các đặc điểm của Butterworth HPF Ứng dụng Ứng dụng của bộ lọc thông cao là Loa để khuếch đại tín hiệu Xử lý hình ảnh Được sử dụng để khuếch đại dòng điện một chiều và cho khớp nối AC Hệ thống điều khiển và hệ thống xử lý âm thanh Bộ chiaDSL trong điện thoại Các ứng dụng RF Như vậy, đây là tất cả về tổng quan về bộ lọc thông cao (cả loại chủ động và thụ động) - định nghĩa, mạch, Butterworth HPF, HPF sử dụng Op-amp và các ứng dụng của nó. Đây là một câu hỏi dành cho bạn, "Ưu điểm và nhược điểm của Bộ lọc High Pass là gì?"

Để lại lời nhắn 

Danh sách tin nhắn