BỘ LỌC BIẾN TRẠNG THÁI

BỘ LỌC BIẾN TRẠNG THÁI

Với sự tiến bộ trong công nghệ vi mạch , một số nhà sản xuất hiện cung cấp các bộ lọc phổ quát có đáp ứng đầu ra thông thấp, thông cao và thông dải đồng thời. Chức năng notch và all-pass cũng có sẵn bằng cách kết hợp các phản hồi đầu ra này trong op-amp sẵn có. Vì tính linh hoạt của nó, bộ lọc này được gọi là bộ lọc phổ quát. Nó cung cấp cho người dùng khả năng kiểm soát dễ dàng mức tăng và hệ số Q. Nó còn được gọi là bộ lọc biến trạng thái.

Các bộ lọc mà chúng ta đã thảo luận cho đến nay là các mạch op-amp đơn tương đối đơn giản hoặc một số mạch op-amp đơn xếp tầng. Tuy nhiên, bộ lọc biến trạng thái sử dụng ba hoặc bốn op-amps và hai đường phản hồi. Mặc dù phức tạp hơn một chút nhưng cấu hình biến trạng thái cung cấp một số tính năng không có sẵn với các bộ lọc đơn giản khác. Đầu tiên, cả ba loại bộ lọc ( thông thấp , thông dải và thông cao) đều có sẵn đồng thời. Bằng cách tổng hợp chính xác các kết quả đầu ra này, một số phản hồi rất thú vị có thể được thực hiện. Có thể xây dựng các bộ lọc thông dải có Q cao. Tần số giảm chấn và/hoặc tần số tới hạn có thể được điều chỉnh bằng điện tử.

Sơ đồ của bộ lọc biến trạng thái đạt được sự thống nhất ba op-amp được mô tả trong hình. Op-amps A ₂ và A ₃ là các bộ tích hợp trong khi op-amp .A ₁ tính tổng đầu vào với đầu ra thông thấp và một phần đầu ra thông dải. Mạch thực sự là một máy tính tương tự nhỏ được thiết kế để giải phương trình vi phân (hàm truyền) cho từng loại bộ lọc.

Để vận hành đúng Rj = R 2 = R 3 = R; R4 = R5 = R ,; và C x = C 2 = C.

Các tần số tới hạn của mỗi bộ lọc trong số ba bộ lọc đều bằng nhau và được tính như sau:

Giảm chấn được thiết lập bởi R ₆ và R7. Điều này xác định các loại phản hồi thông thấp và thông cao (Bessel, Butterworth hoặc Chebyshev)

α = 3 [R 7 / R 6 +R 7 ]

Nó cũng đặt Q và mức tăng của bộ lọc thông dải

Q = 1/ α và dải A . vượt qua = Q

Bộ lọc biến trạng thái tạo ra các phản hồi thông thấp và thông cao bậc hai tiêu chuẩn. Các tần số tới hạn của mỗi tần số đều bằng nhau và mức giảm chấn được thiết lập bởi phản hồi từ đầu ra băng thông. Đối với cả ba đầu ra, sự giảm chấn này có tác dụng chính xác như nhau (ở cùng các giá trị số) giống như đối với các bộ lọc op-amp đơn. Đối với thông thấp và thông cao, hệ số giảm chấn là 1,414 mang lại phản hồi Butterworth. Giảm chấn 1,732 mang lại phản hồi Bessel và α = 0,766 gây ra đỉnh 3 db (Chebyshev). Các tần số thông cao – 3 db được dịch chuyển tương tự bởi hệ số hiệu chỉnh thông cao k _hp = 1/k _lp

Đối với phần thông dải, việc thay đổi hệ số giảm chấn sẽ làm thay đổi ngược lại Q và độ lợi (ở tần số tới hạn).

Nhưng tần số tới hạn được đặt bởi Rf và C. Nó không bị thay đổi bởi những thay đổi trong hệ số tắt dần. Điều này có nghĩa là những thay đổi về giảm chấn chỉ ảnh hưởng (và trực tiếp) đến BW. Vì vậy việc điều chỉnh bộ lọc thông dải rất thuận tiện. Điện trở R chỉ điều chỉnh tần số trung tâm. Điện trở R _A và R _B chỉ điều chỉnh BW.

Tại thời điểm này, điều quan trọng là chúng tôi nhận ra rằng không thể đạt được hiệu suất tối ưu từ cả ba đầu ra cùng một lúc. Ví dụ: nếu chúng ta muốn độ phẳng tối đa trong dải thông của đầu ra thông thấp và thông cao, chúng ta phải chọn phản hồi Butterworth với α = 1.414. Nhưng hệ số cản 1,414 cho mỗi Q và A _f là 0,707. Bộ lọc thông dải sẽ không có tính chọn lọc cao và thậm chí sẽ làm giảm 30% tần số trung tâm.

Mặt khác, nếu Q được chọn là 20 để đạt được độ chọn lọc và mức tăng tần số trung tâm hợp lý thì đầu ra thông thấp và thông cao sẽ có hệ số giảm chấn là 0,05. Điều này sẽ gây ra mức cao nhất của dải thông trên 25 db. Chúng ta có thể tối ưu hóa đầu ra băng thông hoặc đầu ra thông thấp và thông cao.