Mạch lọc – Bộ lọc hoạt động

Mạch lọc – Bộ lọc hoạt động

Giới thiệu về Bộ lọc

Bộ lọc điện là một mạng được thiết kế để làm giảm các tần số nhất định nhưng vượt qua các tần số khác mà không bị suy giảm. Do đó, một mạch lọc có ít nhất một dải thông - một dải tần số trong đó đầu ra xấp xỉ bằng đầu vào (nghĩa là độ suy giảm bằng 0) và một dải suy giảm trong đó đầu ra bằng 0 (nghĩa là độ suy giảm bằng 0). vô hạn). Các tần số phân tách các dải truyền và dải suy giảm khác nhau được gọi là tần số cắt.

Bộ lọc có thể thuộc bất kỳ loại nào như điện, cơ khí, khí nén, thủy lực, âm thanh, v.v. nhưng các bộ lọc được sử dụng phổ biến nhất là loại điện.

Bộ lọc điện được sử dụng trong thực tế tất cả các mạch yêu cầu tách tín hiệu theo tần số của chúng. Các ứng dụng bao gồm (nhưng chắc chắn không giới hạn) loại bỏ nhiễu và tách tín hiệu trong mạch công nghiệp và đo lường, phản hồi điều khiển pha và biên độ trong vòng servo, làm mịn tín hiệu tương tự (DA) được tạo ra bằng kỹ thuật số, định hình tín hiệu âm thanh và tăng cường âm thanh, tách kênh và tăng cường tín hiệu trong các mạch truyền thông.

Phân loại bộ lọc

Bộ lọc điện thường là mạng chọn lọc tần số đi qua một dải tần số xác định và chặn hoặc làm suy giảm các tín hiệu có tần số bên ngoài dải tần này. Bộ lọc có thể được phân loại theo một số cách như sau:

1. Bộ lọc tương tự hoặc kỹ thuật số
2. Bộ lọc thụ động hoặc hoạt động.
3. Bộ lọc tần số âm thanh (AF) hoặc tần số vô tuyến (RF).

Tùy thuộc vào loại kỹ thuật được sử dụng trong quá trình xử lý tín hiệu tương tự, các bộ lọc có thể là tương tự hoặc kỹ thuật số. Bộ lọc tương tự được thiết kế để xử lý tín hiệu tương tự bằng kỹ thuật tương tự, trong khi bộ lọc kỹ thuật số xử lý tín hiệu tương tự bằng kỹ thuật số.

Tùy thuộc vào loại phần tử được sử dụng trong cấu trúc của chúng, bộ lọc có thể thụ động hoặc chủ động. Bộ lọc thụ động được chế tạo từ các thành phần thụ động như điện trở, tụ điện và cuộn cảm. Mặt khác, các bộ lọc hoạt động sử dụng bóng bán dẫn hoặc op-amps (cung cấp khuếch đại điện áp và cách ly hoặc đệm tín hiệu) bên cạnh điện trở và tụ điện. Loại phần tử được sử dụng quyết định dải tần hoạt động của bộ lọc..

Theo dải tần hoạt động, các bộ lọc có thể được phân loại thành bộ lọc tần số âm thanh (AF) hoặc tần số vô tuyến (RF).

Bộ lọc cũng có thể được phân loại là

(i) thông thấp,

(ii) thông cao

(iii) băng thông

(iv) dừng ban nhạc và

(v) tất cả đều đậu

Mạch lọc có thể được thiết kế sao cho một số tần số được truyền từ đầu vào đến đầu ra của bộ lọc với độ suy giảm rất ít trong khi các tần số khác bị suy giảm rất nhiều.

Phân tích đáp ứng tần số của các loại bộ lọc khác nhau

Đáp ứng tần số của bộ lọc

Hình cho thấy đáp ứng tần số của năm loại bộ lọc (đã đề cập ở trên). Đây là những phản ứng lý tưởng và không thể đạt được trong thực tế.

Bộ lọc cung cấp đầu ra không đổi từ dc đến tần số cắt f _c và sau đó không truyền tín hiệu nào vượt quá tần số đó được gọi là bộ lọc thông thấp lý tưởng. Đáp ứng lý tưởng của bộ lọc thông thấp được minh họa trong hình. Một. Độ lợi điện áp (tỷ lệ giữa điện áp đầu ra và điện áp đầu vào, nghĩa là V _out /V _in không đổi trên dải tần từ 0 đến tần số cắt, f _c . Đầu ra của bất kỳ tín hiệu nào có tần số vượt quá f _c sẽ bị suy giảm tức là sẽ không có điện áp đầu ra đối với các tần số vượt quá tần số cắt f _c . Do đó, đầu ra sẽ có sẵn một cách trung thực từ 0 đến f _c với mức tăng không đổi và là 0 từ f _c trở đi. Các tần số từ 0 đến f là, do đó, được gọi là tần số băng thông, trong khi dải tần số, những tần số nằm ngoài f _c , bị suy giảm bao gồm các tần số băng chặn. Do đó, băng thông (BW) là f _c .

Bộ lọc cung cấp hoặc truyền tín hiệu trên tần số cắt là bộ lọc thông cao , như được lý tưởng hóa trong hình.b. Bộ lọc thông cao có độ lợi bằng 0 bắt đầu từ 0 đến tần số f _c , được gọi là tần số cắt, và trên tần số này, độ lợi là không đổi, như minh họa trong hình. b. Do đó, tín hiệu ở bất kỳ tần số nào ngoài f _c đều được tái tạo một cách trung thực với mức tăng không đổi và các tần số từ 0 đến f _c sẽ bị suy giảm.

Khi mạch lọc truyền các tín hiệu ở trên một tần số cắt và dưới tần số cắt thứ hai, nó được gọi là bộ lọc thông dải, như được lý tưởng hóa trong hình.c. Do đó, bộ lọc thông dải có dải thông nằm giữa hai tần số cắt f _c2 và f _c1 trong đó f _c2 > f _cl và hai dải dừng: 0 < f< f _cl và f> f _c2 . Do đó, băng thông của bộ lọc thông dải bằng f _c2 – f _cl trong đó f _cl và f _c2 lần lượt là tần số cắt thấp hơn và cao hơn.

Bộ lọc chặn băng tần hoặc loại bỏ băng tần r hoạt động hoàn toàn ngược lại với bộ lọc thông dải, tức là nó có một điểm dừng dải tần giữa hai tần số cắt f _c2 và f _cl và hai dải thông: 0 < f < f _c1 và f> f _c2 . Đáp ứng lý tưởng của bộ lọc chặn dải được minh họa trong hình. d. Đây còn được gọi là bộ lọc loại bỏ băng tần hoặc bộ lọc notch.

Đáp ứng lý tưởng của bộ lọc toàn thông được thể hiện trong hình. đ . Bộ lọc này truyền tốt tất cả các tần số, tức là điện áp đầu ra và đầu vào có biên độ bằng nhau đối với tất cả các tần số. Tính năng quan trọng của bộ lọc này là nó cung cấp khả năng dịch pha có thể dự đoán được cho các tần số của các tín hiệu đầu vào khác nhau.

Bộ lọc được thảo luận ở trên có các đặc tính lý tưởng và điểm cắt rõ ràng nhưng thật không may, đáp ứng bộ lọc lý tưởng là không thực tế vì mạng tuyến tính không thể tạo ra sự gián đoạn. Tuy nhiên, có thể đạt được phản hồi thực tế gần giống với phản hồi lý tưởng bằng cách sử dụng các kỹ thuật thiết kế đặc biệt cũng như các giá trị thành phần chính xác và op-amps tốc độ cao.