Trong bài hướng dẫn trước, chúng ta đã tìm hiểu về Bộ Lọc Thông Cao Tích Cực, trong đó một Bộ Lọc Thông Cao được thiết kế sử dụng Bộ Lọc RC Thụ Động cùng với Mạch Khuếch Đại Thuật Toán. Trong bài hướng dẫn này, chúng ta sẽ tìm hiểu về Bộ Lọc Thông Thấp Tích Cực và hiểu rằng việc chuyển đổi từ Bộ Lọc Thông Thấp sang Bộ Lọc Thông Cao chỉ đơn giản là hoán đổi các thành phần R và C.
Nếu bạn đang tìm kiếm thông tin về Bộ Lọc Thụ Động, hãy xem các bài hướng dẫn sau: “Bộ Lọc RC Thông Thấp Thụ Động” và “Bộ Lọc RC Thông Cao Thụ Động“.
Bộ lọc thông thấp là một bộ lọc cho phép tất cả các tần số từ DC đến tần số cắt trên fH đi qua và loại bỏ bất kỳ tín hiệu nào trên tần số này.
Trong trường hợp lý tưởng, đường cong đáp ứng tần số giảm ở tần số cắt. Trên thực tế, tín hiệu sẽ không giảm đột ngột mà giảm dần từ vùng chuyển tiếp sang vùng dải chặn.
Tần số cắt có nghĩa là điểm mà tại đó đáp ứng giảm -3dB hoặc 70,7% so với dải thông. Vùng quá độ có nghĩa là khu vực xảy ra sự suy giảm.
Vùng dải chặn có nghĩa là khu vực mà sự suy hao xảy ra chủ yếu 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 cao. Đáp ứng lý tưởng được hiển thị bên dưới.
Thay vì chỉ sử dụng các thành phần thụ động, Bộ Lọc Thông Thấp Tích Cực được tạo thành từ các thành phần tích cực như Op-Amps, FET và transistor kết hợp với các Thành Phần Thụ Động. Các bộ lọc này rất hiệu quả so với các bộ lọc thụ động. Bộ lọc tích cực được đưa vào để khắc phục các nhược điểm của bộ lọc thụ động.
Một bộ lọc thông thấp tích cực đơn giản được tạo thành bằng cách sử dụng một bộ khuếch đại thuật toán. Bộ khuếch đại thuật toán sẽ nhận tín hiệu trở kháng cao làm đầu vào và cung cấp tín hiệu trở kháng thấp làm đầu ra. Thành phần khuếch đại trong mạch lọc này sẽ làm tăng biên độ của tín hiệu đầu 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 Bộ 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, bộ lọc tích cực được thiết kế. Một Bộ Lọc Thông Thấp Thụ Động được kết nối với bộ khuếch đại thuật toán đảo hoặc không đảo cho chúng ta một Bộ Lọc Thông Thấp Tích Cực đơn giản.
Bộ lọc tích cực bậc nhất được tạo thành bởi một bộ khuếch đại thuật toán duy nhất với mạch RC. Một Bộ Lọc Thụ Động RC đơn giản được kết nối với đầu vào không đảo của một bộ khuếch đại thuật toán như hình dưới đây.
Mạch RC này sẽ cung cấp một đường dẫn tần số thấp cho đầu vào của bộ khuếch đại. Bộ khuếch đại hoạt động như một mạch đệm cung cấp đầu ra khuếch đại đơn vị. Mạch này có giá trị trở kháng đầu vào lớn hơn. Mặc dù trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại thuật toán cao dưới tần số cắt, nhưng trở kháng đầu vào này bị giới hạn bởi trở kháng nối tiếp bằng R+ 1⁄jωC.
Trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại thuật toán được kết nối trong mạch luôn thấp. Mạch này sẽ cung cấp độ ổn định cao cho bộ lọc. Nhược điểm chính của cấu hình này là hệ số khuếch đại điện áp là đơn vị. Ngay cả với mạch này, công suất đầu ra cũng cao vì trở kháng đầu vào thấp.
Bộ Lọc Thông Thấp Tích Cực với Hệ Số Khuếch Đại Điện Áp Cao
Mạch bộ lọc thông thấp tích cực ở trên không cung cấp hệ số khuếch đại cao hơn đơn vị. Do đó, chúng ta sử dụng mạch bên dưới để cung cấp hệ số khuếch đại điện áp cao.
Khi các tín hiệu đầu vào ở tần số thấp, các tín hiệu sẽ đi qua mạch khuếch đại trực tiếp, nhưng nếu tần số đầu vào cao, các tín hiệu được truyền qua tụ điện C1. Bằng mạch lọc này, biên độ của tín hiệu đầu ra được tăng lên bởi hệ số khuếch đại dải thông của bộ lọc.
Chúng ta biết rằng, đối với mạch khuếch đại không đảo, độ lớn của hệ số khuếch đại điện áp được tính bằng điện trở phản hồi R2 chia cho điện trở đầu vào tương ứng R3 của nó.
Điều này được đưa ra như sau:
Độ lợi điện áp ={1 + (R2/R3)}
Hệ Số Khuếch Đại Điện Áp của Bộ Lọc Thông Thấp Tích Cực
Chúng ta biết rằng hệ số khuếch đại có thể được tính bằng các thành phần tần số và điều này được đưa ra như sau:
Đọ lợi đại điện áp Voltage gain = V_out⁄V_in = A_max⁄ √(1+〖f/f_c 〗^2 )
Trong đó:
- Amax = Hệ số khuếch đại của dải thông = 1 + R_2⁄R_3
- f = tần số hoạt động.
- fc = Tần số cắt.
- Vout = Điện áp đầu ra.
- Vin = Điện áp đầu vào.
Khi tần số tăng lên, thì hệ số khuếch đại giảm 20dB cho mỗi lần tăng tần số 10 lần. Hoạt động này được quan sát như sau:
Ở tần số thấp, tức là khi tần số hoạt động f nhỏ hơn tần số cắt, thì:
- Vout / Vin = Amax
Khi tần số hoạt động bằng tần số cắt, thì:
- Vout / Vin = Amax / √2 = 0.707 Amax
Khi tần số hoạt động nhỏ hơn tần số cắt, thì:
- Vout / Vin < Amax
Từ các phương trình này, chúng ta có thể nói rằng ở tần số thấp, hệ số khuếch đại mạch bằng hệ số khuếch đại tối đa và ở tần số cao, hệ số khuếch đại mạch nhỏ hơn hệ số khuếch đại tối đa Amax.
Khi tần số thực tế bằng tần số cắt, thì hệ số khuếch đại bằng 70,7% của Amax. Bằng cách này, chúng ta có thể nói rằng với mỗi lần tăng tần số gấp mười lần (thập phân), hệ số khuếch đại điện áp được chia cho 10.
Độ lớn của Hệ Số Khuếch Đại Điện Áp (dB): Amax = 20 log10 (Vout / Vin)
Ở tần số -3dB, hệ số khuếch đại được tính như sau:
- 3 dB Amax = 20 log10 {0.707 (Vout / Vin)}
Ví Dụ về Bộ Lọc Thông Thấp Tích Cực
Hãy xem xét một bộ lọc thông thấp tích cực không đảo có tần số cắt tại 160Hz và trở kháng đầu vào là 15kΩ. Giả sử rằng ở tần số thấp, mạch này có hệ số khuếch đại điện áp bằng 10.
Hệ số khuếch đại tính bằng dB được tính như sau: 20log (Amax) = 20log (10) = 20 dB
Chúng ta biết rằng hệ số khuếch đại điện áp được tính như sau:
- Amax = 10 = 1 + (R2/R1)
Giả sử điện trở R1 là 1,2 kΩ
- R2 = 9R1 = 9 x 1.2k = 10.8 kΩ
Do đó, giá trị R2 thu được là 10,8 kΩ. Vì giá trị này không tồn tại, chúng ta có thể xem xét giá trị tiêu chuẩn ưa thích gần nhất là 11 kΩ.
Bằng cách xem xét phương trình tần số cắt, chúng ta có thể tính được giá trị tụ điện.
- fC = 1/ 2πRC
Bằng cách xem xét C là chính, chúng ta có thể viết lại phương trình trên như sau:
- C = 1 / 2πfCR
Thay thế giá trị trở kháng đầu vào 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 có được bộ lọc thông thấp tích cực như sau:
Đáp Ứng Tần Số
Đáp ứng của bộ lọc tích cực được thể hiện trong hình dưới đây.
Bộ Lọc Thông Thấp Tích Cực Bậc Hai
Chỉ cần 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 mạch trên là Amax = 1 + (R2/R1)
Tần số cắt của bộ lọc thông thấp bậc hai là fc = 1 / 2π√(C1C2R3R4)
Đáp ứng tần số và các bước thiết kế của bộ lọc bậc hai và bậ lọc bậc nhất gần như giống nhau ngoại trừ độ dốc của dải chặn. Giá trị độ dốc của bộ lọc bậc hai gấp đôi so với bộ lọc bậc nhất, tức là 40dB/thập phân hoặc 12dB/octave. Các bộ lọc này chặn các tín hiệu tần số cao mạnh mẽ hơn.
Ứng dụng của Các 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 như các bộ lọc tạp âm trong loa âm thanh để giảm tạp âm tần số cao được tạo ra trong hệ thống và được sử dụng làm đầu vào cho loa siêu trầm.
- Chúng cũng được sử dụng trong bộ cân bằng và bộ khuếch đại âm thanh. Trong quá trình chuyển đổi tương tự sang số, chúng được sử dụng làm bộ lọc chống aliasing để kiểm soát tín hiệu. Trong bộ lọc số, chúng được sử dụng để làm mờ hình ảnh, làm mượt các tập hợp dữ liệu tín hiệu. Trong các máy phát radio để chặn các phát xạ hài.
- Trong âm học, các bộ lọc này được sử dụng để lọc các tín hiệu tần số cao từ âm thanh truyền đi có thể gây ra tiếng vang ở các tần số âm thanh cao hơn.
