Mạch Lọc điện là một mạch, được thiết kế để loại bỏ tất cả các thành phần tần số không mong muốn của tín hiệu điện và chỉ cho phép các tần số mong muốn. Nói cách khác, Mạch Lọc là một mạch chỉ cho phép một dải tần số nhất định. Các ứng dụng chính của Mạch Lọc là ở bộ chỉnh âm và trong các thiết bị điện tử nhạy cảm mà tín hiệu đầu vào của chúng phải là có điều kiện. Các Mạch Lọc này chủ yếu được chia thành 2 loại. Chúng là Mạch Lọc tích cực và Mạch Lọc thụ động.
Mạch Lọc và Trở kháng Điện dung
Mạch Lọc Thụ động
Mạch Lọc thụ động không chứa bất kỳ thành phần khuếch đại nào mà chỉ được làm từ Điện trở, Tụ điện và cuộn cảm (thành phần thụ động). Các Mạch Lọc này sẽ không kéo thêm năng lượng từ nguồn cấp pin bên ngoài. Tụ điện sẽ cho phép các tín hiệu tần số cao và cuộn cảm cho phép các tín hiệu tần số thấp. Tương tự, cuộn cảm hạn chế sự lưu thông của các tín hiệu tần số cao và tụ điện hạn chế các tín hiệu tần số thấp hơn. Trong các Mạch Lọc này, biên độ tín hiệu đầu ra luôn nhỏ hơn biên độ của tín hiệu đầu vào được áp dụng. Độ khuếch đại của Mạch Lọc thụ động luôn nhỏ hơn 1. Điều này cho thấy rằng độ khuếch đại của các tín hiệu không thể được cải thiện bởi các Mạch Lọc thụ động này. Do đó, đặc tính của Mạch Lọc bị ảnh hưởng bởi trở kháng tải. Các Mạch Lọc này có thể hoạt động ở các dải tần số cao gần đến 500 MHz.
Mạch Lọc Tích cực
Mạch Lọc tích cực chứa các thành phần khuếch đại như Op-Amp, Bóng bán dẫn và FET (thành phần tích cực) ngoài các thành phần thụ động (Điện trở, Tụ điện và Cuộn cảm). Bằng cách sử dụng các Mạch Lọc này, chúng ta có thể khắc phục những nhược điểm của Mạch Lọc thụ động. Mạch Lọc tích cực sẽ phụ thuộc vào nguồn cấp điện ngoài vì nó sẽ khuếch đại các tín hiệu đầu ra. Không có bất kỳ thành phần cuộn cảm nào, chúng có thể đạt được tần số cộng hưởng, tức là trở kháng đầu vào và trở kháng đầu ra được triệt tiêu lẫn nhau. Trong những năm tiếp theo, thiết kế Mạch Lọc không có cuộn cảm được thực hiện. Bởi vì cuộn cảm tiêu tán một lượng năng lượng nào đó và tạo ra các từ trường ký sinh. Không chỉ có những vấn đề này, mà còn do cuộn cảm mà kích thước của Mạch Lọc tích cực tăng lên. Vì vậy, do những lý do này, việc sử dụng cuộn cảm trong Mạch Lọc tích cực bị giảm xuống.
Một số ưu điểm của Mạch Lọc tích cực:
- Sự kết hợp của op-amp, điện trở, tụ điện, bóng bán dẫn và FET tạo thành một mạch tích hợp, từ đó làm giảm kích thước và trọng lượng của Mạch Lọc.
- Độ khuếch đại của một op-amp có thể dễ dàng điều khiển ở dạng vòng kín. Do đó, tín hiệu đầu vào không bị hạn chế.
- Chúng được áp dụng trong các Mạch Lọc Butterworth, Chebyshev và Cauer.
Nhược điểm chính của Mạch Lọc tích cực là dải tần số hoạt động thấp hơn. Trong nhiều ứng dụng, dải tần số hoạt động của Mạch Lọc tích cực được tối đa hóa lên đến 500 kHz. Mạch Lọc tích cực phải yêu cầu nguồn cấp điện D.C. So với Mạch Lọc thụ động, các Mạch Lọc tích cực này nhạy cảm hơn. Các đầu ra có thể bị nhiễu loạn ngay cả do những thay đổi môi trường.
Mạch Lọc là một mạch nhạy cảm và trong đó các thành phần đầu ra chỉ là các số hạng tần số. Để phân tích mạch lọc, biểu diễn miền tần số là tốt nhất. Biểu diễn này được thể hiện dưới đây.
Độ lớn của Mạch Lọc M được gọi là độ khuếch đại của Mạch Lọc. Độ lớn thường được biểu diễn bằng dB dưới dạng 20log(M).
Một trong những đặc tính quan trọng của Mạch Lọc là tần số cắt. Nó được định nghĩa là tần số phân tách cả dải thông và dải chặn trong đáp ứng tần số. Dải thông là dải tần số được Mạch Lọc cho phép không bị suy hao. Dải chặn được định nghĩa là dải tần số không được Mạch Lọc cho phép.
Mạch Lọc được phân loại dựa trên tần số của các tín hiệu mà chúng cho phép đi qua. Có bốn loại Mạch Lọc: Mạch Lọc Thông thấp, Mạch Lọc Thông dải, Mạch Lọc Thông cao và Mạch Lọc Khóa dải. Do việc sử dụng các op-amp tốc độ cao và các giá trị gần đúng của các thành phần, các đặc tính của đáp ứng lý tưởng và thực tế gần như bằng nhau.
Mạch Lọc Thông thấp
Mạch Lọc Thông thấp sẽ cho phép các tín hiệu tần số nhỏ hơn tần số cắt ‘fc’. Thực tế, một dải tần số nhỏ sẽ được cho phép ngay cả sau dải tần số cắt. Độ khuếch đại của Mạch Lọc sẽ phụ thuộc vào tần số. Nếu tần số tín hiệu đầu vào tăng lên thì độ khuếch đại của Mạch Lọc giảm xuống. Khi kết thúc dải chuyển tiếp, độ khuếch đại trở nên bằng không. Điều này được thể hiện dưới đây.
Trong đó đường nét đứt biểu thị đặc tính Mạch Lọc lý tưởng và đường liền nét biểu thị đặc tính Mạch Lọc thực tế.
Các ứng dụng của Mạch Lọc thông thấp là trong hệ thống âm thanh, tức là trong các loại loa khác nhau. Để chặn các phát xạ hài, các Mạch Lọc thông thấp này được sử dụng trong các máy phát vô tuyến. Chúng cũng được sử dụng tại các bộ chia tách DSL trong các đường dây thuê bao điện thoại.
Mạch Lọc Thông cao
Chúng sẽ cho phép các tần số sau tần số cắt ‘fc’. Trong trường hợp thực tế, một lượng tần số không đáng kể dưới dải cắt được Mạch Lọc cho phép. Điều này được thể hiện dưới đây.
Sự kết hợp của Mạch Lọc thông cao với Mạch Lọc thông thấp tạo thành Mạch Lọc thông dải. Các ứng dụng của Mạch Lọc thông cao là ở các mạch RF và cũng được sử dụng trong các bộ chia tách DSL.
Mạch Lọc Thông dải
Tên của Mạch Lọc cho thấy rằng nó chỉ cho phép một dải tần số nhất định và chặn tất cả các tần số còn lại. Các giới hạn trên và dưới của Mạch Lọc thông dải phụ thuộc vào thiết kế Mạch Lọc. Các đặc tính thực tế và lý tưởng của Mạch Lọc thông dải được thể hiện dưới đây.
Các ứng dụng của Mạch Lọc thông dải là ở các mạch máy phát và máy thu. Chúng chủ yếu được sử dụng để tính toán độ nhạy của các mạch máy thu và để tối ưu hóa tỷ số tín hiệu trên nhiễu.
Mạch Lọc Khóa dải
Chúng cũng được gọi là các Mạch Lọc Loại bỏ dải hoặc Triệt tiêu dải. Các Mạch Lọc này chỉ dừng một dải tần số cụ thể và cho phép tất cả các tần số khác. Các giới hạn tần số của Mạch Lọc phụ thuộc vào thiết kế Mạch Lọc. Đường nét đứt biểu thị trường hợp lý tưởng trong khi đường liền nét biểu thị trường hợp thực tế. Nó có hai dải thông và một dải chặn.
Các ứng dụng của Mạch Lọc khóa dải là ở các bộ khuếch đại dụng cụ.
Đáp ứng tần số của Mạch Lọc lý tưởng
Bây giờ chúng ta hãy xem đáp ứng lý tưởng của các Mạch Lọc khác nhau. Ở đây, fL biểu thị tần số cắt thấp và fH biểu thị tần số cắt cao.
Đặc tính lý tưởng của Mạch Lọc thông thấp
Đáp ứng này cho thấy rằng Mạch Lọc thông thấp sẽ cho phép các tín hiệu lên đến tần số cắt thấp và dừng các tần số cao hơn tần số cắt thấp.
Đặc tính lý tưởng của Mạch Lọc thông cao
Điều này cho thấy Mạch Lọc thông cao sẽ cho phép các tần số lớn hơn tần số cắt cao và dừng các tần số nhỏ hơn tần số cắt cao.
Đặc tính lý tưởng của Mạch Lọc thông dải
Đáp ứng này cho thấy rằng Mạch Lọc thông dải sẽ chỉ cho phép các tần số giữa vùng cắt thấp và vùng cắt cao. Nó dừng các tần số nhỏ hơn tần số cắt thấp và cũng dừng các tần số lớn hơn tần số cắt cao.
Đặc tính lý tưởng của Mạch Lọc khóa dải
Hình trên cho thấy rằng các tần số lớn hơn tần số cắt thấp và các tần số nhỏ hơn tần số cắt cao không được xử lý.
Trở kháng Điện dung
Khi Điện trở được kết nối nối tiếp với Tụ điện tạo thành mạch RC. Trong mạch RC, tụ điện sẽ nạp từ điện áp nguồn DC và khi điện áp nguồn giảm xuống, cuối cùng tụ điện cũng phóng điện bằng cách giảm điện tích lưu trữ của nó. Không chỉ ở thời điểm cấp nguồn DC mà ngay cả trong trường hợp cấp nguồn AC, dựa vào mức điện áp nguồn, tụ điện cũng sẽ liên tục nạp và phóng điện.
Nhưng do điện trở nội, sẽ có một số suy hao trong sự lưu thông của dòng điện qua tụ điện. Điện trở nội này được gọi là Trở kháng Điện dung. ‘X_C’ biểu thị Trở kháng Điện dung và nó được đo bằng Ohm tương tự như điện trở.
Khi tần số thay đổi trong mạch điện dung, theo lượng thay đổi tần số, giá trị trở kháng điện dung này cũng thay đổi. Sự chảy của các electron từ bản cực này sang bản cực kia gây ra sự chảy của dòng điện trong mạch. Nhưng do chuyển động của các electron, mức tần số thay đổi. Khi tần số qua tụ điện tăng lên, giá trị trở kháng điện dung giảm xuống và khi tần số qua tụ điện giảm xuống, giá trị trở kháng điện dung tăng lên. Do đó, từ điều này chúng ta có thể nói rằng trở kháng điện dung tỷ lệ nghịch với mức tần số được áp dụng. Điều này cho thấy rằng tụ điện được kết nối trong mạch phụ thuộc vào tần số nguồn. Hiện tượng này được gọi là trở kháng phức.
Công thức Trở kháng Điện dung
Xc = 1/(2π1c)
Trong đó Xc = Trở kháng Điện dung
π = 3,142
f = Tần số tính bằng Hz
c = Điện dung tính bằng Farad (F).
Ví dụ về Trở kháng Điện dung
Chúng ta hãy xem xét hai tần số để quan sát hiện tượng trở kháng điện dung. Giả sử f_1=1kHz và f_2=10kHz và tụ điện c = 220nF.
Ở mức tần số thứ nhất
X_C= 1/2πf1c = 723,4Ω
Ở mức Tần số thứ hai:
X_C= 1/2πf2c= 72,34Ω
Điều này cho thấy rõ ràng rằng khi tần số tăng lên, trở kháng giảm xuống.
Trở kháng Điện dung So với Tần số
Từ đồ thị trở kháng điện dung theo tần số ở trên, chúng ta có thể thấy rằng khi tần số bằng không, giá trị trở kháng đạt đến vô cùng, điều này thể hiện hiện tượng mạch hở. Khi giá trị tần số tăng theo hàm mũ, giá trị trở kháng giảm xuống. Khi tần số đạt đến vô cùng, giá trị trở kháng gần bằng không, điều này cho chúng ta hành vi mạch đóng.
Khái niệm Bộ chia Điện áp
Chúng ta đã nghiên cứu khái niệm bộ chia điện áp trong chủ đề điện trở và chúng ta biết rằng mạch chia điện áp có khả năng tạo ra điện áp đầu ra là một phần của điện áp đầu vào.
Bằng cách thay thế điện trở R2 bằng tụ điện C trong mạch trên, độ sụt áp qua hai thành phần thay đổi theo tần số đầu vào vì trở kháng của tụ điện thay đổi theo tần số. Bây giờ điện áp đầu ra trên tụ điện phụ thuộc vào tần số đầu vào. Sử dụng khái niệm này, chúng ta có thể xây dựng các bộ lọc thông thấp và thông cao thụ động bằng cách thay thế một trong các điện trở bằng tụ điện trong mạch chia điện áp.
Hành vi của Tụ điện trong Bộ lọc Thông thấp
Đối với bộ lọc thông thấp, điện trở R2 được thay thế bằng tụ điện C1. Ở tần số bình thường, mạch như trong hình trên. Khi tần số bằng không, giá trị trở kháng rất cao, gần bằng vô cùng. Ở điều kiện này, mạch hoạt động như một mạch hở. Khi tần số rất cao, giá trị trở kháng giảm xuống gần bằng không và mạch hoạt động như một mạch đóng. Cả hai hành vi này được thể hiện trong hình trên.
Hành vi của Tụ điện trong Bộ lọc Thông cao
Đối với bộ lọc thông cao, điện trở R1 được thay thế bằng tụ điện C1. Từ hình trên, rõ ràng là ở tần số bình thường, mạch hoạt động như một mạch bộ lọc thông cao. Ban đầu, ở giá trị tần số bằng không, mạch hoạt động như một mạch hở. Khi tần số tăng lên, trở kháng sẽ giảm theo hàm mũ. Ở một điểm nào đó, tần số đạt đến mức vô cùng, do đó, nó ảnh hưởng đến trở kháng giảm xuống trạng thái bằng không. Các hành vi mạch này được thể hiện trong các hình trên.
