Trong bài hướng dẫn này, chúng ta sẽ tìm hiểu về Bộ lọc RC Thông cao Thụ động, đáp ứng tần số của nó, mạch cơ bản của Bộ lọc RC Thông cao Thụ động, các ứng dụng của nó và nhiều hơn nữa.
Bạn có thể tìm hiểu về : Mạch lọc thông thấp thụ động RC
Bộ 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, bộ lọc là một mạch chỉ cho phép một dải tần số nhất định.
Trong nhiều ứng dụng, bộ lọc dung được sử dụng nhiều hơn so với bộ lọc cảm vì cuộn cảm sẽ tạo ra một số từ trường ký sinh và tiêu tán một lượng năng lượng nhất định. Không chỉ có những nhược điểm này mà còn do việc sử dụng cuộn cảm trong mạch, bộ lọc trở nên cồng kềnh.
Trong các bài hướng dẫn trước, chúng ta đã nghiên cứu các nguyên tắc cơ bản của bộ lọc và bộ lọc thông thấp thụ động. Bây giờ, chúng ta hãy xem xét hoạt động của bộ lọc RC thông cao thụ động.
Bộ lọc Thông cao Thụ động
Bộ lọc Thông cao Thụ động tương tự như Bộ lọc Thông thấp Thụ động. Khi vị trí tụ điện và điện trở được hoán đổi trong mạch của bộ lọc thông thấp, mạch sẽ thể hiện đặc tính của bộ lọc thông cao. Tụ điện được kết nối nối tiếp với điện trở. Điện áp đầu vào được áp dụng nối tiếp với tụ điện nhưng đầu ra chỉ được lấy trên điện trở.
Bộ lọc Thông cao cho phép các tần số cao hơn tần số cắt ‘fc’ và chặn các tín hiệu tần số thấp hơn. Giá trị của tần số cắt phụ thuộc vào các giá trị linh kiện được chọn cho thiết kế mạch. Các bộ lọc thông cao này có nhiều ứng dụng ở dải tần số cao từ 10 MHz trở lên.
Mạch của bộ lọc thông cao được hiển thị bên dưới.
Do việc hoán đổi các linh kiện này trong mạch, các đáp ứng do tụ điện cung cấp thay đổi và những thay đổi này hoàn toàn ngược lại với đáp ứng của bộ lọc thông thấp.
Ở tần số thấp, tụ điện hoạt động như một mạch hở và ở tần số cao hơn, nghĩa là ở các tần số cao hơn tần số cắt, tụ điện hoạt động như một mạch ngắn. Tụ điện sẽ chặn các tần số thấp đi vào tụ điện do trở kháng dung của tụ điện.
Chúng ta biết rằng bản thân tụ điện chống lại một lượng dòng điện nhất định qua nó để liên kết trong phạm vi điện dung của tụ điện. Sau tần số cắt, tụ điện cho phép tất cả các tần số do giá trị trở kháng dung giảm. Điều này làm cho mạch truyền toàn bộ tín hiệu đầu vào đến đầu ra khi tần số tín hiệu đầu vào lớn hơn tần số cắt fc.
Ở tần số thấp, giá trị trở kháng tăng, do đó khi trở kháng tăng, khả năng chống lại dòng điện chảy qua tụ điện tăng lên. Dải tần số dưới tần số cắt được gọi là ‘Dải chặn’ và dải tần số trên tần số cắt được gọi là ‘Dải thông’.
Trong mạch trên, chỉ có một linh kiện phản kháng với điện trở, điều này cho thấy mạch là mạch bậc nhất.
Đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao
Các đường cong đáp ứng theo tần số và trở kháng dung được cho dưới đây:
Đường cong đáp ứng này cho thấy bộ lọc thông cao hoàn toàn ngược lại với bộ lọc thông thấp. Trong bộ lọc thông cao, cho đến tần số cắt, tất cả các tín hiệu tần số thấp đều bị tụ điện chặn, dẫn đến sự giảm điện áp đầu ra.
Tại điểm tần số cắt, giá trị của điện trở ‘R’ và trở kháng của tụ điện ‘X_c’ bằng nhau, do đó điện áp đầu ra tăng với tốc độ -20 dB/thập kỷ và các mức tín hiệu đầu ra là -3 dB của các mức tín hiệu đầu vào.
Ở tần số rất cao, trở kháng dung trở thành bằng không thì điện áp đầu ra bằng với điện áp đầu vào, tức là Vout = Vin. Ở tần số thấp, trở kháng dung là vô cùng và do đó điện áp đầu ra bằng không vì trở kháng sẽ chặn dòng điện đi vào tụ điện.
Đầu ra của bộ lọc thông cao có góc lệch pha (ø) là +45° ở tần số cắt so với tín hiệu đầu vào. Điều này cho thấy đầu ra của bộ lọc thông cao dẫn trước so với tín hiệu đầu vào. Ở tần số cao (f > fC), độ lệch pha gần bằng không có nghĩa là cả tín hiệu đầu vào và đầu ra đều đồng pha.
Trong trường hợp lý tưởng, bộ lọc sẽ cho phép các tần số sau điểm tần số cắt đến vô cực nhưng trong thực tế, giá trị vô cực phụ thuộc vào các giá trị linh kiện được sử dụng trong thiết kế bộ lọc.
Thời gian tụ điện cần để sạc và xả các tấm điện cực so với tín hiệu đầu vào dẫn đến sự chênh lệch pha. Điện trở nối tiếp với tụ điện sẽ tạo ra hiệu ứng sạc và xả.
Hằng số thời gian của mạch RC nối tiếp được định nghĩa là thời gian tụ điện cần để sạc lên đến 63,2% giá trị trạng thái ổn định cuối cùng và cũng được định nghĩa là thời gian tụ điện cần để xả xuống còn 36,8% giá trị trạng thái ổn định. Điều này được biểu thị bằng ký hiệu ‘τ’. Mối quan hệ giữa hằng số thời gian và tần số cắt được cho như sau
- Hằng số thời gian τ = RC = 1⁄2πfc và ω_c = 1/τ = 1/RC.
Từ đó, rõ ràng là đầu ra của bộ lọc phụ thuộc vào các tần số được áp dụng ở đầu vào và hằng số thời gian.
Tần số cắt và Độ lệch pha
- Tần số cắt hoặc Điểm gãy ‘fc’ = 1/ 2πfc
- The phase shift (ø) = tan-1 (2πfRc)
Điện áp đầu ra và độ khuếch đại của bộ lọc RC thông cao
Ví dụ Bộ lọc Thông cao
Hãy xem xét một bộ lọc thông cao với giá trị tụ điện 82 pF và giá trị điện trở là 240 kΩ. Với các giá trị này, chúng ta hãy tính toán tần số cắt của bộ lọc
fC = 1/(2πRC) = 1 / (2π x 240 x 103 x 82 x 10-12) = 8,08 kHz
Bộ lọc Thông cao Thụ động Bậc 2
Bằng cách nối tầng hai bộ lọc thông cao bậc nhất, chúng ta có bộ lọc thông cao bậc hai. Vì nó bao gồm hai linh kiện phản kháng, tức là hai tụ điện, nó làm cho mạch trở thành bậc hai. Hiệu suất của bộ lọc hai tầng này bằng với bộ lọc một tầng nhưng độ dốc của bộ lọc được đạt ở mức -40 dB/thập kỷ.
Điều này là do sự thay đổi tần số cắt. Nó hiệu quả hơn so với bộ lọc thông cao một tầng vì nó có hai điểm lưu trữ. Đối với bộ lọc hai tầng, tần số cắt sẽ phụ thuộc vào giá trị của hai tụ điện và hai điện trở. Điều này được cho như sau
fc = 1/ (2π√(R1C1R2C2)) Hz
Tóm tắt Bộ lọc Thông cao Thụ động
Bộ lọc thông cao cho phép các tần số lớn hơn tần số cắt đến vô cực. Trong tình huống thực tế, vô cực không tồn tại vì vậy giá trị vô cực này phụ thuộc vào các linh kiện được sử dụng trong thiết kế mạch.
Dải tần số được bộ lọc Thông cao cho phép được gọi là ‘Dải thông’ và dải thông này không gì khác chính là băng thông của bộ lọc. Dải tần số bị suy giảm bởi bộ lọc được gọi là ‘dải chặn’.
Tần số cắt được tính bằng công thức ‘fc’ như đã trình bày ở trên. Độ lệch pha của tín hiệu đầu ra dẫn trước tín hiệu đầu vào với một góc +45°. Điện áp đầu ra sẽ phụ thuộc vào hằng số thời gian và tần số đầu vào áp dụng cho mạch.
Các méo dạng được loại bỏ bởi các bộ lọc thông cao chính xác hơn so với các bộ lọc thông thấp do các tần số cao được sử dụng trong mạch.
Bộ vi phân RC thông cao
Đối với các đầu vào sóng hình sin thông thường, hiệu suất của bộ lọc giống như bộ lọc thông cao bậc nhất. Nhưng khi chúng ta áp dụng các loại tín hiệu khác nhau thay vì các sóng hình sin như sóng vuông, điều này sẽ cho đáp ứng miền thời gian như bước hoặc xung làm tín hiệu đầu vào thì mạch hoạt động như một mạch Vi phân.
Một mạch có đạo hàm của đầu vào tỷ lệ thuận trực tiếp với đầu ra của mạch được gọi là mạch Vi phân.
Do đó, khi một đầu vào không đổi được áp dụng cho mạch thì đầu ra trở thành bằng không vì đạo hàm của hằng số tiến đến bằng không.
Mạch vi phân RC được hiển thị bên dưới.
Đối với các tín hiệu đầu vào sóng vuông, dạng sóng đầu ra xuất hiện dưới dạng các xung ngắn. Đối với một chu kỳ đầu vào hoàn chỉnh, sẽ xuất hiện hai tín hiệu đỉnh với các xung dương và âm.
Trong quá trình này, sẽ không có sự thay đổi về biên độ của tín hiệu đầu ra. Nếu tần số tín hiệu đầu vào tăng lên thì độ rộng của xung ở đầu ra tăng lên. Tốc độ suy giảm của xung đỉnh phụ thuộc vào hằng số thời gian.
Các ứng dụng của Bộ lọc Thông cao
- Chúng được sử dụng trong các mạch khuếch đại âm thanh như một phần của các tần số chuyển tiếp âm thanh cao sang các tín hiệu kiểu loa tweeter bằng cách chặn các tín hiệu bass thấp.
- Chúng được sử dụng như các bộ lọc gầm để chặn các tín hiệu không mong muốn gần đó và truyền các tín hiệu cần thiết trong loa.
- Chúng được sử dụng trong các mạch ghép nối xoay chiều và như mạch vi phân.
- Trong quá trình trộn ở mỗi kênh, các bộ lọc thông cao này được thêm vào.
- Trong xử lý ảnh, các bộ lọc thông cao được sử dụng trong quá trình làm mờ không đều, nơi chỉnh sửa yêu cầu bộ lọc tăng cường cao.
- Trong xử lý ảnh, việc giảm nhiễu có thể được thực hiện ở miền thời gian hoặc miền tần số. Vì vậy, kết hợp với các bộ lọc thông thấp, các bộ lọc thông cao này được sử dụng để tăng cường, triệt nhiễu và sửa đổi hình ảnh trong xử lý ảnh.
- Trong các ứng dụng điện thoại, chúng được sử dụng tại các bộ chia tách DSL kết hợp với các bộ lọc thông thấp.
