Mạch lọc âm thanh đơn giản các loại tần số

Nếu bạn đã từng sử dụng điều khiển âm vang trên radio, đài, hoặc đàn ghi-ta, bạn đã sử dụng một bộ lọc âm thanh. Bộ lọc âm thanh là một mạch điện được thiết kế để cho phép một số tần số âm thanh đi qua tín hiệu nhưng chặn các tần số khác.

Một ví dụ về bộ lọc âm thanh là mô-đun chéo trong hộp loa. Nó gửi âm thanh tần số thấp đến loa trầm và chặn chúng khỏi loa cao tần. Các ứng dụng khác có thể bao gồm chặn tiếng rì rầm tần số thấp từ đầu đĩa than, loại bỏ tiếng rít từ đầu băng cassette, hoặc loại bỏ tiếng rì nguồn điện.

Các loại bộ lọc âm thanh

Có ba nhóm bộ lọc chính:

• Bộ lọc thụ động – chỉ sử dụng các thành phần thụ động, như điện trở, tụ điện và cuộn cảm, và phù hợp để xử lý điện áp và công suất cao. Tạo ra rất ít méo mó hoặc nhiễu điện.
• Bộ lọc kỹ thuật số – tín hiệu được số hóa bởi bộ chuyển đổi analog sang số, xử lý bởi vi điều khiển, sau đó gửi đến bộ chuyển đổi số sang analog.
• Bộ lọc tích cực – sử dụng các thành phần tích cực như transistor và op-amp. Chúng ta sẽ xem xét nhóm này chi tiết.

Các bộ lọc hữu ích nhất với khả năng sử dụng dễ dàng và hiệu suất tốt nhất là các bộ lọc tích cực Sallen Key. Bộ lọc Sallen Key là bộ lọc hai cực, có nghĩa là chúng có hai thành phần phản ứng (tụ điện). Tất cả các mạch dưới đây đều dựa trên thiết kế này.

Bộ lọc thông thấp

Trong bộ lọc thông thấp, các tần số trên một điểm nhất định bị chặn:

Trong hình 1 ở trên, bạn thấy rằng các tần số từ không đến fc đi qua mà không bị suy giảm. Nhưng tại fc, tín hiệu bắt đầu giảm dần, và nó giảm 3dB hoặc 0,707 của giá trị ban đầu.

Ví dụ, giả sử chúng ta muốn làm suy giảm phản ứng của một bộ khuếch đại sau dải nghe (khoảng 20kHz) để ngăn chặn dao động. Chúng ta có thể làm điều này bằng cách kết nối một bộ lọc thông thấp với đầu ra của bộ khuếch đại.

Đây là sơ đồ mạch cho bộ lọc thông thấp 20kHz:

Hệ số khuyếch đại được đặt bởi điện trở R3 và R4. Với R3 là 27k và R4 là 47k, hệ số khuyếch đại (A) là:

A = (R3 + R4) / R4
A = (27k + 47k) / 47k
A = 1,6

Vậy hệ số khuyếch đại là 1,6.

Tần số cắt (Fc) được tính bằng công thức này:

Fc = 1 / (2 * Pi * R1 * C1)

Với R1 là 10k Ohm và tụ điện C1 là 680 pF, tần số cắt trở thành:

Fc = 1 / (2 * Pi * 10k * 680 pF)
Fc = 23kHz

Vậy tất cả các tần số trên 23kHz sẽ bị suy giảm. Điều này không hoàn hảo, nhưng đủ gần. Nếu bạn thay thế R1 và R2 bằng biến trở, tần số cắt có thể được điều chỉnh một chút. Lưu ý rằng các đơn vị trong công thức trên nên được chuyển đổi thành Ohm và Fara trước khi thực hiện phép tính.

Bộ lọc thông cao

Trong bộ lọc thông cao, các tần số dưới một điểm nhất định bị chặn:

Trong hình 3 ở trên, bạn thấy rằng các tần số trên fc đi qua mà không bị suy giảm. Nhưng tại fc và bên dưới, tín hiệu bắt đầu giảm dần và giảm 3dB hoặc 0,707 của giá trị ban đầu và tiếp tục giảm dần khi chúng ta đi xuống tần số.

Như một ví dụ khác, chúng ta có thể làm suy giảm phản ứng của một bộ khuếch đại đối với các tần số dưới dải nghe (khoảng 20Hz) bằng cách kết nối một bộ lọc thông cao với đầu ra của bộ khuếch đại.

Đây là sơ đồ mạch cho bộ lọc thông cao 20Hz:

Hệ số khuyếch đại được đặt bằng điện trở R3 và R4 như trong mạch trước.

Với bộ lọc này, C1 là 1 uF và R1 là 8,2K Ohm, vì vậy tần số cắt là:

Fc = 1 / (2 * Pi * 8,2k * 1 uF)
Fc = 19,4Hz

Hãy nhớ chuyển đổi giá trị điện trở và điện dung thành Ohm và Fara trước khi thực hiện phép tính.

Vậy tất cả các tần số dưới 19,4Hz sẽ bị suy giảm.

Bộ lọc thông dải

Trong bộ lọc thông dãi, các tần số trên và dưới hai điểm bị chặn:

Trong hình 5 ở trên, bạn thấy rằng các tần số giữa f1 và f2 đi qua mà không bị suy giảm.

Một ứng dụng của bộ lọc thông dãi có thể là làm hẹp dải âm thanh từ một micro trước khi nó được đưa vào thiết bị ghi âm.

Đây là sơ đồ mạch cho bộ lọc thông dãi 1kHz:

Đây là bộ lọc twin t kinh điển. Trong đường phản hồi từ chân 6 đến chân 2, có một bộ lọc tần số thấp (R2, R3 và C1) và một bộ lọc tần số cao (C2, C3 và R5). Hai bộ lọc hoạt động cùng nhau để chỉ cho phép một dải hẹp các tần số đi qua. Hệ số khuyếch đại của dải hẹp này đạt giá trị cực đại tại tần số trung tâm.

Tần số trung tâm (Fo) được tính bằng phương trình:

Fo = 1 / (2 * Pi * R * C)

Ví dụ, với R là 100k Ohm và C là 1600 pF, tần số trung tâm trở thành:

Fo = 1 / (2 * Pi * 100k * 1600 pF)
Fo = 1kHz

Để bộ lọc thông dãi hoạt động đúng cách, tụ điện trong bộ lọc tần số thấp (C1) cần có giá trị gấp đôi giá trị của các tụ điện trong bộ lọc tần số cao (C2 và C3). Ngoài ra, các điện trở trong bộ lọc tần số thấp (R2 và R3) cần có giá trị gấp đôi giá trị của điện trở trong bộ lọc tần số cao (R5).

Bộ lọc chặn dải

Trong bộ lọc chận dãi, các tần số giữa hai điểm bị chặn:

Trong hình 7, bạn thấy rằng các tần số dưới f1 và trên f2 đi qua mà không bị suy giảm.

Bộ lọc chận dãi có thể được sử dụng để loại bỏ một số tần số nhất định trong tín hiệu âm thanh. Ví dụ, chúng có thể được sử dụng để loại bỏ tiếng rì nguồn điện 60Hz từ đầu ra của bộ khuếch đại âm thanh.

Đây là sơ đồ mạch để xây dựng bộ lọc chận dãi 60Hz:

Đây cũng là bộ lọc twin t kinh điển. Có một bộ lọc tần số thấp (R2, R3 và C1) và một bộ lọc tần số cao (C2, C3 và R5). Hai bộ lọc hoạt động cùng nhau để loại trừ chỉ một dải hẹp các tần số. Trong bộ lọc chận dãi, hệ số khuyếch đại đạt giá trị nhỏ nhất tại tần số trung tâm.

Ví dụ, với R là 100k Ohm và C là 0,027 uF, tần số trung tâm trở thành:

Fo = 1 / (2 * Pi * 100k * 0,027 uF)
Fo = 59Hz

Để bộ lọc chận dãi hoạt động đúng cách, tụ điện trong bộ lọc tần số thấp (C1) nên có giá trị gấp đôi giá trị của các tụ điện trong bộ lọc tần số cao (C2 và C3). Ngoài ra, các điện trở trong bộ lọc tần số thấp (R2 và R3) nên có giá trị gấp đôi giá trị của điện trở trong bộ lọc tần số cao (R5).

Đó là tất cả nội dung về các bộ lọc âm thanh tích cực. Hi vọng bạn sẽ xây dựng một (hoặc tất cả) các bộ lọc này cho chính mình, chúng thực sự rất thú vị để chơi đùa! Hãy cho chúng tôi biết trong phần bình luận bên dưới nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào.