Mạch Lọc Thông Cao Thụ Động giải thích chi tiết dễ hiểu

Bộ lọc thông cao là ngược lại hoàn toàn với bộ lọc thông thấp vì hai thành phần đã được hoán đổi, với tín hiệu đầu ra của bộ lọc giờ đây được lấy từ trên điện trở. Trong khi bộ lọc thông thấp chỉ cho phép các tín hiệu đi qua dưới tần số cắt của nó, ƒc, thì mạch lọc thông cao thụ động như tên gọi của nó, chỉ cho phép các tín hiệu đi qua trên tần số cắt đã chọn, ƒc, loại bỏ bất kỳ tín hiệu tần số thấp nào khỏi dạng sóng. Hãy xem xét mạch dưới đây.

Mạch lọc thông cao

Trong cách bố trí mạch này, điện kháng của tụ điện rất cao ở tần số thấp nên tụ điện hoạt động như mạch hở và chặn bất kỳ tín hiệu đầu vào nào tại VIN cho đến khi đạt đến tần số cắt (ƒC). Trên tần số cắt này, điện kháng của tụ đã giảm đủ để giờ đây hoạt động giống như một mạch ngắn, cho phép tất cả tín hiệu đầu vào đi trực tiếp đến đầu ra như thể hiện dưới đây trong đường cong đáp ứng của bộ lọc.

Đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao bậc 1

Biểu đồ Bode hoặc đường cong đáp ứng tần số ở trên cho bộ lọc thông cao thụ động hoàn toàn ngược lại với bộ lọc thông thấp. Ở đây, tín hiệu bị suy giảm hoặc tắt ở tần số thấp với công suất đầu ra tăng +20dB/thập kỷ (6dB/quãng tám) cho đến khi tần số đạt đến điểm cắt (ƒc) khi R = Xc. Nó có đường cong đáp ứng kéo dài từ vô cực đến tần số cắt, nơi biên độ điện áp đầu ra bằng 1/√2 = 70,7% giá trị tín hiệu đầu vào hoặc -3dB (20 log (Vout/Vin)) so với giá trị đầu vào.

Chúng ta cũng có thể thấy rằng góc pha (Φ) của tín hiệu đầu ra DẪN so với tín hiệu đầu vào và bằng +45o tại tần số ƒc. Đường cong đáp ứng tần số cho bộ lọc này ngụ ý rằng bộ lọc có thể cho qua tất cả các tín hiệu ra vô cực. Tuy nhiên trong thực tế, đáp ứng bộ lọc không kéo dài đến vô cực mà bị giới hạn bởi các đặc tính điện của các thành phần được sử dụng.

Điểm tần số cắt cho bộ lọc thông cao bậc nhất có thể được tìm thấy bằng cách sử dụng cùng một phương trình như của bộ lọc thông thấp, nhưng phương trình cho độ dịch pha được sửa đổi một chút để tính đến góc pha dương như hình dưới đây.

Tần số cắt và độ dịch pha

Ví dụ bộ lọc thông cao số 1

Tính tần số cắt hoặc “điểm gãy” (ƒc) cho bộ lọc thông cao thụ động đơn giản bao gồm tụ điện 82pF nối tiếp với điện trở 240kΩ.

Bộ lọc thông cao bậc hai

Tương tự như với bộ lọc thông thấp, các tầng lọc thông cao có thể được ghép nối để tạo thành bộ lọc bậc hai (hai cực) như hình dưới đây.

Mạch trên sử dụng hai bộ lọc bậc nhất được kết nối hoặc ghép nối với nhau để tạo thành một mạng lọc thông cao bậc hai hoặc hai cực. Do đó, một tầng lọc bậc nhất có thể được chuyển đổi thành loại bậc hai bằng cách đơn giản sử dụng thêm một mạng RC, tương tự như bộ lọc thông thấp bậc 2. Mạch lọc thông cao bậc hai kết quả sẽ có độ dốc 40dB/thập kỷ (12dB/quãng tám).

Như với bộ lọc thông thấp, tần số cắt, ƒc được xác định bởi cả điện trở và tụ điện như sau.

Trong thực tế, việc nối các bộ lọc thụ động với nhau để tạo ra các bộ lọc bậc lớn hơn rất khó thực hiện chính xác vì tổng trở động của mỗi bậc lọc ảnh hưởng đến mạng lân cận. Tuy nhiên, để giảm tải ảnh hưởng, chúng ta có thể làm cho tổng trở của mỗi tầng sau lớn gấp 10 lần tầng trước, vì vậy R2 = 10*R1 và C2 = 1/10 của C1.

Tóm tắt bộ lọc thông cao

Chúng ta đã thấy rằng Bộ lọc thông cao thụ động hoàn toàn ngược lại với bộ lọc thông thấp. Bộ lọc này không có điện áp đầu ra từ DC (0Hz), đến một điểm tần số cắt xác định (ƒc). Điểm tần số cắt dưới này bằng 70,7% hoặc -3dB (dB = -20log VOUT/VIN) của độ lợi điện áp được phép đi qua.

Dải tần số “dưới” điểm cắt ƒc này thường được gọi là Stop Band trong khi dải tần số “trên” điểm cắt này thường được gọi là Pass Band.

Tần số cắt, tần số góc hoặc điểm -3dB của bộ lọc thông cao có thể được tìm thấy bằng cách sử dụng công thức tiêu chuẩn: ƒc = 1/(2πRC). Góc pha của tín hiệu đầu ra kết quả tại ƒc là +45o. Nói chung, bộ lọc thông cao ít méo hơn bộ lọc thông thấp tương đương của nó do hoạt động ở tần số cao hơn.

Một ứng dụng rất phổ biến của loại bộ lọc thụ động này, là trong các bộ khuếch đại âm thanh như một tụ kết nối giữa hai tầng khuếch đại âm thanh và trong hệ thống loa để định hướng các tín hiệu tần số cao hơn đến các loa “tweeter” nhỏ hơn đồng thời chặn các tín hiệu bass tần số thấp hơn hoặc cũng được sử dụng làm bộ lọc để giảm bất kỳ nhiễu tần số thấp hoặc méo dạng “rumble”. Khi được sử dụng như vậy trong các ứng dụng âm thanh, bộ lọc thông cao đôi khi được gọi là bộ lọc “low-cut” hoặc “bass cut”.

Điện áp đầu ra Vout phụ thuộc vào hằng số thời gian và tần số của tín hiệu đầu vào như đã thấy trước đây. Với tín hiệu sin AC được đưa vào mạch, nó hoạt động như một bộ lọc thông cao bậc 1 đơn giản. Nhưng nếu chúng ta thay đổi tín hiệu đầu vào thành tín hiệu có dạng “sóng vuông” có bước vào gần như thẳng đứng, phản ứng của mạch thay đổi đáng kể và tạo ra một mạch thường được gọi là Bộ vi phân.