Bộ lọc thông thấp là gì

Bộ lọc thông thấp là gì?

Trước khi tìm hiểu bộ lọc thông thấp, chúng ta hãy xem bộ lọc là gì. Bạn đã bao giờ nghe nói về sàng hay lọc chưa? Nếu có thì bạn phải biết công dụng của bộ lọc, nó được sử dụng để lọc chất rắn khỏi chất lỏng hoặc để tách các hạt thô hơn khỏi các hạt mịn hơn. Nói tóm lại, bộ lọc được sử dụng để lọc các tạp chất không mong muốn trong dung dịch hoặc chất lỏng.

Tương tự như vậy, bộ lọc là thiết bị hoặc mạch được sử dụng khi chỉ cần dải tần hoặc tần số cần thiết.

Dải tần số có thể là tất cả các tần số nhỏ hơn tần số cụ thể, sự khác biệt giữa hai tần số xác định trước, hoặc các tần số trên tần số cụ thể.

Bộ lọc chia ra làm bộ lọc thông cao, nộ lọc thông thấp, bộ lọc thông dải, bộ lọc khía hay bộ lọc loại bỏ dải.

Định nghĩa bộ lọc thông thấp

Bộ lọc thông thấp hay Low Pass Filter (LPF) là bộ lọc cho phép các tín hiệu có tần số thấp hơn tần số cụ thể (tần số cụ thể đó được gọi là tần số cắt).

Và không cho phép các tín hiệu của tần số cao hơn tần số cắt.

Nói cách khác:

LPF là một mạch được thiết kế để loại bỏ tần số cao hơn không mong muốn của tín hiệu điện từ, tín hiệu âm thanh, tín hiệu điện và chỉ chấp nhận những tín hiệu được yêu cầu trong các mạch ứng dụng.

Bộ lọc thông thấp là một mạch làm suy giảm tất cả các thành phần tín hiệu trên tần số cắt đến một mức đáng kể.

Về mặt kỹ thuật, bất kỳ bộ lọc nào cũng có thể được phân loại là bộ lọc lý tưởng và bộ lọc thực tế, hình dưới đây cho thấy phản hồi của bộ lọc thông thấp lý tưởng và thực tế:

LPF lý tưởng được định nghĩa là bộ lọc có phản hồi của đầu vào lý tưởng so với các tần số đầu ra, tức là nó phải có độ suy giảm bằng không cho tất cả các khoảng trống vượt qua và suy hao vô hạn cho các tần số bị chặn.

LPF lý tưởng có phản hồi phẳng. Nhưng thực tế là không thể do đó chúng ta nhận được phản hồi hơi cong, điều này là do các thành phần không lý tưởng mà chúng ta sử dụng để tạo ra LPF.

Các loại bộ lọc thông thấp:

a) Bộ lọc thông thấp chủ động

b) Bộ lọc thông thấp thụ động

Bộ lọc thông thấp chủ động:

Nó là một bộ lọc thông thấp sử dụng nguồn điện bên ngoài để cung cấp các tần số đầu ra cần thiết với Gain cụ thể.

Điều này là do bản thân mạch lọc tiêu thụ một số công suất không mong muốn đối với các mạch sử dụng công suất đầu vào rất thấp và do đó không thể xử lý các tín hiệu đầu vào.

Nói chung, bộ lọc thông thấp chủ động được sử dụng trong “Bộ khuếch đại với bộ cân bằng” và thiết kế mạch tần số vô tuyến tới hạn.

Bộ lọc thông thấp thụ động:

Đó là LPF không sử dụng bất kỳ nguồn điện bên ngoài nào và chỉ lọc ra tần số cao hơn để tạo ra các tần số thấp hơn.

Nó được sử dụng trong các mạch âm thanh, mạch cung cấp điện để loại nhiễu, và mạch vô tuyến để chọn tần số thấp hơn và tránh nhiễu tần số cao ở đầu máy thu.

Chúng ta hãy tìm hiểu chi tiết về bộ lọc thông thấp thụ động:

Bộ lọc thông thấp thụ động có thể được thực hiện theo nhiều cách bằng cách sử dụng sơ đồ đã cho. Một vài bộ lọc trong số chúng là bộ lọc RC, bộ lọc LC, bộ lọc RL và một số cấu trúc liên kết bao gồm, bộ lọc Butterworth, bộ lọc Chebyshev, bộ lọc π, bộ lọc T, …

Bộ lọc Butterworth, bộ lọc Chebyshev, bộ lọc π, bộ lọc T, bộ lọc k, … có thiết kế bộ lọc hiện đại.

Trong bài này, chúng ta sẽ thảo luận về các cách truyền thống và cơ bản để triển khai bộ lọc thông thấp.

Bộ lọc thông thấp RC:

Trong bộ lọc thông thấp RC, chúng ta sử dụng hai thành phần là điện trở và tụ điện.

Đây là giản đồ bộ lọc thông thấp được sử dụng nhiều nhất cho các mục đích đề xuất âm thanh và bộ lọc chỉnh lưu.

Lý do đằng sau điều này rất đơn giản vì giá rẻ và do đó là lựa chọn hàng đầu để sản xuất hàng loạt.

Hình bên dưới thể hiện sơ đồ của bộ lọc thông thấp RC:

Mạch cơ bản của bộ lọc thông thấp RC bao gồm điện trở mắc nối tiếp và tụ điện mắc song song với tải.

(không phải vị trí của tụ vì đây là thành phần quyết định bộ lọc là thông thấp hay thông cao)

Hoạt động:

Vậy làm thế nào để mạch này chặn tần số cao hơn?

Mạch này đã sử dụng thuộc tính của tụ điện hoạt động như ngắn mạch đối với các tần số cao hơn và do đó tần số cao hơn không thể truyền đến tải.

Ngược lại, nó chặn các tín hiệu tần số thấp đi qua nó, kết quả là truyền qua tải.

Một cách khác để hiểu điều là thông qua việc tìm hiểu thời gian sạc và xả của tụ điện chịu trách nhiệm cho hoạt động của hai tần số khác nhau.

Sự kết hợp của R và C tạo ra hiệu ứng sạc và xả trên tụ điện được gọi là hằng số thời gian (τ) của nó trong mạch.

τ = RC giây

Đối với tần số thấp hơn, có đủ thời gian để tụ điện sạc ở cùng điện áp đầu vào và dẫn đến hiện tượng hở mạch.

Đối với tần số cao hơn, có ít thời gian hơn để tụ điện sạc trước khi chu kỳ âm đến và dẫn đến ngắn mạch.

Điều gì xác định tần số đi qua và tần số chặn?

fc = 1 / (2 π R C)

Tau (τ), hằng số thời gian liên quan đến tần số cắt ƒc như trên.

Ở đây các tần số thấp hơn ‘fc’ được cho qua và cao hơn sẽ bị chặn.

Bộ lọc thông thấp RL

RL LPF sử dụng điện trở và cuộn cảm có cùng cấu hình với RC LPF.

Nói chung, bộ lọc thông thấp RL thường được tránh triển khai vì kích thước lớn của cuộn cảm (đặc biệt đối với các giá trị cao hơn), đáp ứng tần số phi tuyến do sự thay đổi nhiệt độ, và cũng khá phức tạp để thực hiện.

Bộ lọc thông thấp LC

LC-LPF được tạo thành từ cuộn cảm và tụ điện, đây là một LPF khác được sử dụng nhiều nhất. Lý do đằng sau là sự đơn giản và độ chính xác của phản hồi tần số, có thể đạt được tần số cắt rất nhỏ bằng cách sử dụng bộ lọc LC.

Mạch vô tuyến máy thu, máy phát, bộ điều chế sử dụng các bộ lọc LC. Có thể nói rằng bất kỳ mạch RF nào yêu cầu hạn chế tổn thất điện năng thấp và ổn định hơn đều sử dụng bộ lọc LC.

Công thức và giản đồ cho bộ lọc thông thấp LC:

Hãy phân tích bộ lọc thông thấp với một ví dụ thực tế:

Câu hỏi: Thiết kế một bộ lọc thông thấp có tần số cắt ‘fc‘ = 75MHz và Vin = 5V bằng cách sử dụng bộ lọc RC?

Lời giải: Đã cho -> f = 75Mhz.

R = 100 Ω (giả định) giả sử giá trị của R hoặc C

Như vậy phải tìm C

Công thức, fc = 1 / (2 π R C)

Thay giá trị vào chúng ta nhận được, C = 21,2 pF. Từ đó có thể thiết kế mạch.

Phân tích sâu hơn,

Tìm Xc =? sử dụng công thức Xc = 1 / (2π f C)

Do đó, Xc1 = 100,14 (75Mhz) ;.

Xc2 = 8.23 (900Mhz)

Vout = Vin [Xc / sqrt (R² + Xc²)]

Thay giá trị vào

Chúng tôi nhận được, Vout = 3,54 V cho f= 75 Mhz (i)

Vout = 0,41V cho f= 900Mhz (ii)

Từ kết quả i), ii) chúng ta quan sát thấy rằng đối với “tần số được thiết kế”, chúng ta nhận được tổn hao gần như bằng không so với phạm vi “ngoài tần suất được thiết kế”. Do đó LPF được thiết kế theo yêu cầu.

Cải thiện phản hồi tần số:

Cải thiện phản hồi tần số có nghĩa là các bước để đạt được gần đường cong phản hồi tần số lý tưởng. Chúng tôi có thể thực hiện điều này bằng cách tăng số bậc.

Ở đây bậc có nghĩa là số tầng của cùng một mạch. Nếu hai bộ lọc RC được mắc nối tiếp thì nó là bộ lọc bậc hai. Nếu chúng ta sử dụng ba bộ lọc RC cạnh nhau thì đó là bộ lọc bậc ba.

Và cứ như thế tiếp diễn, nhưng có một giới hạn nhất định để sử dụng bộ lọc bậc cao hơn. Giới hạn đó là sự suy giảm tần số băng thông, chèn tiếng ồn, …

Bằng cách tăng bậc của bộ lọc sẽ tạo ra phản hồi sắc nét.

Hình dưới đây là bộ lọc bậc hai (bậc 1 + bậc 1):

Các ứng dụng của LPF:

1) Trong đầu thu của máy thu hình máy thu vô tuyến…

2) Trong điện tử công suất để lọc ra tiếng ồn tần số cao.

3) Trong các mạch giải điều chế để khôi phục các tín hiệu ban đầu ví dụ như máy thu FM hoặc AM.

4) LPF loại R-C được sử dụng làm bộ tích phân.

5) Phát hiện pha trong vòng lặp bị khóa pha