Bộ lọc thông thấp là gì?
Trước khi tìm hiểu về bộ lọc thông thấp, chúng ta cần hiểu khái niệm về bộ lọc. Bạn có từng nghe về sàng hoặc lọc chưa? Nếu có, bạn đã biết rằng bộ lọc được sử dụng để loại bỏ chất rắn khỏi chất lỏng hoặc tách hạt thô khỏi hạt mịn hơn. Tóm lại, bộ lọc là công cụ để làm sạch các tạp chất không mong muốn trong dung dịch hoặc chất lỏng.
Tương tự như vậy, bộ lọc cũng là một thiết bị hoặc mạch được sử dụng để chỉ bộ phận hoặc dải tần số cần thiết.
Định nghĩa bộ lọc thông thấp
Bộ lọc thông thấp, còn được gọi là Low Pass Filter (LPF), là bộ lọc cho phép các tín hiệu có tần số thấp hơn một tần số cụ thể (tần số cắt).
Nó chặn các tín hiệu có tần số cao hơn tần số cắt.
LPF là một mạch được thiết kế để loại bỏ các tín hiệu có tần số cao không mong muốn khỏi tín hiệu điện từ, tín hiệu âm thanh, tín hiệu điện và chỉ chấp nhận tín hiệu yêu cầu trong các mạch ứng dụng.
Bộ lọc thông thấp làm suy giảm đáng kể tất cả các thành phần tín hiệu trên tần số cắt.
Trên mặt kỹ thuật, bất kỳ bộ lọc nào cũng có thể được phân loại thành bộ lọc lý tưởng và bộ lọc thực tế. Hình dưới đây minh họa phản ứng của bộ lọc thông thấp lý tưởng và thực tế:
Bộ lọc LPF lý tưởng được định nghĩa là có phản ứng đầu vào lý tưởng so với tần số đầu ra. Điều này có nghĩa là nó có suy giảm bằng không cho tất cả các tần số ở vượt quá tần số cắt và suy hao vô hạn cho các tần số bị chặn.
Bộ lọc LPF lý tưởng có phản ứng phẳng. Tuy nhiên, trong thực tế, việc đạt được phản ứng phẳng là không thể do sự tồn tại của các yếu tố không lý tưởng của các thành phần được sử dụng trong 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:
Đây là bộ lọc thông thấp sử dụng nguồn điện bên ngoài để cung cấp tần số đầu ra cần thiết với mức tăng cụ thể.
Nguyên nhân của việc sử dụng nguồn điện bên ngoài là vì mạch lọc tiêu thụ một số công suất không mong muốn đối với các mạch sử dụng điện áp đầu vào rất thấp, và do đó không thể xử lý các tín hiệu đầu vào.
Bộ lọc thông thấp chủ động thường được sử dụng trong “bộ khuếch đại với bộ cân bằng” và thiết kế mạch tần số vô tuyến.
Bộ lọc thông thấp thụ động:
Đây là LPF không sử dụng bất kỳ nguồn điện bên ngoài nào và chỉ lọc các tín hiệu có tần số cao hơn để tạo ra các tín hiệu có tần số thấp hơn.
Nó được sử dụng trong các mạch âm thanh, mạch cấp nguồn để loại bỏ nhiễu và mạch tần số vô tuyến để lựa chọn tần số thấp hơn và tránh nhiễu tần số cao ở đầu máy thu.
Chi tiết về bộ lọc thông thấp thụ động:
Bộ lọc thông thấp thụ động có thể được thực hiện theo nhiều cách sử dụng sơ đồ đã cho. Một số bộ lọc trong số đó bao gồm bộ lọc RC, bộ lọc LC, bộ lọc RL và một số cấu trúc liên kết như bộ lọc Butterworth, bộ lọc Chebyshev, bộ lọc π, bộ lọc T, …
Các bộ lọc Butterworth, Chebyshev, π, T, k… có thiết kế bộ lọc hiện đại.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về cách triển khai bộ lọc thông thấp bằng các phương pháp truyền thống và cơ bản.
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 sơ đồ bộ lọc thông thấp được sử dụng phổ biến nhất cho mục đích âm thanh được đề xuất và bộ lọc chỉnh lưu.
Lý do cho điều này rất đơn giản, đó là vì nó có chi phí thấp và vì vậy là lựa chọn hàng đầu để sản xuất hàng loạt.
Ảnh dưới đây minh họa sơ đồ của bộ lọc thông thấp RC:
Mạch cơ bản của bộ lọc thông thấp RC bao gồm điện trở được kết nối nối tiếp và tụ điện được kết nối song song với tải.
(Chú ý: Vị trí của tụ điện không quyết định liệu bộ lọc là thông thấp hay thông cao)
Hoạt động:
Vậy làm thế nào mạch này chặn các tín hiệu có tần số cao hơn?
Mạch này sử dụng thuộc tính của tụ điện hoạt động như một ngắn mạch đối với các tần số cao hơn, từ đó các tần số cao hơn không thể truyền đến tải.
Ngược lại, nó chặn các tín hiệu có tần số thấp đi qua, kết quả là các tín hiệu đi qua tải.
Một cách khác để hiểu cách hoạt động là thông qua việc nghiên cứu quá trình sạc và xả của tụ điện, đó là các tương tác của hai tần số khác nhau.
Kết hợp của R và C tạo ra hiệu ứng sạc và xả trên tụ điện gọi là hằng số thời gian (τ) của mạch.
τ = RC giây
Đối với các tần số thấp hơn, tụ điện có đủ thời gian để sạc lên cùng với điện áp đầu vào, dẫn đến hiện tượng hở mạch.
Đối với các tần số cao hơn, tụ điện không có đủ thời gian để sạc trước khi chu kỳ âm đến, dẫn đến ngắn mạch.
Công thức fc = 1 / (2 π R C) xác định tần số thông qua và tần số chặn.
Ở đây, các tần số thấp hơn ‘fc’ được cho phép đi qua và các tần số cao hơn sẽ bị chặn.
Bộ lọc thông thấp RL
Bộ lọc thông thấp RL sử dụng điện trở và cuộn cảm với cấu hình tương tự như bộ lọc thông thấp RC.
Thường thì, người ta tránh triển khai bộ lọc thông thấp RL do kích thước lớn của cuộn cảm (đặc biệt đối với các giá trị lớn hơn), đáp ứng tần số phi tuyến vì sự thay đổi nhiệt độ và cũng khá phức tạp để thực hiện.
Bộ lọc thông thấp LC
Bộ lọc thông thấp LC được tạo thành từ cuộn cảm và tụ điện, đây là loại LPF được sử dụng phổ biến nhất. Lý do là đơn giản và phản ứng tần số chính xác, có thể đạt được tần số cắt rất thấp bằng cách sử dụng bộ lọc LC.
Mạch thu sóng, máy phát sóng, bộ điều chế sử dụng bộ lọc LC. Có thể nói rằng bất kỳ mạch RF nào yêu cầu tổn thất điện năng thấp và ổn định hơn đều sử dụng bộ lọc LC.
Công thức và sơ đồ cho bộ lọc thông thấp LC:
Hãy xem một ví dụ thực tế về bộ lọc thông thấp:
Câu hỏi: Thiết kế một bộ lọc thông thấp với tần số cắt fc = 75MHz và Vin = 5V bằng cách sử dụng bộ lọc RC?
Lời giải: Đã cho -> f = 75Mhz.
Giả sử R = 100 Ω (giả sử giá trị của R hoặc C)
Vậy chúng ta cần tìm giá trị C.
Công thức, fc = 1 /(2 π R C)
Thay giá trị vào chúng ta nhận được, C = 21,2 pF. Từ đó ta có thể thiết kế mạch.
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
Từ kết quả ở trên, chúng ta có thể thấy rằng đối với “tần số được thiết kế”, chúng ta nhận được tổn hao gần như bằng không, trong khi đối với phạm vi “ngoài tần số được thiết kế” có tổn hao. Do đó, LPF được thiết kế theo yêu cầu.
Phát triển phản hồi tần số:
Phát triển phản hồi tần số là quá trình để đạt được đường cong phản hồi tần số gần như lý tưởng. Chúng ta có thể làm điều này bằng cách tăng bậc của bộ lọc.
Ở đây, bậc có nghĩa là số tầng của cùng một mạch. Nếu chúng ta kết hợp hai bộ lọc RC nối tiếp, đó là bộ lọc bậc hai. Nếu chúng ta sử dụng ba bộ lọc RC liên tiếp, đó là bộ lọc bậc ba.
Và tiếp tục như vậy, nhưng có giới hạn về việc sử dụng bộ lọc bậc cao hơn. Giới hạn đó là sự suy giảm tần số băng thông, nhiễu chèn,…
Bằng cách tăng bậc của bộ lọc, chúng ta có thể tạo ra phản hồi tần số sắc nét hơn.
Ảnh dưới đây minh họa bộ lọc bậc hai (bậc 1 + bậc 1):
Các ứng dụng của LPF:
1) Trong máy thu sóng của máy thu hình vô tuyến…
2) Trong điện tử công suất để lọc tiếng ồn tần số cao.
3) Trong các mạch giải điều chế để khôi phục các tín hiệu gốc như máy thu FM hoặc AM.
4) LPF loại R-C được sử dụng như bộ tích phân.
5) Phát hiện pha trong hệ thống pha khóa