Bộ lọc thông cao đang hoạt động

Trước đây chúng tôi đã mô tả về Bộ lọc thông cao thụ động và Bộ lọc thông thấp chủ động, bây giờ là lúc cho bộ lọc thông cao chủ động. Hãy cùng khám phá Bộ lọc thông cao hoạt động là gì.

Nó là gì, mạch, công thức, đường cong?

Tương tự như bộ lọc thông thấp thụ động, bộ lọc thông cao thụ động hoạt động với các thành phần thụ động, Điện trở và Tụ điện. Chúng ta đã biết trong hướng dẫn trước về bộ lọc thông cao thụ động mà nó hoạt động mà không có bất kỳ gián đoạn bên ngoài hoặc phản hồi tích cực nào.

Nếu chúng ta thêm Bộ khuếch đại qua bộ lọc thông cao thụ động, chúng ta có thể dễ dàng tạo bộ lọc thông cao Chủ động. Thay đổi cấu hình bộ khuếch đại chúng ta cũng có thể hình thành các loại bộ lọc thông cao khác nhau, bộ lọc thông cao đảo ngược hoặc không đảo ngược hoặc thống nhất đạt được tích cực.

Vì sự đơn giản, hiệu quả về thời gian và cũng như các công nghệ ngày càng phát triển trong thiết kế op-amp, nói chung op-amp được sử dụng cho thiết kế Active Filter.

Trong bộ lọc thông cao thụ động, đáp tuyến tần số là vô hạn. Nhưng trong trường hợp thực tế, nó phụ thuộc nhiều vào các thành phần và các yếu tố khác, ở đây trong trường hợp bộ lọc thông cao hoạt động, băng thông op-amp là hạn chế chính của bộ lọc thông cao tích cực. Điều đó có nghĩa là tần số tối đa sẽ đi qua tùy thuộc vào độ lợi của bộ khuếch đại và đặc tính vòng hở của op-amp.

Chúng ta hãy khám phá một số op-amps mở rộng điện áp Dc phổ biến.

Op-amp	Băng thông (dB)	Tần số tối đa
LM258	100	1MHz
uA741	100	1MHz
RC4558D	35	3MHz
TL082	110	3MHz
LM324N	100	1MHz

Đây là một danh sách nhỏ về op-amp chung và tăng điện áp. Ngoài ra, độ lợi điện áp phần lớn phụ thuộc vào tần số của tín hiệu và điện áp đầu vào của op-amp và mức tăng ích được áp dụng trong op-amp đó.

Hãy cùng Khám phá thêm và hiểu điều gì đặc biệt về nó: -

Đây là thiết kế bộ lọc thông cao đơn giản: -

Đây là hình ảnh của bộ lọc Active High pass. Ở đây dòng vi phạm cho chúng ta thấy bộ lọc High pass RC thụ động truyền thống mà chúng ta đã thấy trong hướng dẫn trước.

Cắt tăng tần số và điện áp:

Công thức tần số cắt giống như được sử dụng trong bộ lọc thông cao thụ động.

fc = 1 / 2πRC

Như đã mô tả trong hướng dẫn trước, fc là tần số cắt và R là giá trị Điện trở và C là giá trị Tụ điện.

Hai điện trở được kết nối trong nút tích cực của op-amp là điện trở phản hồi. Khi các điện trở này được kết nối trong nút tích cực của op-amp, nó được gọi là cấu hình không đảo. Các điện trở này chịu trách nhiệm cho việc khuếch đại hoặc tăng ích.

Chúng ta cũng có thể dễ dàng tính toán độ lợi của bộ khuếch đại bằng cách sử dụng các phương trình sau, nơi chúng ta có thể chọn giá trị điện trở tương đương theo độ lợi hoặc nó có thể ngược lại: -

Độ lợi bộ khuếch đại (biên độ DC) (Af) = (1 + R3 / R2)

Đường cong đáp ứng tần số:

Hãy xem đâu sẽ là đầu ra của bộ lọc Thông cao Hoạt động hoặc biểu đồ Bode / Đường cong đáp ứng tần số: -

Đây là đường cong khuếch đại của op-amp và bộ lọc được kết nối qua bộ khuếch đại.

Đường cong màu xanh lá cây này hiển thị đầu ra khuếch đại của tín hiệu và đường cong màu đỏ hiển thị đầu ra không được khuếch đại qua bộ lọc thông cao thụ động.

Nếu chúng ta nhìn thấy đường cong chính xác hơn thì chúng ta sẽ tìm thấy các điểm bên dưới bên trong biểu đồ điềm báo này: -

Đường cong màu đỏ tăng ở mức 20dB / thập kỷ và trong vùng giới hạn, cường độ là -3dB, tức là biên độ pha 45 độ.

Như đã thảo luận trước đó rằng đáp ứng tần số tối đa của một op-amp được kết nối nhiều với độ lợi hoặc băng thông của nó (được gọi là độ lợi vòng hở Av).

Trong danh sách được cung cấp trước đây, chúng ta đã thấy các op-amp phổ biến điển hình như uA741, LM324N có độ lợi vòng hở tối đa 100dB, điều này sẽ giảm ở tốc độ cuộn -20dB mỗi thập kỷ nếu tần số đầu vào tăng. Tần số đầu vào tối đa được hỗ trợ bởi LM324N, uA741 là 1 Mhz, là băng thông hoặc tần số đạt được thống nhất. Ở tần số này, op-amp tương ứng sẽ tạo ra độ lợi 0dB hoặc độ lợi thống nhất giảm 20dB / thập kỷ.

Vì vậy, nó không phải là vô hạn, sau 1 MHz độ lợi sẽ giảm với tốc độ -20dB / thập kỷ. Băng thông của bộ lọc thông cao đang hoạt động phụ thuộc nhiều vào băng thông của op-amp.

Chúng ta có thể tính toán độ khuếch đại bằng cách chuyển đổi độ lợi điện áp op-amp.

Cách tính như sau: -

dB = 20log (Af) Af = Vin / Vout

Af này có thể là độ lợi Dc mà chúng ta đã mô tả trước đây bằng cách tính giá trị điện trở hoặc chia Vout với Vin.

Chúng ta cũng có thể thu được độ lợi điện áp từ tần số đặt vào bộ lọc (f) và tần số cắt (fc). Việc xác định mức tăng điện áp từ hai điều này rất đơn giản bằng cách sử dụng công thức này =

Nếu chúng ta đặt giá trị của f và fc, chúng ta sẽ nhận được điện áp mong muốn trên bộ lọc.

Mạch lọc bộ khuếch đại đảo ngược:

Chúng ta cũng có thể xây dựng bộ lọc theo hình dạng đảo ngược.

Biên độ pha có thể được tính theo phương trình sau.

Sự chuyển pha giống như được thấy trong bộ lọc thông cao Thụ động. Nó là +45 độ ở tần số cắt của fc.

Đây là cách triển khai mạch của bộ lọc thông cao hoạt động ngược: -

Nó là một bộ lọc thông cao đang hoạt động trong cấu hình đảo ngược. Op-amp được kết nối ngược lại. Trong phần trước, đầu vào được kết nối qua chân đầu vào tích cực của op-amp và chân âm của op-amp được sử dụng để tạo mạch phản hồi. Ở đây mạch đảo ngược. Đầu vào tích cực được kết nối với tham chiếu đất và tụ điện và điện trở phản hồi được kết nối qua chân đầu vào âm op-amp. Đây được gọi là cấu hình op-amp đảo ngược và tín hiệu đầu ra sẽ bị đảo ngược so với tín hiệu đầu vào.

Điện trở R1 hoạt động như một vai trò của bộ lọc thụ động và cũng như một điện trở tăng ích cùng một lúc.

Bộ lọc thông cao hoạt động tích cực tăng hoặc theo điện áp:

Cho đến bây giờ, mạch được mô tả ở đây được sử dụng cho mục đích tăng điện áp và khuếch đại sau.

Chúng tôi có thể làm cho nó bằng cách sử dụng một bộ khuếch đại độ lợi thống nhất, có nghĩa là biên độ hoặc độ lợi đầu ra sẽ là 1x. Vin = Vout.

Chưa kể, nó cũng là một cấu hình op-amp thường được mô tả là cấu hình theo điện áp trong đó op-amp tạo ra bản sao chính xác của tín hiệu đầu vào.

Hãy xem thiết kế mạch và cách định cấu hình op-amp làm bộ theo điện áp và làm cho bộ lọc thông cao hoạt động đạt được sự thống nhất: -

Trong hình ảnh này, mọi thứ giống hệt như bộ khuếch đại khuếch đại được sử dụng trong hình đầu tiên. các điện trở phản hồi của op-amp bị loại bỏ. Thay vì điện trở, chân đầu vào âm của op-amp được kết nối trực tiếp với op-amp đầu ra. Cấu hình op-amp này được gọi là cấu hình theo điện áp. Mức tăng là 1x. Nó là một bộ lọc thông cao đang hoạt động đạt được sự thống nhất. Nó sẽ tạo ra bản sao chính xác của tín hiệu đầu vào.

Ví dụ thực tế với Tính toán

Chúng tôi sẽ thiết kế một mạch gồm bộ lọc thông cao hoạt động trong cấu hình op-amp không đảo ngược.

Thông số kỹ thuật: -

Tăng sẽ là 2 lần
Tần số ngắt sẽ là 2KHz

Hãy tính toán giá trị đầu tiên trước khi tạo mạch: -

Độ lợi bộ khuếch đại (biên độ DC) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 2

R2 = 1k (Chúng tôi cần chọn một giá trị; chúng tôi đã chọn 1k để giảm độ phức tạp của phép tính).

Bằng cách đặt giá trị lại với nhau, chúng tôi nhận được

(2) = (1 + R3 / 1)

Chúng tôi đã tính toán giá trị của điện trở thứ ba (R3) là 1k.

Bây giờ chúng ta cần tính giá trị của điện trở theo tần số cắt. Khi bộ lọc Thông cao chủ động và bộ lọc Thông cao thụ động hoạt động theo cùng một cách, công thức cắt tần số giống như trước đây.

Hãy kiểm tra giá trị của tụ điện nếu tần số cắt là 2KHz, chúng ta chọn giá trị của tụ điện là 0,01uF hoặc 10nF.

fc = 1 / 2πRC

Bằng cách đặt tất cả giá trị lại với nhau, chúng tôi nhận được: -

2000 = 1 / 2π * 10 * 10 ^-9

Bằng cách giải quyết công thức này, chúng tôi nhận được giá trị của điện trở là 7,96 xấp xỉ.

Giá trị gần nhất được chọn của điện trở này là 8k Ohms.

Bước tiếp theo là tính toán độ lợi. Công thức của độ lợi giống như bộ lọc thông cao thụ động. Công thức của độ lợi hoặc độ lớn tính bằng dB như sau: -

Vì mức tăng của op-amp là 2x. Vậy Af là 2.

fc bị cắt tần nên giá trị của fc là 2Khz hoặc 2000Hz.

Bây giờ thay đổi tần số (f), chúng ta sẽ có được.

Tần số (f)	Tăng điện áp (Af) (Vout / Vin)	Tăng (dB) 20log (Vout / Vin)
100	.10	-20.01
250	.25	-12,11
500	.49	-6,28
750	.70	-3,07
1.000	.89	-0,97
2.000	1,41	3.01
5.000	1,86	5,38
10.000	1,96	5,85
50.000	2	6,01
100.000	2	6,02

Trong bảng này, từ 100 Hz, độ lợi được tăng tuần tự với tốc độ 20dB / thập kỷ nhưng sau khi đạt đến tần số cắt, độ lợi được tăng từ từ lên 6,02dB và không đổi.

Một điều cần lưu ý rằng Gain của op-amp là 2x. Vì lý do đó, tần số bị cắt là: -3dB đến 0dB (tăng 1x) đến + 3dB (tăng 2x)

Bây giờ khi chúng ta đã tính toán các giá trị, bây giờ là lúc để xây dựng mạch. Hãy cộng tất cả lại với nhau và xây dựng mạch: -

Chúng tôi xây dựng mạch dựa trên các giá trị được tính toán trước đó. Chúng tôi sẽ cung cấp tần số 10Hz đến 100KHz và 10 điểm mỗi thập kỷ ở đầu vào của bộ lọc Thông cao đang hoạt động và sẽ khảo sát thêm để xem liệu tần số cắt có phải là 2000Hz hay không ở đầu ra của bộ khuếch đại

Đây là đường cong đáp ứng tần số. Đường màu xanh lục thể hiện đầu ra Khuếch đại của bộ lọc là 2 x mức tăng. Và đường màu đỏ đại diện cho phản ứng bộ lọc trên đầu vào của bộ khuếch đại.

Chúng tôi đặt con trỏ ở tần số góc 3dB và nhận được 2.0106 KHz hoặc 2 KHz.

Như được mô tả trước khi bộ lọc thụ động đạt được -3dB nhưng khi tăng gấp đôi của mạch op-amp được thêm vào trên đầu ra được lọc, điểm cắt hiện là 3dB khi 3dB được thêm hai lần.

Xếp tầng và thêm nhiều bộ lọc hơn vào một Op-Amp

Có thể thêm nhiều bộ lọc hơn trên một op-amp như bộ lọc Thông cao đang hoạt động bậc hai. Trong trường hợp này giống như bộ lọc thụ động, bộ lọc RC bổ sung được thêm vào.

Hãy xem cách cấu tạo của mạch lọc thông cao hoạt động bậc hai.

Đây là bộ lọc thứ hai. Trong hình, chúng ta có thể thấy rõ hai bộ lọc được thêm vào với nhau. Đây là bộ lọc thông cao bậc hai.

Như bạn thấy có một op-amp. Mức tăng điện áp giống như đã nêu trước đó bằng cách sử dụng hai điện trở. Vì công thức độ lợi giống nhau, độ lợi điện áp là

Af = (1 + R2 / R1)

Tần số cắt là: -

Chúng tôi có thể thêm bộ lọc hoạt động vượt qua bậc cao hơn. Nhưng có một quy tắc.

Nếu chúng ta muốn tạo bộ lọc bậc ba, chúng ta có thể phân tầng bộ lọc bậc nhất và thứ hai.

Tương tự như hai bộ lọc thứ tự thứ hai tạo bộ lọc thứ tư và số tiền này được cộng lại mỗi lần.

Cascading Active High Pass Filter có thể được thực hiện như sau: -

Càng nhiều op-amp được thêm vào thì càng tăng thêm. Xem hình trên. Các số được viết trên op-amp đại diện cho giai đoạn đặt hàng. Giống như 1 = giai đoạn đặt hàng đầu tiên, 2 = giai đoạn đặt hàng thứ hai. Mỗi khi giai đoạn được thêm vào, cường độ khuếch đại cũng được thêm vào 20dB / thập kỷ cho mỗi giai đoạn được thêm vào. Giống như giai đoạn đầu tiên là 20dB / thập kỷ, Giai đoạn thứ hai là 20dB + 20dB = 40dB mỗi thập kỷ, v.v. Mỗi bộ lọc số chẵn bao gồm bộ lọc thứ hai, mọi số lẻ bao gồm bộ lọc thứ nhất và bộ lọc thứ hai, bộ lọc thứ nhất trên bộ lọc thứ nhất Chức vụ. Không có giới hạn nào về số lượng bộ lọc có thể được thêm vào, nhưng độ chính xác của bộ lọc sẽ giảm khi các bộ lọc bổ sung được thêm vào sau đó. Nếu giá trị bộ lọc RC tức là Điện trở và tụ điện giống nhau cho mỗi bộ lọc, thì tần số cắt cũng sẽ giống nhau, độ lợi tổng thể vẫn bằng nhau vì các thành phần tần số được sử dụng giống nhau.

Các ứng dụng

Bộ lọc thông cao chủ động có thể được sử dụng ở nhiều nơi mà bộ lọc thông cao thụ động không thể được sử dụng do hạn chế về độ lợi hoặc quy trình khuếch đại. Ngoài ra, bộ lọc Thông cao đang hoạt động có thể được sử dụng ở những nơi sau: -

Bộ lọc thông cao là mạch được sử dụng rộng rãi trong điện tử.

Dưới đây là một số ứng dụng: -

Cân bằng Treble trước khi Khuếch đại công suất
Bộ lọc liên quan đến Video tần số cao.
Máy hiện sóng và Máy phát chức năng.
Trước Loa để loại bỏ hoặc giảm tiếng ồn tần số thấp.
Thay đổi hình dạng tần số ở sóng khác với.
Bộ lọc tăng âm treble.