Bộ lọc thông thấp đang hoạt động

Trước đây chúng tôi đã mô tả bộ lọc thông thấp thụ động, trong hướng dẫn này chúng ta sẽ khám phá Bộ lọc thông thấp chủ động là gì.

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

Như chúng ta đã biết từ hướng dẫn trước, bộ lọc thông thấp thụ động hoạt động với các thành phần thụ động. Chỉ có hai thành phần thụ động điện trở và tụ điện là chìa khóa hoặc trái tim của một mạch lọc thông thấp thụ động. Chúng ta đã biết trong các hướng dẫn trước rằng bộ lọc thông thấp thụ động hoạt động mà không có bất kỳ gián đoạn bên ngoài hoặc phản hồi tích cực nào. Nhưng nó có những hạn chế nhất định.

Hạn chế của bộ lọc Passive Low pass như sau: -

Tổng trở của mạch tạo ra mất biên độ. Vì vậy Vout luôn ít hơn Vin.
Khuếch đại không thể được thực hiện chỉ với bộ lọc thông thấp thụ động.
Các đặc tính của bộ lọc phụ thuộc rất nhiều vào trở kháng tải.
Độ lợi luôn bằng hoặc nhỏ hơn độ lợi đoàn kết.
Càng nhiều giai đoạn lọc hoặc thứ tự bộ lọc được thêm vào, sự mất biên độ càng trở nên ít hơn.

Do hạn chế này, nếu cần Khuếch đại, cách tốt nhất là thêm một thành phần hoạt động sẽ khuếch đại đầu ra đã lọc. Khuếch đại này được thực hiện bởi bộ khuếch đại hoạt động hoặc op-amp. Vì điều này yêu cầu nguồn điện áp, nó là một thành phần hoạt động. Do đó có tên Active low pass filter.

Một bộ khuếch đại điển hình lấy công suất từ nguồn điện bên ngoài và khuếch đại tín hiệu nhưng nó có tính linh hoạt cao vì chúng ta có thể thay đổi băng tần linh hoạt hơn. Ngoài ra, tùy thuộc vào yêu cầu mà người dùng hoặc nhà thiết kế lựa chọn loại thành phần tích cực nào. Nó có thể là Fet, Jfet, Transistor, Op-Amp bao gồm rất nhiều tính linh hoạt. Việc lựa chọn thành phần cũng phụ thuộc vào chi phí và hiệu quả nếu nó được thiết kế cho một sản phẩm sản xuất hàng loạt.

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.

Hãy xem lý do tại sao chúng ta nên chọn và op-amp để thiết kế bộ lọc thông thấp Hoạt động: -

Trở kháng đầu vào cao.

Do trở kháng đầu vào cao, tín hiệu đầu vào không thể bị phá hủy hoặc thay đổi. Nói chung hoặc trong hầu hết các trường hợp, tín hiệu đầu vào có biên độ rất thấp có thể bị phá hủy nếu nó được sử dụng làm mạch trở kháng thấp. Op-Amp có một điểm cộng trong những trường hợp như vậy.
Số lượng thành phần rất thấp. Chỉ cần vài điện trở.
Có nhiều loại op-amp khác nhau tùy thuộc vào độ lợi, đặc điểm kỹ thuật điện áp.
Tiếng ồn thấp.
Dễ dàng thiết kế và thực hiện hơn.

Nhưng như chúng ta biết không có gì là hoàn hảo, thiết kế Active filter này cũng có một số hạn chế nhất định.

Độ lợi đầu ra và băng thông cũng như đáp ứng tần số phụ thuộc vào thông số kỹ thuật op-amp.

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

Bộ lọc thông thấp hoạt động có khuếch đại:

Trước khi tìm hiểu thiết kế bộ lọc thông thấp chủ động với op-amp, chúng ta cần biết một chút về Bộ khuếch đại. Amplify là một kính lúp, nó tạo ra một bản sao của những gì chúng ta nhìn thấy nhưng ở dạng lớn hơn để nhận ra nó tốt hơn.

Trong hướng dẫn đầu tiên về bộ lọc Thông thấp thụ động, chúng ta đã tìm hiểu bộ lọc Thông thấp là gì. Bộ lọc thông thấp lọc bỏ tần số thấp và chặn tần số cao hơn của tín hiệu hình sin AC. Bộ lọc thông thấp hoạt động này hoạt động giống như bộ lọc thông thấp thụ động, chỉ khác là ở đây một thành phần phụ được thêm vào, nó là một bộ khuếch đại như op-amp.

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

Đây là hình ảnh của Active low pass filter. Ở đây dòng vi phạm cho chúng ta thấy bộ lọc RC thông thấp 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 thấp 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 có thể dễ dàng tính toán độ lợi của bộ khuếch đại bằng cách sử dụng các phương trình sau đây, 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 + R2 / R3)

Đường cong đáp ứng tần số:

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

Đây là đầu ra cuối cùng của bộ lọc Active Low pass trong cấu hình op-amp không đảo ngược. Chúng tôi sẽ xem giải thích chi tiết trong hình ảnh tiếp theo.

Như chúng ta thấy điều này giống hệt với bộ lọc thông thấp thụ động. Từ tần số bắt đầu đến điểm cắt Fc hoặc tần số hoặc tần số góc sẽ bắt đầu từ điểm -3dB. Độ lợi là 20dB trong hình ảnh này, vì vậy tần số cắt là 20dB - 3dB = 17dB tại vị trí của điểm fc. Độ dốc là -20dB mỗi thập kỷ.

Không phân biệt bộ lọc, từ điểm bắt đầu đến điểm tần số cắt, nó được gọi là Băng thông của bộ lọc và sau đó, nó được gọi là băng thông mà từ đó tần số đi qua được phép.

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 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.

Mạch lọc bộ khuếch đại không đảo và đảo ngược:

Mạch lọc thông thấp tích cực này hiển thị ở phần đầu cũng có một hạn chế. Tính ổn định của nó có thể bị ảnh hưởng nếu trở kháng nguồn tín hiệu thay đổi. Ví dụ: giảm hoặc tăng.

Một phương pháp thiết kế tiêu chuẩn có thể cải thiện độ ổn định, loại bỏ tụ điện khỏi đầu vào và kết nối nó song song với điện trở phản hồi thứ hai op-amp.

Đây là mạch Bộ lọc thông thấp hoạt động không đảo ngược-

Trong hình này, nếu chúng ta so sánh điều này với mạch được mô tả ở phần đầu, chúng ta có thể thấy rằng vị trí của tụ điện được thay đổi để ổn định liên quan đến trở kháng. Trong cấu hình này, trở kháng bên ngoài không ảnh hưởng đến điện kháng của tụ điện, do đó độ ổn định được cải thiện.

Trên cùng một cấu hình, nếu chúng ta muốn đảo ngược tín hiệu đầu ra thì chúng ta có thể chọn cấu hình tín hiệu đảo ngược của op-amp và có thể kết nối bộ lọc với op-amp ngược đó.

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

Nó là một bộ lọc thông thấp 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 mặt 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.

Unity Gain hoặc Bộ lọc thông thấp hoạt động theo điện áp:

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

Chúng ta 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 giống như đầu vào: 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 cấu hình op-amp làm bộ theo điện áp và làm cho bộ lọc thông thấp hoạt động đạt được sự thống nhất: -

Trong hình ảnh này, các điện trở phản hồi của op-amp được 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 thấp 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 của bộ lọc thông thấp hoạt động trong cấu hình op-amp không đảo ngược.

Thông số kỹ thuật: -

Trở kháng đầu vào 10kohms
Tăng sẽ là 10 lần
Tần số ngắt sẽ là 320Hz

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 = 10

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

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

(10) = (1 + R3 / 1)

Chúng tôi đã tính được giá trị của điện trở thứ ba là 9k.

Bây giờ chúng ta cần tính giá trị của điện trở theo tần số cắt. Khi bộ lọc thông thấp chủ động và bộ lọc thông thấp 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 320Hz, ta chọn giá trị của biến trở là 4,7k.

fc = 1 / 2πRC

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

Bằng cách giải quyết vấn đề này, chúng tôi nhận được giá trị của tụ điện xấp xỉ 106nF.

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

20log (Af)

Khi mức tăng của op-amp là 10x thì cường độ tính theo dB là 20log (10). Đây là 20dB.

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 1500Hz và 10 điểm mỗi thập kỷ ở đầu vào của bộ lọc thông thấp đang hoạt động và sẽ khảo sát thêm để xem liệu tần số cắt có phải là 320Hz hay không ở đầu ra của bộ khuếch đại.

Đây là đường cong đáp ứng tần số. Đường màu xanh lục bắt đầu từ 10Hz đến 1500Hz vì tín hiệu đầu vào chỉ được cung cấp cho dải tần số đó.

Như chúng ta biết rằng tần số góc sẽ luôn ở -3dB so với độ lớn khuếch đại cực đại. Ở đây mức tăng là 20dB. Vì vậy, nếu chúng ta tìm ra điểm -3dB sẽ nhận được tần số chính xác nơi bộ lọc dừng các tần số cao hơn.

Chúng tôi đặt con trỏ ở 17 db làm tần số góc (20dB-3dB = 17dB) và nhận được 317,950Hz hoặc 318Hz gần với 320Hz.

Chúng ta có thể thay đổi giá trị tụ điện thành giá trị chung là 100nF và chưa kể tần số góc cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi vài Hz.

Bộ lọc thông thấp hoạt động thứ hai:

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

Hãy xem mạch lọc bậc 2 được cấu tạo như thế nào.

Đây là bộ lọc thứ hai. Trong hình trên, chúng ta có thể thấy rõ hai bộ lọc được thêm vào với nhau. Đây là bộ lọc thứ hai. Nó là một bộ lọc được sử dụng rộng rãi và ứng dụng công nghiệp là Mạch khuếch đại, Hệ thống âm nhạc trước khi Khuếch đại Công suất.

Như bạn thấy có một op-amp. Mức tăng điện áp giống như đã nêu trước đó bằng cách sử dụng hai điện trở.

(Af) = (1 + R3 / R2)

Tần số cắt là

Một điều thú vị cần nhớ nếu chúng ta muốn thêm nhiều op-amp bao gồm các bộ lọc thứ tự đầu tiên, mức tăng sẽ được nhân với từng cá nhân. Bối rối? Có thể là một giản đồ sẽ giúp chúng tôi.

Càng nhiều op-amp được thêm vào thì độ lợi càng được nhân lên. Xem hình trên, Trong hình này hai op-amp xếp tầng với op-amp riêng lẻ. Trong mạch này, amp op Cascaded, Nếu cái đầu tiên có mức tăng 10x và cái thứ hai có mức tăng 5x thì tổng mức tăng sẽ là 5 x 10 = 50x.

Vì vậy, độ lớn của mạch lọc thông thấp op-amp xếp tầng trong trường hợp có hai op-amp là: -

dB = 20log (50)

Bằng cách giải phương trình này, nó là 34dB. Vì vậy, độ lợi của công thức độ lợi bộ lọc thông thấp op-amp theo tầng là

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

Trong đó TdB = Tổng độ lớn

Đây là cách bộ lọc thông thấp hoạt động được xây dựng. Trong hướng dẫn tiếp theo, chúng ta sẽ xem cách xây dựng bộ lọc thông cao Active. Nhưng trước khi hướng dẫn tiếp theo, chúng ta hãy xem các ứng dụng của Active low pass filter là gì: -

Các ứng dụng

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

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

Dưới đây là một số ứng dụng của Bộ lọc thông thấp hoạt động: -

Cân bằng âm trầm trước khi Khuếch đại công suất
Bộ lọc liên quan đến video.
Máy hiện sóng
Hệ thống điều khiển âm nhạc và điều chỉnh tần số Bass cũng như trước loa trầm và loa âm trầm cao để phát ra âm trầm.
Chức năng Máy phát điện để cung cấp tần số thấp thay đổi ở mức điện áp khác nhau.
Thay đổi hình dạng tần số ở sóng khác với.