ตัวกรองความถี่สูงที่ใช้งานอยู่

ก่อนหน้านี้เราได้อธิบายเกี่ยวกับ Passive High Pass Filter และ Active Low Pass Filter แล้วตอนนี้ถึงเวลาสำหรับ Active High pass filter มาสำรวจกันว่า Active High Pass Filter คืออะไร

มันคืออะไรวงจรสูตรเส้นโค้ง?

เช่นเดียวกับเหมือนกรองความถี่ต่ำผ่านเรื่อย ๆ, ผ่านสูงเรื่อย ๆ งานกรองที่มีส่วนประกอบเรื่อย ๆ, ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุเราได้เรียนรู้ในบทช่วยสอนก่อนหน้านี้เกี่ยวกับตัวกรองความถี่สูงแบบพาสซีฟว่าทำงานได้โดยไม่มีการหยุดชะงักจากภายนอกหรือการตอบสนองที่ใช้งานอยู่

หากเราเพิ่มเครื่องขยายเสียงผ่านตัวกรองความถี่สูงแบบพาสซีฟเราสามารถสร้างตัวกรองความถี่สูงแบบแอคทีฟได้อย่างง่ายดาย การเปลี่ยนการกำหนดค่าเครื่องขยายเสียงเรายังสามารถสร้างตัวกรองความถี่สูงประเภทต่างๆกลับด้านหรือไม่กลับด้านหรือเอกภาพได้รับตัวกรองความถี่สูงที่ใช้งานอยู่

เพื่อประโยชน์ของความเรียบง่ายที่มีประสิทธิภาพเวลาและยังเป็นเทคโนโลยีที่กำลังเติบโตในการออกแบบสหกรณ์แอมป์, ทั่วไปสหกรณ์แอมป์จะใช้สำหรับการออกแบบตัวกรองที่ใช้งานอยู่

ในตัวกรองความถี่สูงแบบพาสซีฟการตอบสนองความถี่จะไม่มีที่สิ้นสุด แต่ในสถานการณ์จริงนั้นขึ้นอยู่กับส่วนประกอบและปัจจัยอื่น ๆ อย่างมากในกรณีของตัวกรองความถี่สูงที่ใช้งานอยู่แบนด์วิดท์ op-amp เป็นข้อ จำกัด หลักของตัวกรองความถี่สูงที่ใช้งานอยู่ นั่นหมายความว่าความถี่สูงสุดจะส่งผ่านขึ้นอยู่กับอัตราขยายของแอมพลิฟายเออร์และคุณสมบัติลูปเปิดของออปแอมป์

Let 's สำรวจกี่สหกรณ์แอมป์ทั่วไปวงเปิดกำไรแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง

Op-amp	แบนด์วิดท์ (dB)	ความถี่สูงสุด
LM258	100	1MHz
uA741	100	1MHz
RC4558D	35	3 เมกะเฮิร์ตซ์
TL082	110	3 เมกะเฮิร์ตซ์
LM324N	100	1MHz

นี่เป็นรายการเล็ก ๆ เกี่ยวกับ op-amp ทั่วไปและมีแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น นอกจากนี้แรงดันไฟฟ้าที่ได้รับส่วนใหญ่จะขึ้นอยู่กับความถี่ของสัญญาณและแรงดันไฟฟ้าขาเข้าของ op-amp และปริมาณการรับที่ใช้ใน op-amp นั้น

มาสำรวจเพิ่มเติมและทำความเข้าใจว่ามีอะไรพิเศษเกี่ยวกับมัน: -

นี่คือการออกแบบตัวกรอง High Pass แบบธรรมดา: -

นี่คือภาพของ Active High pass filter ที่นี่บรรทัดการละเมิดแสดงให้เราเห็นตัวกรอง Passive High pass แบบดั้งเดิมที่เราเห็นในบทช่วยสอนก่อนหน้านี้

ตัดความถี่และแรงดันที่เพิ่มขึ้น:

สูตรความถี่การตัดจะเหมือนกับที่ใช้ในตัวกรองความถี่สูงแบบพาสซีฟ

fc = 1 / 2πRC

ตามที่อธิบายไว้ในบทช่วยสอนก่อนหน้านี้ fc คือความถี่ตัดและ R คือค่าตัวต้านทานและ C คือค่าตัวเก็บประจุ

ตัวต้านทานสองตัวที่เชื่อมต่อในโหนดบวกของ op-amp คือตัวต้านทานแบบป้อนกลับ เมื่อตัวต้านทานเหล่านี้เชื่อมต่อในโหนดบวกของ op-amp จะเรียกว่าการกำหนดค่าแบบไม่กลับด้าน ตัวต้านทานเหล่านี้มีหน้าที่ในการขยายหรือการขยาย

นอกจากนี้เรายังสามารถคำนวณกำไรของแอมพลิฟายเออร์ได้อย่างง่ายดายโดยใช้สมการต่อไปนี้ซึ่งเราสามารถเลือกค่าตัวต้านทานที่เท่ากันได้ตามอัตราขยายหรืออาจกลับกันได้: -

แอมป์ขยาย (แอมพลิจูด DC) (Af) = (1 + R3 / R2)

เส้นโค้งตอบสนองความถี่:

มาดูกันว่าผลลัพธ์ของ Active High pass filter หรือ Bode plot / Frequency response curve จะเป็นอย่างไร: -

นี่คือเส้นโค้งอัตราขยายของ op-amp และตัวกรองที่เชื่อมต่อผ่านเครื่องขยายเสียง

เส้นโค้งสีเขียวนี้แสดงเอาต์พุตขยายสัญญาณและเส้นสีแดงแสดงเอาต์พุตที่ไม่มีการขยายสัญญาณผ่านตัวกรองความถี่สูงแบบพาสซีฟ

หากเราเห็นเส้นโค้งที่แม่นยำยิ่งขึ้นเราจะพบจุดด้านล่างในพล็อตลางนี้: -

เส้นโค้งสีแดงเพิ่มขึ้นที่ 20dB / ทศวรรษและในบริเวณคัตออฟขนาดคือ -3dB ซึ่งเป็นระยะขอบ 45 องศา

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ว่าการตอบสนองความถี่สูงสุดของ op-amp นั้นเชื่อมต่ออย่างมากกับอัตราขยายหรือแบนด์วิดท์ (เรียกว่าการขยายวงเปิด Av)

ในรายการที่ให้ไว้ก่อนที่เราจะได้เห็น op-amp ทั่วไปเช่น uA741 LM324N มีอัตราขยายวงเปิดสูงสุด 100dB ซึ่งจะลดลงที่อัตราการปิดที่ -20dB ต่อทศวรรษหากความถี่อินพุตเพิ่มขึ้น ความถี่สูงสุดที่สนับสนุนโดย LM324N, uA741 1 Mhz ซึ่งเป็นแบนด์วิดธ์กำไรสามัคคีหรือความถี่ที่ความถี่นี้ op-amp ตามลำดับจะให้กำไร 0dB หรือการเพิ่มเอกภาพลดลง 20dB / ทศวรรษ

ดังนั้นจึงไม่สิ้นสุดหลังจาก 1 MHz อัตราขยายจะลดลงที่อัตรา -20dB / ทศวรรษ แบนด์วิดท์ของตัวกรองความถี่สูงที่ใช้งานอยู่นั้นขึ้นอยู่กับแบนด์วิดท์ของ op-amp เป็นอย่างมาก

เราสามารถคำนวณขนาดเกนได้โดยการแปลงค่าแรงดันไฟฟ้าของ op-amp

การคำนวณมีดังนี้: -

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

Af นี้สามารถเป็น Dc Gain ที่เราอธิบายไว้ก่อนหน้านี้โดยการคำนวณค่าตัวต้านทานหรือหาร Vout ด้วย Vin

นอกจากนี้เรายังสามารถรับแรงดันไฟฟ้าจากความถี่ที่ใช้กับตัวกรอง (f) และความถี่ตัด (fc) การหาค่าแรงดันไฟฟ้าจากทั้งสองนี้ทำได้ง่ายมากโดยใช้สูตรนี้ =

ถ้าเราใส่ค่า f และ fc เราจะได้ค่าแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการในตัวกรอง

วงจรกรอง Inverting Amplifier:

นอกจากนี้เรายังสามารถสร้างตัวกรองในรูปแบบกลับด้าน

ระยะขอบเฟสสามารถหาได้จากสมการต่อไปนี้

การกะระยะจะเหมือนกับที่เห็นใน Passive high pass filter มันคือ +45 องศาที่ความถี่คัทออฟของ fc

นี่คือการใช้วงจรของตัวกรองความถี่สูงที่ใช้งานกลับด้าน: -

เป็นตัวกรองความถี่สูงที่ใช้งานอยู่ในการกำหนดค่ากลับด้าน op-amp เชื่อมต่อแบบผกผัน ในส่วนก่อนหน้านี้อินพุตเชื่อมต่อผ่านพินอินพุตบวกของ op-amp และใช้พินลบของ op-amp เพื่อสร้างวงจรป้อนกลับ ที่นี่วงจรกลับหัว อินพุตบวกที่เชื่อมต่อกับการอ้างอิงกราวด์และตัวเก็บประจุและตัวต้านทานป้อนกลับที่เชื่อมต่อผ่านพินอินพุตเชิงลบของ op-amp สิ่งนี้เรียกว่าการกำหนดค่า op-amp แบบกลับด้านและสัญญาณเอาต์พุตจะกลับด้านกว่าสัญญาณอินพุต

ตัวต้านทาน R1 ทำหน้าที่เป็นตัวกรองแบบพาสซีฟและยังเป็นตัวต้านทานอัตราขยายทั้งสองในคราวเดียว

Unity Gain หรือ Voltage Follower Active High Pass Filter:

จนถึงตอนนี้วงจรที่อธิบายไว้ที่นี่จะใช้สำหรับการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าและวัตถุประสงค์ในการขยายสัญญาณหลัง

เราสามารถทำให้มันโดยใช้เครื่องขยายเสียงกำไรสามัคคีที่หมายถึงความกว้างการส่งออกหรือได้รับจะเป็น1xVin = Vout

ไม่ต้องพูดถึงนอกจากนี้ยังเป็นการกำหนดค่า op-amp ซึ่งมักอธิบายว่าเป็นการกำหนดค่าตัวติดตามแรงดันไฟฟ้าที่ op-amp สร้างแบบจำลองของสัญญาณอินพุตที่แน่นอน

มาดูการออกแบบวงจรและวิธีกำหนดค่า op-amp เป็นตัวติดตามแรงดันไฟฟ้าและทำให้ตัวกรองความถี่สูงที่ใช้งานได้รับความสามัคคี: -

ในภาพนี้ทุกอย่างเหมือนกับเครื่องขยายเสียงที่ใช้ในรูปแรก ตัวต้านทานแบบป้อนกลับของ op-amp จะถูกลบออก แทนที่จะเป็นตัวต้านทานขาอินพุตเชิงลบของ op-amp ที่เชื่อมต่อโดยตรงกับเอาต์พุต op-amp การกำหนดค่า op-amp นี้จะเรียกว่าเป็นการกำหนดค่าติดตามแรงดันไฟฟ้ากำไรคือ 1x เป็นตัวกรองความถี่สูงที่ได้รับเอกภาพ มันจะสร้างแบบจำลองที่แน่นอนของสัญญาณอินพุต

ตัวอย่างการปฏิบัติด้วยการคำนวณ

เราจะออกแบบวงจรของตัวกรองความถี่สูงที่ใช้งานอยู่ในการกำหนดค่า op-amp แบบไม่กลับด้าน

ข้อมูลจำเพาะ: -

1. กำไรจะเป็น 2x
2. ความถี่การตัดจะเป็น 2 กิโลเฮิร์ตซ์

มาคำนวณค่ากันก่อนสร้างวงจร: -

แอมพลิฟายเออร์ที่ได้รับ (แอมพลิจูด DC) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 2

R2 = 1k (เราต้องเลือกหนึ่งค่าเราเลือก 1k เพื่อลดความซับซ้อนของการคำนวณ)

เราจะได้รับคุณค่าด้วยการใส่มูลค่าเข้าด้วยกัน

(2) = (1 + R3 / 1)

เราคำนวณค่าของตัวต้านทานที่สาม (R3) เป็น1k

ตอนนี้เราต้องคำนวณค่าของตัวต้านทานตามความถี่ตัด เนื่องจากตัวกรองความถี่สูงที่ใช้งานอยู่และตัวกรองความถี่สูงแบบพาสซีฟทำงานในลักษณะเดียวกับสูตรการตัดความถี่จะเหมือนเดิม

ตรวจสอบค่าของตัวเก็บประจุถ้าความถี่ตัดคือ 2KHz เราเลือกค่าของตัวเก็บประจุคือ 0.01uF หรือ 10nF

fc = 1 / 2πRC

โดยการรวมมูลค่าทั้งหมดเข้าด้วยกันเราจะได้รับ: -

2000 = 1 / 2π * 10 * 10 ^-9

โดยการแก้ equitation นี้เราได้รับค่าของตัวต้านทานคือ 7.96 โดยประมาณ

ค่าที่ใกล้ที่สุดจะถูกเลือกของตัวต้านทานนี้ 8k โอห์ม

ขั้นตอนต่อไปคือการคำนวณกำไร สูตรของอัตราขยายจะเหมือนกับตัวกรองความถี่สูงแบบพาสซีฟ สูตรการได้รับหรือขนาดเป็น dB มีดังนี้: -

เนื่องจากอัตราขยายของ op-amp คือ 2x ดังนั้น Af คือ 2.

fc จึงถูกตัดความถี่ดังนั้นค่าของ fc คือ 2Khz หรือ 2000Hz

ตอนนี้เปลี่ยนความถี่ (f) เราได้รับ

ความถี่ (f)	แรงดันไฟฟ้า (Af) (Vout / Vin)	กำไร (dB) 20log (Vout / Vin)
100	.10	-20.01 น
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

ในตารางนี้จาก 100 Hz อัตราขยายจะเพิ่มขึ้นตามลำดับในอัตรา 20dB / ทศวรรษ แต่หลังจากถึงความถี่คัตออฟแล้วอัตราขยายจะเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆเป็น 6.02dB และคงที่

สิ่งหนึ่งที่ต้องเตือนว่า Gain ของ op-amp คือ 2x ด้วยเหตุนี้ความถี่ในการตัดคือ: -3dB ถึง 0dB (1x gain) ถึง + 3dB (2x gain)

ตอนนี้เมื่อเราคำนวณค่าเรียบร้อยแล้วก็ถึงเวลาสร้างวงจร มารวมกันและสร้างวงจร: -

เราสร้างวงจรตามค่าที่คำนวณก่อนหน้านี้ เราจะให้ความถี่10Hz ถึง 100KHzและ10 จุดต่อทศวรรษที่อินพุตของ High pass filter ที่ใช้งานอยู่และจะตรวจสอบเพิ่มเติมเพื่อดูว่าความถี่คัตออฟคือ2000Hzหรือไม่ที่เอาต์พุตของเครื่องขยายเสียง

นี้เป็นเส้นโค้งตอบสนองความถี่เส้นสีเขียวแสดงถึงเอาต์พุตแบบขยายของตัวกรองซึ่งได้รับ 2 x และเส้นสีแดงแสดงการตอบสนองของตัวกรองระหว่างอินพุตของเครื่องขยายเสียง

เราตั้งค่าเคอร์เซอร์ที่3dBเป็นความถี่มุมและรับ 2.0106 KHz หรือ 2 KHz

ตามที่อธิบายไว้ก่อนที่ตัวกรองแบบพาสซีฟจะได้รับ -3dB แต่เมื่อเพิ่มวงจร op-amp 2x ที่เพิ่มในเอาต์พุตที่กรองแล้วจุดตัดคือ 3dB เนื่องจาก 3dB เพิ่มสองครั้ง

เรียงซ้อนและเพิ่มฟิลเตอร์เพิ่มเติมให้กับ Op-Amp หนึ่งตัว

เป็นไปได้ที่จะเพิ่มตัวกรองใน op-amp เช่นลำดับที่สองที่ใช้งาน High pass filter ในกรณีเช่นเดียวกับตัวกรองแบบพาสซีฟจะมีการเพิ่มตัวกรอง RC เพิ่มเติม

มาดูกันว่าวงจรกรองความถี่สูงแบบแอคทีฟลำดับที่สองถูกสร้างขึ้นอย่างไร

นี่คือตัวกรองลำดับที่สอง ในภาพเราสามารถเห็นได้อย่างชัดเจนว่ามีการเพิ่มตัวกรองทั้งสองเข้าด้วยกัน นี่คือตัวกรองความถี่สูงลำดับที่สอง

อย่างที่คุณเห็นมี op-amp หนึ่งตัว แรงดันไฟฟ้าที่ได้รับจะเหมือนกับที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้โดยใช้ตัวต้านทานสองตัว เนื่องจากสูตรเกนเหมือนกันค่าเกนของแรงดันไฟฟ้าคือ

Af = (1 + R2 / R1)

ความถี่ในการตัดคือ: -

เราสามารถเพิ่มตัวกรองแอคทีฟ high pass ลำดับที่สูงขึ้นได้ แต่มีกฎข้อหนึ่ง

หากเราต้องการสร้างตัวกรองลำดับที่สามเราสามารถเรียงลำดับตัวกรองลำดับที่หนึ่งและสองได้

เช่นเดียวกับตัวกรองลำดับที่สองสองตัวสร้างตัวกรองลำดับที่สี่และผลรวมนี้จะถูกเพิ่มในแต่ละครั้ง

Cascading Active High Pass Filterสามารถทำได้ดังนี้: -

ยิ่งเพิ่ม op-amp มากเท่าไหร่ก็ยิ่งเพิ่มกำไรมากเท่านั้น ดูรูปด้านบน ตัวเลขที่เขียนบน op-amp เป็นตัวแทนของลำดับขั้น เช่น 1 = ลำดับขั้นที่ 1 2 = ลำดับที่ 2 ทุกครั้งที่เพิ่มสเตจจะมีการเพิ่มขนาดอัตราขยาย 20dB / ทศวรรษสำหรับแต่ละสเตจ. เช่นเดียวกับขั้นตอนแรกคือ 20dB / ทศวรรษขั้นที่ 2 คือ 20dB + 20dB = 40dB ต่อทศวรรษเป็นต้นตัวกรองเลขคู่ทุกตัวประกอบด้วยตัวกรองลำดับที่สองทุกหมายเลขคี่ประกอบด้วยลำดับแรกและตัวกรองลำดับที่สองตัวกรองลำดับแรกในลำดับแรก ตำแหน่ง. ไม่มีข้อ จำกัด เกี่ยวกับจำนวนตัวกรองที่สามารถเพิ่มได้ แต่ความแม่นยำของตัวกรองจะลดลงเมื่อมีการเพิ่มตัวกรองเพิ่มเติมในภายหลัง หากค่าตัวกรอง RC เช่นตัวต้านทานและตัวเก็บประจุเหมือนกันสำหรับแต่ละตัวกรองความถี่ตัดจะเท่ากันเช่นกันกำไรโดยรวมจะยังคงเท่ากันเนื่องจากส่วนประกอบความถี่ที่ใช้เหมือนกัน

การใช้งาน

สามารถใช้ตัวกรองความถี่สูงแบบแอคทีฟได้ในหลายสถานที่ที่ไม่สามารถใช้ตัวกรองความถี่สูงแบบพาสซีฟได้เนื่องจากข้อ จำกัด เกี่ยวกับอัตราขยายหรือขั้นตอนการขยาย นอกจากนั้นยังสามารถใช้ตัวกรอง High pass ที่ใช้งานได้ในสถานที่ต่อไปนี้: -

วงจรกรองความถี่สูงใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

นี่คือแอปพลิเคชั่นบางส่วน: -

1. การปรับเสียงแหลมก่อนการขยายกำลัง
2. ตัวกรองที่เกี่ยวข้องกับวิดีโอความถี่สูง
3. ออสซิลโลสโคปและเครื่องกำเนิดฟังก์ชัน
4. ก่อนลำโพงดังสำหรับการลบหรือลดเสียงรบกวนความถี่ต่ำ
5. การเปลี่ยนรูปร่างความถี่ที่คลื่นต่างจาก.
6. ตัวกรองเพิ่มเสียงแหลม