ตัวกรองความถี่สูงแบบพาสซีฟ

ก่อนหน้านี้เราได้พูดถึง Passive Low Pass Filter ตอนนี้ถึงเวลาดูข้อมูลเชิงลึกของตัวกรองความถี่สูงแบบพาสซีฟ

เช่นเดียวกับก่อนหน้านี้หากคุณดูชื่อจะแสดงเป็น"Passive", "High", "Pass" และ "Filter" ดังนั้นตามชื่อมันเป็นตัวกรองที่จะปิดกั้นความถี่ต่ำแต่ส่งผ่านความถี่สูงเหนือค่าที่กำหนดไว้ล่วงหน้าซึ่งจะคำนวณโดยสูตร

มันคือ"passive"ซึ่งหมายถึงไม่มีไฟภายนอกไม่มีการขยายสัญญาณอินพุต เราจะสร้างวงจรโดยใช้ส่วนประกอบ“ พาสซีฟ” ซึ่งไม่ต้องใช้แหล่งพลังงานภายนอกใด ๆ ส่วนประกอบแบบพาสซีฟเหมือนกับตัวกรองความถี่ต่ำ แต่ลำดับการเชื่อมต่อจะกลับกันทุกประการ ส่วนประกอบแบบพาสซีฟคือตัวต้านทาน (R) และ

ตัวเก็บประจุ (C) อีกครั้งเป็นการกำหนดค่าตัวกรอง RC

มาดูกันว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าเราสร้างวงจรและตรวจสอบการตอบสนองหรือ“ Bode Plot”…

นี่คือวงจรในภาพนี้:

นี่คือตัวกรอง RC โดยทั่วไปสัญญาณอินพุตจะใช้กับการรวมกันของตัวเก็บประจุและตัวต้านทานที่ไม่ใช่โพลาไรซ์ชุดนี้ เป็นตัวกรองลำดับแรกเนื่องจากมีส่วนประกอบปฏิกิริยาเพียงตัวเดียวในวงจรที่เป็นตัวเก็บประจุ เอาต์พุตที่กรองแล้วจะพร้อมใช้งานในตัวต้านทาน การรวมกันของ duo นี้ตรงข้ามกับ low pass filter ถ้าเราเปรียบเทียบวงจรกับตัวกรองความถี่ต่ำเราจะเห็นว่าตำแหน่งของตัวต้านทานและตัวเก็บประจุมีการเปลี่ยนแปลง

High Pass Filter ทำงานอย่างไร?

ที่ความถี่ต่ำรีแอคแตนซ์ของตัวเก็บประจุจะมีขนาดใหญ่มากซึ่งจะทำหน้าที่เหมือนวงจรเปิดและปิดกั้นสัญญาณอินพุตด้านล่างจุดความถี่ตัด (fc) แต่เมื่อจุดตัดความถี่ถึงรีแอคแตนซ์ของตัวเก็บประจุจะเริ่มลดและยอมให้สัญญาณผ่านโดยตรง เราจะเห็นสิ่งนี้โดยละเอียดในเส้นโค้งการตอบสนองความถี่

นี่คือเส้นโค้งที่มีลักษณะเหมือนกันที่เอาต์พุตของตัวเก็บประจุ: -

การตอบสนองความถี่และความถี่ในการตัด

นี่คือเส้นโค้งการตอบสนองความถี่ของวงจรกรองความถี่สูงลำดับแรกนั้น

f c คือความถี่คัตออฟของฟิลเตอร์ ที่จุด-3dBสัญญาณอนุญาตให้ส่งผ่าน นี้ -3dBยังหมายถึงการตัดความถี่ จาก 10Hz ถึงความถี่ตัดสัญญาณไม่ได้รับอนุญาตให้ส่งผ่านเนื่องจากความถี่เป็นความถี่ต่ำ ณ จุดนี้เป็นส่วนของแถบหยุดที่สัญญาณไม่ได้รับอนุญาตให้ส่งผ่านจากตัวกรอง แต่อยู่เหนือความถี่ตัดหลังจาก-3dBส่วนที่เรียกว่าเป็นตำแหน่งวงผ่านที่สัญญาณอนุญาตให้ส่งผ่าน ความลาดชันของเส้นโค้งคือ+ 20dB ต่อทศวรรษ ตรงข้ามกับตัวกรองความถี่ต่ำ

สูตรการคำนวณกำไรจะเหมือนกับที่เราใช้ในบทช่วยสอนก่อนหน้านี้ในตัวกรองความถี่ต่ำแบบพาสซีฟ

กำไร (dB) = 20 บันทึก (Vout / Vin)

หลังจากที่สัญญาณตัดการตอบสนองของวงจรค่อยๆเพิ่มขึ้นถึงVin จาก 0และเพิ่มขึ้นนี้เกิดขึ้นในอัตราเร่ง + 20dB / ทศวรรษ ถ้าเราคำนวณการเพิ่มขึ้นต่ออ็อกเทฟมันจะเป็น 6dB

เส้นโค้งการตอบสนองความถี่นี้เป็นBode Plotของ High pass filter ด้วยการเลือกตัวเก็บประจุที่เหมาะสมและตัวต้านทานที่เหมาะสมเราสามารถหยุดความถี่ต่ำ จำกัด สัญญาณที่ส่งผ่านวงจรกรองโดยไม่ส่งผลต่อสัญญาณเนื่องจากไม่มีการตอบสนองที่ใช้งานอยู่

ในภาพด้านบนมีคำแบนด์วิดธ์เป็นสัญญาณหลังจากความถี่ที่สัญญาณอนุญาตให้ส่งผ่าน ดังนั้นถ้ามันเป็นตัวกรองผ่าน Khz สูง 600 แล้วแบนด์วิดธ์จะมาจาก 600Khz ไปไม่มีที่สิ้นสุดเนื่องจากจะอนุญาตให้ส่งสัญญาณทั้งหมดที่อยู่เหนือความถี่ตัด

ที่ความถี่ตัดเราจะได้รับ -3dB เมื่อถึงจุดนั้นหากเราเปรียบเทียบความกว้างของสัญญาณเอาต์พุตกับสัญญาณอินพุตเราจะเห็นว่าความกว้างของสัญญาณเอาต์พุตจะเท่ากับ 70.7% ของสัญญาณอินพุต นอกจากนี้ใน -3dB จะได้รับค่ารีแอคแตนซ์แบบ capacitive และความต้านทานจะเท่ากัน R = Xc

สูตรของความถี่ในการตัดคืออะไร?

สูตรของความถี่ในการตัดจะเหมือนกับตัวกรองความถี่ต่ำ

ฉ c = 1 / 2πRC

ดังนั้น R คือความต้านทานและ C คือความจุ ถ้าเราใส่ค่าเราจะทราบความถี่คัตออฟ

การคำนวณแรงดันขาออก

มาดูภาพแรกวงจรที่ใช้ตัวต้านทาน 1 ตัวและตัวเก็บประจุหนึ่งตัวเพื่อสร้างวงจรกรองความถี่สูงหรือวงจร RC

เมื่อสัญญาณ DC ถูกนำไปใช้ทั่ววงจรความต้านทานของวงจรจะทำให้เกิดการตกเมื่อกระแสไหล แต่ในกรณีของสัญญาณ AC ไม่ใช่ความต้านทาน แต่อิมพีแดนซ์มีหน้าที่ในการลดแรงดันไฟฟ้าซึ่งวัดเป็นโอห์มด้วย

ในวงจร RC มีสองสิ่งที่ทานหนึ่งคือความต้านทานและอีกค่าหนึ่งคือรีแอกแตนซ์ของตัวเก็บประจุ ดังนั้นเราต้องวัดค่ารีแอกแตนซ์ของตัวเก็บประจุก่อนเนื่องจากจำเป็นในการคำนวณอิมพีแดนซ์ของวงจร

การต่อต้านตัวต้านทานอันดับแรกคือรีแอคแตนซ์แบบ capacitiveสูตรคือ

Xc = 1 / 2πfC

ผลลัพธ์ของสูตรจะอยู่ในหน่วยโอห์มเนื่องจากโอห์มเป็นหน่วยของรีแอคแตนซ์ capacitive เนื่องจากเป็นค่าการต่อต้านหมายถึงความต้านทาน

ฝ่ายค้านที่สองคือตัวต้านทานตัวเองค่าของตัวต้านทานยังเป็นความต้านทาน

ดังนั้นเมื่อรวมสองฝ่ายค้านนี้เราจะได้ความต้านทานรวมซึ่งเป็นความต้านทานในวงจร RC (อินพุตสัญญาณ AC)

ความต้านทานหมายถึง Z

สูตรคือ: -

ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ในความถี่ต่ำรีแอคแตนซ์ของตัวเก็บประจุสูงเกินไปจนทำหน้าที่เป็นวงจรเปิดรีแอคแตนซ์ของตัวเก็บประจุคืออินฟินิตี้ ที่ความถี่ต่ำดังนั้นจึงถูกบล็อกสัญญาณ อัตราขยายเอาต์พุตคือ 0 ในขณะนั้นและเนื่องจากบล็อกแรงดันเอาต์พุตจะยังคงเป็น 0จนกว่าจะถึงความถี่ตัด

แต่ในความถี่สูงตรงข้ามที่จะเกิดขึ้นปฏิกิริยาของตัวเก็บประจุต่ำเกินไปที่จะทำหน้าที่เป็นไฟฟ้าลัดวงจรที่ปฏิกิริยาของตัวเก็บประจุเป็น 0 ที่ความถี่สูงจึงเป็นสิ่งที่ผ่านสัญญาณ กำลังรับเอาต์พุตคือ 1 ในขณะนั้นนั่นคือสถานการณ์การเพิ่มความสามัคคีและเนื่องจากการเพิ่มความสามัคคีแรงดันเอาต์พุตจะเท่ากับแรงดันไฟฟ้าอินพุตหลังจากถึงความถี่ตัด

ตัวอย่างการคำนวณ

ดังที่เราทราบแล้วว่าเกิดอะไรขึ้นภายในวงจรและจะหาค่าได้อย่างไร มาเลือกค่าที่ใช้ได้จริง

ลองหาค่าที่พบบ่อยที่สุดในตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ 330k และ 100pF เราเลือกค่าตามที่มีอยู่ทั่วไปและง่ายต่อการคำนวณ

มาดูกันว่าความถี่ตัดคืออะไรและแรงดันไฟฟ้าขาออกจะเป็นเท่าใด

ตัดความถี่จะเป็น: -

โดยการแก้สมการนี้ความถี่ตัดเป็น4825Hz หรือ 4.825Khz

มาดูกันว่าจริงหรือไม่…

นี่คือวงจรของตัวอย่าง

ตามการตอบสนองความถี่ที่อธิบายไว้ก่อนหน้านั้นที่ความถี่ตัดเดซิเบลจะเป็น

-3dB โดยไม่คำนึงถึงความถี่ เราจะค้นหา-3dBที่สัญญาณเอาต์พุตและดูว่าเป็น4825Hz (4.825Khz)หรือไม่

นี่คือการตอบสนองความถี่: -

มาตั้งค่าเคอร์เซอร์ที่ -3dB และดูผลลัพธ์

ในฐานะที่เราสามารถดูการตอบสนองความถี่ (นอกจากนี้ยังเรียกว่าเป็นลางบอกเหตุพล็อต) เราตั้งเคอร์เซอร์ที่-3.03dBและได้รับ4.814KHz แบนด์วิดท์ความถี่

เฟสกะ

Phase Angle แสดงว่าφ (Phi) จะอยู่ที่เอาต์พุตคือ+45

นี่คือการกะระยะของวงจรซึ่งใช้เป็นตัวอย่างจริง

มาหาค่าการเลื่อนเฟสที่ความถี่ตัด: -

เราตั้งค่าเคอร์เซอร์ไว้ที่+45

นี่คือตัวกรองความถี่สูงลำดับที่สอง CAPACITOR และ RESISTOR เป็นลำดับแรกและ CAPACITOR1 และ RESISTOR1 เป็นลำดับที่สอง เรียงซ้อนกันทำให้เกิดตัวกรอง High pass ลำดับที่สอง

ตัวกรองลำดับที่สองมีบทบาทของความชัน2 x + 20dB / ทศวรรษหรือ + 40dB (12dB / อ็อกเทฟ)

นี่คือเส้นตอบสนอง: -

ความชันคือ+ 20dB / Decadeและสีแดงที่เอาต์พุตสุดท้ายซึ่งมีความชัน+ 40dB / Decade

สิ่งนี้จะคำนวณความถี่ตัดของวงจร High pass ลำดับที่สอง

เช่นเดียวกับตัวกรอง Low Pass การเรียงตัวกรอง High Pass แบบพาสซีฟสองตัวนั้นไม่ดีเท่าที่จะเป็นความต้านทานแบบไดนามิกของเอฟเฟกต์ลำดับตัวกรองแต่ละเครือข่ายอื่น ๆ ในวงจรเดียวกัน

การใช้งาน

วงจรกรองความถี่ต่ำเป็นวงจรที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

นี่คือแอปพลิเคชั่นบางส่วน: -

เครื่องรับเสียงและอีควอไลเซอร์
ระบบควบคุมเพลงและการมอดูเลตความถี่เสียงแหลม
ฟังก์ชัน Generator
โทรทัศน์แคโทดเรย์และออสซิลโลสโคป
Square Wave Generator จากคลื่นสามเหลี่ยม
เครื่องกำเนิดพัลส์
Ramp to Step Generators