Bộ lọc thông cao hoàn toàn ngược lại với mạch lọc thông thấp vì hai thành phần đã được hoán đổi cho nhau với tín hiệu đầu ra của bộ lọc hiện đang được lấy từ trên điện trở.
Trong trường hợp bộ lọc thông thấp chỉ cho phép các tín hiệu đi qua dưới điểm tần số cắt của nó, ƒc , mạch lọc thông cao thụ động như tên gọi của nó, chỉ truyền các tín hiệu trên điểm cắt đã chọn, ƒc loại bỏ mọi tín hiệu tần số thấp khỏi dạng sóng. Hãy xem xét mạch dưới đây.
Mạch lọc thông cao
Trong cách sắp xếp mạch này, điện kháng của tụ điện rất cao ở tần số thấp nên tụ điện hoạt động giống như một mạch hở và chặn bất kỳ tín hiệu đầu vào nào tại V IN cho đến khi đạt đến điểm tần số cắt ( ƒ C ). Trên điểm tần số cắt này, điện trở của tụ điện đã giảm đủ để bây giờ hoạt động giống như một mạch ngắn hơn cho phép tất cả tín hiệu đầu vào truyền trực tiếp đến đầu ra như được hiển thị bên dưới trong đường đặc tuyến của bộ lọc.
Đặc tuyến tần số của bộ lọc thông cao bậc 1
Biểu đồ Bode hoặc Đường đặc tuyến tần số ở trên cho bộ lọc thông cao thụ động hoàn toàn ngược lại với biểu đồ của bộ lọc thông thấp. Tại đây tín hiệu bị suy giảm hoặc giảm độ ẩm ở tần số thấp với đầu ra tăng ở + 20dB / decade (6dB / Octave) cho đến khi tần số đạt đến điểm cắt ( ƒc ) tại đó một lần nữa R = Xc . Nó có đường đặc tuyến kéo dài xuống từ vô cực đến tần số cắt, trong đó biên độ điện áp đầu ra là 1 / √ 2 = 70,7% giá trị tín hiệu đầu vào hoặc -3dB (20 log (Vout / Vin)) của đầu vào giá trị.
Ngoài ra chúng tôi có thể thấy rằng góc pha ( Φ ) của cạnh tín hiệu đầu ra đó của các đầu vào và bằng 45 o ở tần số ƒc . Đường đặc tuyến tần số cho bộ lọc này ngụ ý rằng bộ lọc có thể chuyển tất cả các tín hiệu ra ngoài đến vô cùng. Tuy nhiên trong thực tế, đặc tuyến của bộ lọc không mở rộng đến vô cùng mà bị giới hạn bởi các đặc tính điện của các thành phần được sử dụng.
Điểm tần số cắt cho bộ lọc thông cao bậc nhất có thể được tìm thấy bằng cách sử dụng phương trình tương tự như của bộ lọc thông thấp, nhưng phương trình dịch pha được sửa đổi một chút để tính đến góc pha dương như hình dưới đây.
Tần số cắt và dịch chuyển pha
Độ lợi mạch, Av được cho là Vout / Vin (độ lớn) và được tính như sau:
Ví dụ về bộ lọc thông cao số 1
Tính tần số cắt hoặc “điểm dừng” ( ƒc ) cho một bộ lọc thông cao thụ động đơn giản bao gồm một tụ điện 82pF mắc nối tiếp với một điện trở 240kΩ .
Bộ lọc thông cao bậc hai
Một lần nữa như với bộ lọc thông thấp, các giai đoạn bộ lọc thông cao có thể được xếp tầng với nhau để tạo thành bộ lọc bậc hai (hai cực) như được minh họa.
Bộ lọc thông cao bậc hai
Mạch trên sử dụng hai bộ lọc bậc một được nối hoặc nối tầng với nhau để tạo thành mạch thông cao bậc hai hoặc hai cực. Sau đó, một bộ lọc giai đoạn đầu tiên đặt hàng có thể được chuyển đổi thành một loại thứ hai theo đơn đặt hàng bằng cách đơn giản sử dụng thêm mạch RC, tương tự như đối với bộ lọc thông thấp bậc 2. Mạch lọc thông cao bậc hai thu được sẽ có độ dốc 40dB / thập kỷ (12dB / quãng tám).
Như với bộ lọc thông thấp, tần số cắt, ƒc được xác định bởi cả điện trở và tụ điện như sau.
Trong thực tế, việc xếp tầng các bộ lọc thụ động với nhau để tạo ra các bộ lọc bậc lớn hơn là khó thực hiện chính xác vì trở kháng động của mỗi bậc bộ lọc ảnh hưởng đến mạch lân cận của nó. Tuy nhiên, để giảm hiệu ứng tải, chúng ta có thể làm cho trở kháng của mỗi giai đoạn sau 10x giai đoạn trước, do đó R 2 = 10 * R 1 và C 2 = 1/10 của C 1 .
Tóm tắt bộ lọc thông cao
Chúng ta đã thấy rằng Bộ lọc thông cao thụ động hoàn toàn ngược lại với bộ lọc thông thấp. Bộ lọc này không có điện áp đầu ra từ DC (0Hz), lên đến điểm tần số cắt ( ƒc ) được chỉ định. Điểm tần số cắt thấp hơn này là 70,7% hoặc -3dB (dB = -20log V OUT / V IN ) của mức tăng điện áp được phép đi qua.
Dải tần “bên dưới” điểm cắt ƒc này thường được gọi là Dải dừng trong khi dải tần “trên” điểm cắt này thường được gọi là Dải thông .
Tần số cắt, tần số góc hoặc điểm -3dB của bộ lọc thông cao có thể được tìm thấy bằng cách sử dụng công thức tiêu chuẩn của: ƒc = 1 / (2πRC) . Góc pha của tín hiệu đầu ra thu được tại ƒc là +45 o . Nói chung, bộ lọc thông cao ít bị biến dạng hơn bộ lọc thông thấp tương đương của nó do tần số hoạt động cao hơn.
Một ứng dụng rất phổ biến của loại bộ lọc thụ động này là trong các bộ khuếch đại âm thanh như một tụ điện ghép nối giữa hai tầng khuếch đại âm thanh và trong hệ thống loa để hướng tín hiệu tần số cao hơn đến các loa loại “tweeter” nhỏ hơn trong khi chặn tín hiệu âm trầm thấp hơn hoặc cũng được sử dụng làm bộ lọc để giảm tiếng ồn tần số thấp hoặc biến dạng kiểu “ầm ầm”. Khi được sử dụng như vậy trong các ứng dụng âm thanh, bộ lọc thông cao đôi khi được gọi là bộ lọc “cắt thấp” hoặc “cắt âm trầm”.
Điện áp đầu ra Vout phụ thuộc vào hằng số thời gian và tần số của tín hiệu đầu vào như đã thấy trước đó. Với tín hiệu hình sin AC được áp dụng cho mạch, nó hoạt động như một bộ lọc thông cao bậc 1 đơn giản. Nhưng nếu chúng ta thay đổi tín hiệu đầu vào thành tín hiệu hình “sóng vuông” có đầu vào bước gần như thẳng đứng, thì phản ứng của mạch sẽ thay đổi đáng kể và tạo ra một mạch thường được gọi là Bộ Vi sai .
Bộ Vi Sai RC
Cho đến nay, dạng sóng đầu vào của bộ lọc được giả định là dạng hình sin hoặc dạng sóng hình sin bao gồm tín hiệu cơ bản và một số hài hoạt động trong miền tần số cho chúng ta đặc tuyến miền tần số cho bộ lọc. Tuy nhiên, nếu chúng tôi cấp cho Bộ lọc thông cao với tín hiệu Sóng vuông hoạt động trong miền thời gian cho đầu vào phản ứng xung hoặc bước, thì dạng sóng đầu ra sẽ bao gồm xung thời gian ngắn hoặc xung gai như được hiển thị.
Mạch Vi sai RC
Mỗi chu kỳ của dạng sóng đầu vào sóng vuông tạo ra hai xung đột ở đầu ra, một dương và một âm và có biên độ bằng biên độ của đầu vào. Tốc độ phân rã của các xung phụ thuộc vào hằng số thời gian, giá trị ( RC ) của cả hai thành phần, ( t = R x C ) và giá trị của tần số đầu vào. Các xung đầu ra ngày càng giống với hình dạng của tín hiệu đầu vào khi tần số tăng lên.