Bộ lọc hoạt động: Đặc điểm, thứ tự đầu tiên và thứ hai, ứng dụng

Bộ lọc hoạt động là những bộ lọc có nguồn được kiểm soát hoặc các yếu tố hoạt động, ví dụ như bộ khuếch đại hoạt động, bóng bán dẫn hoặc ống chân không. Thông qua một mạch điện tử, bộ lọc cho phép tuân thủ mô hình hóa chức năng truyền thay đổi tín hiệu đầu vào và đưa ra tín hiệu đầu ra theo thiết kế.

Cấu hình của bộ lọc điện tử thường có tính chọn lọc và tiêu chí lựa chọn là tần số của tín hiệu đầu vào. Do những điều trên, tùy thuộc vào loại mạch (nối tiếp hoặc song song), bộ lọc sẽ cho phép truyền các tín hiệu nhất định và chặn đường đi của phần còn lại.

Theo cách này, tín hiệu đầu ra sẽ được đặc trưng bằng cách được tinh lọc theo các thông số thiết kế của mạch tạo thành bộ lọc.

Các tính năng

- Bộ lọc hoạt động là bộ lọc tương tự, có nghĩa là chúng sửa đổi tín hiệu tương tự (đầu vào) tùy thuộc vào các thành phần tần số.

- Nhờ sự hiện diện của các thành phần hoạt động (bộ khuếch đại hoạt động, ống chân không, bóng bán dẫn, v.v.), loại bộ lọc này làm tăng một phần hoặc toàn bộ tín hiệu đầu ra, liên quan đến tín hiệu đầu vào.

Điều này là do sự khuếch đại năng lượng thông qua việc sử dụng các bộ khuếch đại hoạt động (OPAM). Những điều trên tạo điều kiện có được sự cộng hưởng và một yếu tố chất lượng cao, mà không cần phải sử dụng cuộn cảm. Mặt khác, yếu tố chất lượng - còn được gọi là yếu tố Q - là thước đo độ sắc nét và hiệu quả của cộng hưởng.

- Bộ lọc hoạt động có thể kết hợp các thành phần hoạt động và thụ động. Cái sau là các thành phần cơ bản của các mạch: điện trở, tụ điện và cuộn cảm.

- Bộ lọc hoạt động cho phép kết nối tầng, được cấu hình để khuếch đại tín hiệu và cho phép tích hợp giữa hai hoặc nhiều mạch nếu cần thiết.

- Trong trường hợp mạch có bộ khuếch đại hoạt động, điện áp đầu ra của mạch bị giới hạn bởi điện áp bão hòa của các phần tử này.

- Tùy thuộc vào loại mạch và giá trị danh nghĩa của các phần tử chủ động và thụ động, bộ lọc hoạt động có thể được thiết kế để cung cấp trở kháng đầu vào cao và trở kháng đầu ra nhỏ.

- Việc sản xuất các bộ lọc hoạt động là kinh tế so với các loại lắp ráp khác.

- Để vận hành, các bộ lọc hoạt động cần có nguồn điện, tốt nhất là đối xứng.

Bộ lọc đơn hàng đầu tiên

Các bộ lọc thứ tự đầu tiên được sử dụng để làm giảm các tín hiệu ở trên hoặc dưới mức loại bỏ, trong bội số của 6 decibel mỗi lần tần số được nhân đôi. Loại tập hợp này thường được đại diện bởi chức năng chuyển sau:

Khi bạn chia nhỏ tử số và mẫu số của biểu thức, bạn phải:

- N (jω) là đa thức bậc 1

- t là nghịch đảo tần số góc của bộ lọc

- W _c là tần số góc của bộ lọc và được cho theo phương trình sau:

Trong biểu thức đã nói f _c là tần số cắt của bộ lọc.

Tần số cắt là tần số giới hạn của bộ lọc gây ra sự suy giảm tín hiệu. Tùy thuộc vào cấu hình của bộ lọc (thông thấp, thông cao, thông dải hoặc loại bỏ băng tần), hiệu ứng của thiết kế bộ lọc được trình bày, chính xác, từ tần số cắt.

Trong trường hợp cụ thể của các bộ lọc thứ tự đầu tiên, chúng chỉ có thể là thông thấp hoặc thông cao.

Bộ lọc thông thấp

Loại bộ lọc này cho phép truyền tần số thấp hơn và giảm hoặc giảm tần số trên tần số cắt.

Hàm truyền cho các bộ lọc thông thấp như sau:

Biên độ và đáp ứng pha của hàm truyền này là:

Bộ lọc thông thấp hoạt động có thể thực hiện chức năng thiết kế bằng cách sử dụng các điện trở đầu vào và phóng đất, cùng với các bộ khuếch đại hoạt động và cấu hình điện trở và tụ điện song song. Dưới đây là một ví dụ về mạch hoạt động thông thấp biến tần:

Các tham số của hàm truyền cho mạch này là:

Bộ lọc vượt qua cao

Mặt khác, bộ lọc thông cao có tác dụng ngược lại, so với bộ lọc thông thấp. Đó là, loại bộ lọc này làm giảm tần số thấp và cho phép tần số cao vượt qua.

Thậm chí, tùy thuộc vào cấu hình của mạch, bộ lọc hoạt động thông cao có thể khuếch đại tín hiệu nếu chúng có bộ khuếch đại hoạt động được bố trí đặc biệt cho mục đích đó. Hàm truyền của bộ lọc thông cao hoạt động của đơn hàng đầu tiên như sau:

Biên độ và đáp ứng pha của hệ thống là:

Bộ lọc thông cao hoạt động sử dụng điện trở và tụ điện nối tiếp ở đầu vào của mạch, cũng như điện trở trong đường xả xuống đất, để thực hiện chức năng trở kháng phản hồi. Dưới đây là một ví dụ về mạch biến tần thông cao đang hoạt động:

Các tham số của hàm truyền cho mạch này là:

Bộ lọc thứ hai

Các bộ lọc bậc hai thường thu được bằng cách tạo các kết nối bộ lọc bậc một theo chuỗi, để có được thiết lập phức tạp hơn cho phép điều chỉnh tần số một cách chọn lọc.

Biểu thức chung cho hàm truyền của bộ lọc bậc hai là:

Khi bạn chia nhỏ tử số và mẫu số của biểu thức, bạn phải:

- N (jω) là đa thức bậc 2.

- W _o là tần số góc của bộ lọc và được cho theo phương trình sau:

Trong phương trình này f _o là tần số đặc trưng của bộ lọc. Trong trường hợp có mạch RLC (điện trở, cuộn cảm và tụ điện nối tiếp), tần số đặc trưng của bộ lọc trùng với tần số cộng hưởng của bộ lọc.

Đổi lại, tần số cộng hưởng là tần số mà hệ thống đạt đến mức dao động tối đa.

- là hệ số giảm xóc. Yếu tố này xác định công suất của hệ thống để làm giảm tín hiệu đầu vào.

Đổi lại, từ hệ số giảm xóc, hệ số chất lượng bộ lọc thu được thông qua biểu thức sau:

Tùy thuộc vào thiết kế của các trở kháng mạch, các bộ lọc hoạt động bậc hai có thể là: bộ lọc thông thấp, bộ lọc thông cao và bộ lọc thông dải.

Ứng dụng

Các bộ lọc hoạt động được sử dụng trong các mạng điện để giảm nhiễu trong mạng, do kết nối của các tải không tuyến tính.

Những nhiễu loạn này có thể được thấm qua sự kết hợp của các bộ lọc chủ động và thụ động, và sự biến đổi của trở kháng đầu vào và cấu hình RC trong suốt quá trình lắp ráp.

Trong các mạng điện, các bộ lọc hoạt động được sử dụng để giảm các sóng hài hiện tại lưu thông qua mạng giữa bộ lọc hoạt động và nút phát điện.

Tương tự như vậy, các bộ lọc hoạt động giúp cân bằng các dòng trở lại lưu thông qua trung tính và sóng hài liên quan đến dòng điện này và điện áp của hệ thống.

Ngoài ra, các bộ lọc hoạt động thực hiện một chức năng tuyệt vời liên quan đến việc hiệu chỉnh hệ số công suất của các hệ thống điện được kết nối với nhau.