Trong bài hướng dẫn trước, chúng ta đã tìm hiểu về Bộ lọc thông dải, một mạch cho phép một dải tần số nhất định của tín hiệu đi qua. Trong bài hướng dẫn này, chúng ta sẽ tìm hiểu về Bộ lọc cấm dải, một bộ lọc có chức năng hoàn toàn ngược lại với Bộ lọc thông dải.
Bộ lọc thông dải hoặc bộ lọc cấm dải ngăn chặn hoặc làm suy giảm một dải tần số trong khi các tần số bên ngoài dải này được thông qua. Dải tần số bị suy giảm được gọi là Dải cấm.
Nếu bạn đang tìm kiếm thông tin về bộ lọc thông thấp hoặc thông cao, hãy đọc các bài hướng dẫn về Bộ lọc thông cao RC thụ động, Bộ lọc thông thấp RC thụ động, Bộ lọc thông cao tích cực và Bộ lọc thông thấp tích cực.
Bộ lọc cấm dải được tạo thành bởi sự kết hợp của bộ lọc thông thấp và bộ lọc thông cao với kết nối song song thay vì kết nối nối tiếp. Tên gọi của nó đã cho thấy rằng nó sẽ ngăn chặn một dải tần số cụ thể. Vì nó loại bỏ các tần số, nó còn được gọi là bộ lọc loại bỏ dải hoặc bộ lọc cấm dải hoặc bộ lọc khấc.
Hình ảnh sau đây hiển thị sơ đồ khối của một Bộ lọc cấm dải.
Chúng ta biết rằng không giống như bộ lọc thông thấp và thông cao, bộ lọc thông dải và cấm dải có hai tần số cắt. Nó sẽ cho phép tần số trên và dưới một dải tần số cụ thể có tần số cắt được xác định trước dựa trên giá trị của các thành phần được sử dụng trong thiết kế mạch.
Bất kỳ tần số nào nằm giữa hai tần số cắt này đều bị suy giảm. Nó có hai dải thông và một dải cấm. Đặc tính lý tưởng của Bộ lọc thông dải được hiển thị dưới đây.
Trong đó fL biểu thị tần số cắt của bộ lọc thông thấp.
fH là tần số cắt của bộ lọc thông cao.
- Các tần số trung tâm fc = √( fL x fH)
Đặc tính của bộ lọc cấm dải hoàn toàn ngược lại với đặc tính của bộ lọc thông dải.
Khi tín hiệu đầu vào được cung cấp, các tần số thấp được thông qua bộ lọc thông thấp trong mạch cấm dải và các tần số cao được thông qua bộ lọc thông cao trong mạch.
Trong thực tế, do cơ chế chuyển đổi tụ điện trong bộ lọc thông thấp và thông cao, đặc tính đầu ra không giống như trong bộ lọc lý tưởng. Hệ số khuếch đại trong dải thông phải bằng với bộ lọc thông thấp và thông cao. Đáp ứng tần số của bộ lọc cấm dải được hiển thị dưới đây và đường màu xanh lá cây biểu thị đáp ứng thực tế trong hình dưới đây.
Mạch lọc cấm dải sử dụng R, L và C
Một mạch lọc cấm dải đơn giản với các thành phần thụ động được hiển thị bên dưới.
Đầu ra được lấy qua cuộn cảm và tụ điện được kết nối nối tiếp. Chúng ta biết rằng với các tần số khác nhau ở đầu vào, mạch sẽ hoạt động như một mạch hở hoặc mạch ngắn.
Ở tần số thấp, tụ điện hoạt động như một mạch hở và cuộn cảm hoạt động như một mạch ngắn. Ở tần số cao, cuộn cảm hoạt động như một mạch hở và tụ điện hoạt động như một mạch ngắn.
Do đó, chúng ta có thể nói rằng ở tần số thấp và cao, mạch hoạt động như một mạch hở vì cuộn cảm và tụ điện được kết nối nối tiếp. Qua đó cũng rõ ràng rằng ở tần số trung bình, mạch hoạt động như một mạch ngắn. Do đó, các tần số trung bình không được phép đi qua mạch.
Dải tần số trung bình mà bộ lọc hoạt động như một mạch ngắn phụ thuộc vào các giá trị tần số cắt dưới và trên. Các giá trị tần số cắt dưới và trên này phụ thuộc vào các giá trị thành phần.
Các giá trị thành phần này được xác định bởi các hàm truyền của mạch theo thiết kế. Hàm truyền không gì khác là tỷ số giữa đầu ra và đầu vào.
Trong đó tần số góc ω = 2πf
Bộ lọc khấc (bộ lọc cấm dải hẹp)
Mạch trên thể hiện mạng lưới Twin ‘T’. Mạch này cung cấp cho chúng ta một bộ lọc khấc. Bộ lọc khấc không gì khác là bộ lọc cấm dải hẹp. Hình dạng đặc trưng của đáp ứng cấm dải làm cho bộ lọc trở thành bộ lọc khấc.
Bộ lọc khấc này được áp dụng để loại bỏ một tần số duy nhất. Vì nó bao gồm hai mạng lưới hình chữ ‘T’, nó được gọi là mạng lưới Twin T. Loại bỏ tối đa xảy ra ở tần số trung tâm fC = 1/(2πRC).
Để loại bỏ giá trị tần số cụ thể trong trường hợp bộ lọc khấc, tụ điện được chọn trong thiết kế mạch phải nhỏ hơn hoặc bằng 1 µF. Bằng cách sử dụng phương trình tần số trung tâm, chúng ta có thể tính toán giá trị của điện trở.
Bằng cách sử dụng mạch khấc này, chúng ta có thể loại bỏ một tần số duy nhất tại 50 hoặc 60 Hz.
Bộ lọc khấc bậc hai với thành phần hoạt động là op-amp trong cấu hình không nghịch đảo được đưa ra như sau.
Độ lợi có thể được tính toán bằng
Trong đó Hệ số chất lượng Q = 1/ 2 x (2 – Amax)
Nếu giá trị của hệ số chất lượng lớn, thì độ rộng của bộ lọc khấc sẽ hẹp.
Đáp ứng tần số của Bộ lọc cấm dải
Bằng cách lấy tần số và độ lợi, đáp ứng tần số của dải cấm được thu được như dưới đây.
Băng thông được lấy qua các tần số cắt dưới và trên. Theo bộ lọc lý tưởng, dải thông phải có hệ số khuếch đại là Amax và dải cấm phải có hệ số khuếch đại bằng không. Trong thực tế, sẽ có một số vùng chuyển tiếp. Chúng ta có thể đo gợn dải thông và gợn dải cấm như sau
Gợn dải thông = – 20 log10(1-δp) dB
Gợn dải cấm = – 20 log10(δs) dB
Trong đó
δp = Đáp ứng biên độ của bộ lọc dải thông.
δs= Đáp ứng biên độ của bộ lọc dải cấm.
Băng thông cấm điển hình của bộ lọc cấm dải là từ 1 đến 2 khoảng thập phân. Tần số cao nhất bị loại bỏ gấp 10 đến 100 lần tần số thấp nhất bị loại bỏ.
Đáp ứng lý tưởng của bộ lọc khấc
Ví dụ về Bộ lọc cấm dải
Hãy xem xét mạch lọc khấc dải hẹp. Chúng ta biết rằng bộ lọc khấc được sử dụng để loại bỏ một tần số duy nhất. Vì vậy, hãy xem xét tần số cần loại bỏ là 120 Hz. Giá trị tụ điện C = 0,33 µF.
Bằng cách sử dụng tần số trung tâm fC = 1/(2πRC)
- R = 1/(2πfCC) = 1 / (2πx120 x 0.33 x 10-6) = 4 kΩ
Như vậy, để thiết kế bộ lọc khấc loại bỏ tần số 120 Hz, chúng ta phải lấy hai điện trở song song 4 kΩ và hai tụ điện song song 0,33 µF.
Tóm tắt Bộ lọc cấm dải
Bộ lọc cấm dải có hai dải thông và một dải cấm. Đặc tính của bộ lọc này hoàn toàn ngược lại với Bộ lọc thông dải. Nó còn được gọi là bộ lọc loại bỏ dải hoặc bộ lọc cấm dải. Nó sử dụng bộ lọc thông cao và bộ lọc thông thấp kết nối song song. Các tần số thấp được cung cấp cho thông thấp, trong khi các tần số cao được cung cấp cho bộ lọc thông cao.
Mạch RLC đơn giản bằng cách kết nối tụ điện và cuộn cảm nối tiếp tạo thành bộ lọc cấm dải. Ở tần số rất cao và rất thấp, mạch lọc cấm dải hoạt động như một mạch hở, trong khi ở tần số trung bình, mạch hoạt động như một mạch ngắn.
Do đó, mạch chỉ suy giảm các tần số trung bình và cho phép tất cả các tần số khác. Các tần số cắt dưới và trên của bộ lọc phụ thuộc vào thiết kế bộ lọc.
Bộ lọc cấm dải có tính năng cấm dải hẹp được gọi là bộ lọc khấc. Nó được sử dụng để loại bỏ một giá trị tần số duy nhất. Nó được tạo thành bởi hai điện trở và hai tụ điện được kết nối trong hai mạng lưới hình chữ ‘T’.
Do đó, nó được gọi là bộ lọc Twin ‘T’. Băng thông của bộ lọc không gì khác là dải cấm của bộ lọc. Nếu hệ số chất lượng Q cao thì độ rộng của đáp ứng khấc sẽ hẹp. Chúng được ưa chuộng rộng rãi trong các mạch truyền thông.
Ứng dụng của Bộ lọc cấm dải
Trong các công nghệ khác nhau, các bộ lọc này được sử dụng với nhiều loại khác nhau.
- Trong công nghệ điện thoại, các bộ lọc này được sử dụng như các bộ giảm nhiễu đường dây điện thoại và dịch vụ internet DSL. Nó sẽ giúp loại bỏ nhiễu trên đường dây làm giảm hiệu suất DSL.
- Chúng được sử dụng rộng rãi trong bộ khuếch đại đàn guitar điện. Trên thực tế, đàn guitar điện này tạo ra tiếng “hum” ở tần số 60 Hz. Bộ lọc này được sử dụng để giảm tiếng hum đó để khuếch đại tín hiệu do bộ khuếch đại đàn guitar tạo ra và tạo ra thiết bị tốt nhất. Chúng cũng được sử dụng trong một số ứng dụng âm thanh như mandolin, bộ khuếch đại nhạc cụ bass.
- Trong điện tử truyền thông, tín hiệu bị méo do một số nhiễu (sóng hài) làm cho tín hiệu gốc giao thoa với các tín hiệu khác dẫn đến lỗi ở đầu ra. Do đó, các bộ lọc này được sử dụng để loại bỏ các hài không mong muốn.
- Chúng được sử dụng để giảm tĩnh trên radio, thứ thường được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta.
- Chúng cũng được sử dụng trong các công nghệ truyền thông quang, ở cuối sợi quang có thể có một số tần số ánh sáng gây nhiễu (giả) gây méo tín hiệu ánh sáng. Những méo tín này được loại bỏ bởi bộ lọc cấm dải. Ví dụ điển hình là trong phổ Raman.
- Trong xử lý ảnh và tín hiệu, các bộ lọc này được ưa chuộng cao để loại bỏ nhiễu.
- Chúng được sử dụng trong các ứng dụng âm thanh chất lượng cao như hệ thống PA (hệ thống phát thanh công cộng).
- Chúng cũng được sử dụng trong các ứng dụng lĩnh vực y tế, tức là trong các thiết bị y sinh như EGC để loại bỏ nhiễu đường dây.
