Ngược lại với mạch kỹ thuật số, yêu cầu tín hiệu phải là một trong hai mức rời rạc, mạch Analog sử dụng tín hiệu liên tục, thay đổi được gọi là tín hiệu Analog. Các thay đổi về dòng điện, điện áp hoặc tần số có thể được sử dụng để truyền thông tin trong mạch Analog. Điện trở, tụ điện, cuộn cảm, điốt, bóng bán dẫn và bộ khuếch đại thuật toán đều là Analog nội tại. Các mạch được tạo thành hoàn toàn từ các thành phần này được gọi là mạch Analog [1].

Một mạch tương tự đơn giản

Giới thiệu về Bộ lọc

Bộ lọc hay còn gọi là mạch chọn lọc tần số là một loại mạch đặc biệt trong điện tử Analog, được sử dụng để lọc một số tín hiệu đầu vào dựa trên tần số của chúng. Tùy thuộc vào loại bộ lọc, mạch lọc cho phép một số dải tần số mà không bị suy giảm hoặc có khuếch đại nhẹ trong khi làm suy giảm các dải tần số khác [2].

Nhìn chung, có bốn loại bộ lọc tần số được sử dụng để lọc các phần khác nhau của dải tần số

1. Bộ lọc thông thấp
2. Bộ lọc thông cao
3. Bộ lọc thông dải
4. Bộ lọc Bandstop/notch

Ứng dụng của bộ lọc

Bộ lọc là các thành phần xây dựng quan trọng của bất kỳ Hệ thống Điện tử và Truyền thông nào. Bộ lọc là mạch tuyến tính loại bỏ các thành phần không mong muốn khỏi tín hiệu đầu vào bằng cách thay đổi các đặc tính biên độ và/hoặc pha của tín hiệu liên quan đến tần số. Chẳng hạn như tiếng ồn, nhiễu, méo hoặc bất kỳ khoảng tần số không mong muốn nào [3].

Trong số các ứng dụng có:

• Tiếng ồn nền được giảm thiểu bằng cách sử dụng mạch lọc.
• Chúng được dùng để điều chỉnh radio đến một tần số nhất định.
• Được sử dụng trong hệ thống âm thanh để khuếch đại trước, cân bằng và kiểm soát âm sắc.
• Chúng cũng được sử dụng trong chuyển đổi dữ liệu và mạch xử lý/điều hòa tín hiệu.
• Hệ thống điện tử y tế sử dụng rất nhiều mạch lọc.

Bộ lọc thụ động và chủ động

Bộ lọc thụ động được cấu tạo từ các thành phần thụ động như điện trở, tụ điện và cuộn cảm, đúng như tên gọi của nó. Nó không yêu cầu bất kỳ nguồn năng lượng bên ngoài nào. Do đó, các bộ lọc này không có bất kỳ mức tăng điện áp nào. Điện áp đầu ra không bao giờ bằng điện áp đầu vào. Mặc dù thiết kế của nó rất đơn giản, nhưng việc thêm tải vào bộ lọc này có ảnh hưởng đến hiệu suất của nó [2].

Bộ lọc chủ động bao gồm bộ khuếch đại hoạt động, bóng bán dẫn và các thành phần chủ động khác kết hợp với điện trở và tụ điện. Nhược điểm là nó yêu cầu nguồn điện bên ngoài, mặc dù nó có độ lợi điện áp cao và tín hiệu đầu vào sẽ được nhân với hệ số độ lợi này. Chúng có thể có thiết kế phức tạp hơn, nhưng chúng có trở kháng đầu vào rất cao và trở kháng đầu ra thấp. Do đó, các đặc tính của bộ lọc chủ động không bị ảnh hưởng bởi trở kháng tải [2].

Các thuật ngữ được sử dụng trong thiết kế bộ lọc

Để hiểu được đáp ứng tần số của bộ lọc, trước tiên bạn phải hiểu thuật ngữ liên quan đến nó. Sau đây là một số thuật ngữ được sử dụng để mô tả các thuộc tính của bộ lọc [2].

Băng thông

Passband đề cập đến phạm vi tần số trong tín hiệu đầu vào đi qua bộ lọc mà không bị suy giảm. Nếu bộ lọc thụ động, Passband thường không có độ lợi. Passband của bộ lọc chủ động có thể có một số độ lợi tùy thuộc vào thiết lập mạch.

Dừng băng

Stopband đề cập đến phạm vi tần số trong tín hiệu đầu vào bị chặn hoặc làm giảm bởi bộ lọc. Thông thường, mức tăng tại điểm dừng nhỏ hơn -3db của đầu vào.

Tần số cắt

Dải thông và dải chắn được phân biệt với nhau bằng tần số cắt  hoặc  tần số góc . Điện áp của tín hiệu đầu ra ở tần số cắt là 70,7% điện áp của tín hiệu đầu vào. Nó cũng được gọi là tần số -3db .

Tần số trung tâm F0

Tần số trung tâm biểu thị tần số điểm giữa nằm giữa các tần số cắt -3dB của bộ lọc thông dải hoặc bộ lọc khía. Các điểm cắt -3dB cũng được gọi là tần số cắt dưới và tần số cắt trên của mạch lọc [4].

Đối với bộ lọc thông dải rộng hơn, trong đó tỷ số f2/f1 lớn hơn 1,1, tần số trung tâm có thể được tính gần đúng theo công thức sau.

F0 = √(f1 f2)

Tuy nhiên, đối với bộ lọc thông dải hẹp trong đó tỷ lệ f2/f1 nhỏ hơn 1,1, tần số trung tâm có thể được tính bằng cách cộng 2 tần số cắt chia cho 2. Điều này được thể hiện trong công thức

F0 = (f1 + f2) / 2

Băng thông:

Băng thông của bộ lọc là dải tần số chạy qua bộ lọc mà không bị suy giảm trong trường hợp bộ lọc thông dải hoặc bị suy giảm trong trường hợp bộ lọc loại bỏ băng tần.

B = f2 – f1

3 cách thiết kế bộ lọc tương tự

Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về ba phương pháp thay thế để thiết kế bộ lọc thông dải với các thông số kỹ thuật sau.

• Tần số cắt thấp hơn f1 = 1kHz
• Tần số cắt trên f2 = 5kHz
• Tăng = 1
• Thứ tự = 2
• Loại: Butterworth

1. Phần mềm Filter Lab của Microchip

Filter Lab là một công cụ phần mềm sáng tạo giúp đơn giản hóa thiết kế bộ lọc chủ động. Có sẵn miễn phí trên trang web của Microchip https://www.microchip.com/en-us/development-tool/FilterLabDesignSoftware . Công cụ thiết kế phần mềm bộ lọc chủ động Filter Lab cung cấp sơ đồ mạch lọc với các giá trị thành phần được đề xuất và hiển thị đáp ứng tần số. Filter Lab cho phép thiết kế bộ lọc thông thấp lên đến bộ lọc bậc 8 với đáp ứng Chebyshev, Bessel hoặc Butterworth từ tần số 0,1 Hz đến 1 MHz

Filter Lab cũng có thể được sử dụng để thiết kế bộ lọc thông dải và thông cao với đáp ứng Chebyshev và Butterworth lên đến bậc 8. Nhược điểm là trong phòng thí nghiệm bộ lọc, tỷ lệ tần số dải thông trên so với tần số dải thông dưới phải nằm trong khoảng từ 1,23 đến 5,82. Hơn nữa, không thể thiết kế dải thông hẹp hơn trong phiên bản hiện tại của phòng thí nghiệm bộ lọc.

2. Công cụ thiết kế bộ lọc của Texas Instruments

Công cụ thiết kế bộ lọc cho phép bạn thiết kế, tối ưu hóa và mô phỏng các giải pháp bộ lọc hoạt động đa giai đoạn hoàn chỉnh trong vòng vài phút. Là một công cụ cực kỳ tiên tiến và cao cấp với đủ loại tùy chọn giúp thiết kế bộ lọc dễ dàng hơn nhiều. Công cụ này có sẵn trên Trang web Texas Instrument https://webench.ti.com/filter-design-tool/ . Điểm tốt của công cụ này là miễn phí và không cần tải xuống bất kỳ phần mềm nào vì có thể sử dụng trực tuyến trên trình duyệt web.

Người dùng có thể tạo bộ lọc thông thấp, thông cao, thông dải, chặn dải và thông toàn dải mà không có bất kỳ trở ngại hoặc hạn chế nào. Sau khi chọn loại bộ lọc trong trường hợp của chúng tôi là thông dải, tab sẽ chuyển sang Phản hồi bộ lọc, tại đó người dùng có thể nhập thông số kỹ thuật bộ lọc và trực quan hóa phản hồi của bộ lọc.

3. Sử dụng các phương trình toán học

Bộ lọc thông dải là sự kết hợp của bộ lọc thông thấp và thông cao. Nửa đầu của mạch là bộ lọc thông cao RC thụ động, và nửa sau của mạch là bộ lọc thông thấp RC thụ động. Bộ lọc thông cao sẽ cho phép các tín hiệu có tần số cao hơn tần số cắt thấp (FC-thấp). Và làm suy yếu các tín hiệu có tần số thấp hơn (FC-thấp).

FC-thấp = 1/(2πRC)

Mặt khác, bộ lọc thông thấp RC sẽ cho phép các tín hiệu có tần số thấp hơn tần số cắt cao hơn (Fc-cao). Và nó sẽ làm suy yếu các tín hiệu có tần số cao hơn (FC-cao).

FC-cao = 1/(2πRC)

Phần kết luận

Phần mềm giúp cuộc sống của nhà thiết kế dễ dàng hơn nhiều và quá trình thiết kế đơn giản hơn nhiều khi nói đến thiết kế bộ lọc Analog. Mặt khác, bộ lọc cũng có thể được xây dựng bằng cách giải các phương trình toán học phức tạp, đây là một cách tiếp cận tốn thời gian và phức tạp. Hơn nữa, để xác minh hoạt động của bộ lọc được thiết kế, mô phỏng mạch cũng là bắt buộc bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng. Ngược lại, nếu bạn muốn thiết kế nhanh và biểu đồ đặc tính bằng cách nhập thông số kỹ thuật mong muốn thì phần mềm thiết kế bộ lọc là lựa chọn tốt nhất của bạn.

‍

‍