Пассивные RC-фильтры высоких частот

ФВЧВ этой статье мы расскажем о пассивных RC-фильтрах высоких частот, их частотной характеристике, базовой схеме пассивных RC-фильтров высоких частот, их применениях и многом другом.

Для получения информации о пассивных RC-фильтрах нижних частот, прочитайте статью «Пассивные RC-фильтры низких частот».

Электрический фильтр — это схема, предназначенная для отклонения всех нежелательных частотных составляющих электрического сигнала и пропускания только желаемых частот. Другими словами, фильтр — это схема, которая допускает только определенную полосу частот.

Емкостные фильтры используются чаще, чем индуктивные фильтры, потому что катушки индуктивности будут создавать некоторые паразитные магнитные поля и рассеивать некоторое количество энергии. Индуктивные фильтры не только имеют эти недостатки, но и из-за использования катушек индуктивности в цепи становятся громоздкими.

Теперь давайте рассмотрим работу пассивных RC-фильтров высоких частот.

Пассивный фильтр высоких частот

Пассивный фильтр высоких частот аналогичен пассивному фильтру низких частот. Когда положения конденсатора и резистора меняются местами в цепи фильтра низких частот, поведение фильтра верхних частот отображается схемой. Конденсатор подключен последовательно с резистором. Входное напряжение подается последовательно на конденсатор, но выходной сигнал подается только через резистор.

Фильтр высоких частот пропускает частоты, которые выше, чем частота среза «fc», и блокирует низкочастотные сигналы. Значение частоты среза зависит от значений компонентов, выбранных для схемы. Эти фильтры высоких частот имеют множество применений в высокочастотных диапазонах 10 МГц.

Схема фильтра высоких частот показана ниже:

RC-фильтр высоких частот

Из-за такой замены компонентов в схеме отклики, подаваемые конденсатором, меняются, и эти изменения прямо противоположны отклику фильтра низких частот.

Конденсатор на низких частотах действует как разомкнутая цепь, а на более высоких частотах, превышающих частоту отключения, конденсатор действует как при коротком замыкании. Конденсатор блокирует более низкие частоты, поступающие в конденсатор, из-за емкостного реактивного сопротивления конденсатора.

Сам конденсатор пропускает некоторое количество тока, чтобы связать его с диапазоном емкости конденсатора. После среза частоты конденсатор пропускает все частоты из-за уменьшения значения емкостного реактивного сопротивления. Это позволяет схеме передавать весь входной сигнал на выход, когда частота входного сигнала превышает частоту среза fc.

Читать также:  Работа и структура датчика утечки газа/дыма

На более низких частотах значение реактивного сопротивления увеличивается, поэтому при увеличении реактивного сопротивления увеличивается способность противостоять протеканию тока через конденсатор. Полоса частот ниже частоты среза называется «полосой заграждения», а полоса частот после частоты среза называется «полосой пропускания».

В приведенной выше схеме есть только один реактивный компонент с резистором, что показывает, что данная схема является схемой первого порядка.

Частотная характеристика фильтра высоких частот

Кривые отклика в зависимости от частоты и емкостного сопротивления приведены ниже:

Частотная характеристика фильтра высоких частот

Эта кривая отклика показывает, что фильтр высоких частот находится в точности напротив фильтра низких частот. В фильтре высоких частот до частоты среза все низкочастотные сигналы блокируются конденсатором, что приводит к снижению выходного напряжения.

В точке среза частоты значение резистора ‘R’ и реактивное сопротивление конденсатора ‘X_c’ равны, поэтому выходное напряжение увеличивается со скоростью -20 дБ, а уровни выходного сигнала составляют -3 дБ от уровней входного сигнала.

При очень высоких частотах емкостное реактивное сопротивление становится равным нулю, тогда выходное напряжение такое же, как и входное напряжение, которое равно Vout = Vin. На низких частотах емкостное реактивное сопротивление равно бесконечности, и, следовательно, выходное напряжение равно нулю, поскольку реактивное сопротивление блокирует ток, поступающий на конденсатор.

Выходной сигнал фильтра верхних частот имеет угол сдвига фазы (ø) +45° на частоте среза по отношению к входному сигналу. Это означает, что выходной сигнал фильтра верхних частот соответствует входному сигналу. На высоких частотах (f> fC) сдвиг фазы почти равен нулю, что означает, что как входные, так и выходные сигналы синфазны.

В идеальном случае фильтр допускает, чтобы частоты после среза частоты указывали на бесконечность, но на практике значение бесконечности зависит от значений компонентов, используемых при создании фильтра.

Время, затрачиваемое конденсатором на зарядку и разрядку пластин по отношению к входному сигналу, приводит к разности фаз. Серия резисторов с конденсатором обеспечит эффект зарядки и разрядки.

Постоянная времени последовательной RC-схемы определяется как время, затрачиваемое конденсатором на зарядку до 63,2% от конечного установившегося значения, а также определяется как время, затрачиваемое конденсатором на разрядку до 36,8% от установившегося значения. Оно обозначается символом ‘τ’. Соотношение между постоянной времени и частотой среза задается следующим образом:

Читать также:  Что такое распознавание IRIS?

Постоянная времени τ=RC= 1⁄2πfc and ω_c= 1/τ = 1/RC

Отсюда видно, что выход фильтра зависит от подаваемых на вход частот и постоянной времени.

Частота среза и фазовый сдвиг:

Частота среза или точка излома ‘ f c’ = 1/ 2πfc

Фазовый сдвиг (ø) = tan -1 (2πfRc)

Выходное напряжение и коэффициент усиления RC-фильтра высоких частот

Коэффициент усиления RC-фильтра высоких частот

Пример фильтра высоких частот

Рассмотрим фильтр высоких частот с емкостью конденсатора 82 пФ и сопротивлением резистора 240 кОм. По этим значениям рассчитаем частоту среза фильтра:

fC = 1/(2πRC) = ​1 / (2π x 240 x 103 x 82 x 10-12 ) = 8.08 kHz

Пассивный фильтр высоких частот второго порядка

Фильтр высоких частот второго порядка

Каскадирование двух фильтров высоких частот первого порядка дает нам фильтр высоких частот второго порядка. Поскольку он состоит из двух реактивных компонентов (два конденсатора), что и создает схему второго порядка. Производительность этого двухступенчатого фильтра равна одноступенчатому фильтру, но наклон фильтра достигается при -40 дБ.

Это связано с изменением частоты среза. Он более эффективен по сравнению с одноступенчатым фильтром высоких частот, поскольку имеет две точки хранения. Для двухступенчатого фильтра частота среза будет зависеть от значений двух конденсаторов и двух резисторов. Вот, что получается:

fc = 1/ (2π√(R1C1R2C2)) Hz​

Краткое описание пассивного фильтра высоких частот

Фильтр высоких частот пропускает частоты выше частоты среза до бесконечности. В практических ситуациях бесконечность не выходит, поэтому это значение бесконечности зависит от компонентов, используемых в схеме.

Полоса частот, разрешенная фильтром высоких частот, называется «полосой пропускания», и эта полоса пропускания представляет собой не что иное, как ширину полосы пропускания фильтра. Полоса частот, ослабленная фильтром, называется «полоса заграждения».

Частота среза рассчитывается по формуле «fc», показанной выше. Фазовый сдвиг выходного сигнала опережает входной сигнал на угол +45°. Выходное напряжение будет зависеть от постоянной времени и входной частоты, применяемой к цепи.

Искажения, устраняемые фильтрами высоких частот, более точны по сравнению с фильтрами низких частот из-за высоких частот, используемых в схеме.

Читать также:  Что такое PCB?

RC-дифференциатор высоких частот

Для обычных входов с синусоидальной волной производительность фильтра аналогична характеристикам фильтра высоких частот первого порядка, но когда мы применяем сигналы другого типа, а не синусоидальные волны, такие как прямоугольные волны, которые дают отклик во временной области, такой как шаг или импульс, в качестве входного сигнала, тогда схема ведет себя как дифференцирующая схема.

Схема, производная от входного сигнала которой прямо пропорциональна выходу схемы, называемой схемой дифференциатора:

Дифференциальная схема

Таким образом, когда в схему подается постоянный входной сигнал, выходной сигнал становится нулевым, поскольку производная от константы стремится к нулю.

Схема RC-дифференциала показана ниже:

Дифференциальная цепь RC

Для входных прямоугольных сигналов форма выходной волны отображается в виде импульсов короткой длительности. За один полный цикл ввода возникают два импульсных сигнала с положительными и отрицательными импульсами.

В этом процессе амплитуда выходного сигнала не изменится. Если частота входного сигнала увеличивается, то ширина импульса на выходе увеличивается. Скорость затухания импульса зависит от постоянной времени.

Итог

Фильтры высоких частот используются в схемах аудиоусилителей как часть переходных частот высокого звука к сигналам типа твитера, блокируя низкие басовые сигналы. Также они используются в качестве фильтров для блокировки близлежащих нежелательных сигналов и пропуска необходимых сигналов в громкоговорителях. Такие фильтры используются в цепях связи переменного тока и в качестве дифференцирующей схемы.

В процессе микширования на каждой полоске канала добавляются эти фильтры высоких частот. При обработке изображений фильтры высоких частот используются в процессе уменьшения резкости, когда для редактирования требуется фильтр с высоким усилением. При обработке изображений уменьшение шума может быть выполнено как во временной, так и в частотной области. В сочетании с фильтрами низких частот эти фильтры высоких частот используются для улучшения, подавления шума и модификации изображений при обработке изображений. Также их применяют на телефонных DSL-разветвителях с комбинацией фильтров низких частот.

В следующей статье мы поговорим о пассивном полосовом RC-фильтре.

С Уважением, МониторБанк

Добавить комментарий