High Pass Filter คืออะไร : การทำงานและการใช้งาน

ตัวกรองคือวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่อนุญาตให้ใช้ส่วนประกอบความถี่เฉพาะและลดทอนส่วนประกอบความถี่ที่ไม่ต้องการของสัญญาณอินพุต สิ่งเหล่านี้พบได้ในแอพพลิเคชั่นอิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ เพื่ออนุญาตช่วงความถี่เฉพาะของสัญญาณ โดยทั่วไป ตัวกรองจะแบ่งออกเป็นสองประเภทตามประเภทของส่วนประกอบที่ใช้ในการออกแบบและการใช้งาน พวกมันคือฟิลเตอร์แบบพาสซีฟและฟิลเตอร์แบบแอคทีฟ ตัวกรองแบ่งออกเป็น 4 ประเภทขึ้นอยู่กับช่วงความถี่ ได้แก่ ฟิลเตอร์โลว์พาส ฟิลเตอร์ความถี่สูง ฟิลเตอร์แบนด์พาส และฟิลเตอร์แบนด์สต็อป บทความนี้อธิบายเกี่ยวกับ High Pass Filter ซึ่งสามารถใช้เป็นทั้งตัวกรองแบบแอ็คทีฟและตัวกรองแบบพาสซีฟตัวกรองความถี่สูงคืออะไร?ตัวกรองนี้มีความสามารถในการอนุญาตให้ส่วนประกอบความถี่สูงของสัญญาณและลดทอนส่วนประกอบความถี่ต่ำทั้งหมดของ a สัญญาณเรียกว่า High Pass Filter มันสามารถอนุญาตให้ส่วนประกอบความถี่สูงมากกว่าความถี่ตัดและปฏิเสธส่วนประกอบความถี่อื่น ๆ ที่ไม่ต้องการของสัญญาณ ตัวกรองประเภทนี้พบได้ในวงจร RF และระบบประมวลผลสัญญาณต่างๆ ในทางปฏิบัติ ตัวกรองนี้จะอนุญาตให้มีความถี่ต่ำของสัญญาณ ซึ่งต่ำกว่าความถี่ตัด วงจรกรองความถี่สูง วงจรนี้เหมือนกับวงจรกรองความถี่ต่ำ ยกเว้นตัวต้านทานส่วนประกอบและตัวเก็บประจุจะถูกสับเปลี่ยนดังแสดงในรูปด้านล่างวงจรกรองความถี่สูงผ่านตัวต้านทานและตัวเก็บประจุแบบพาสซีฟสององค์ประกอบเชื่อมต่อแบบอนุกรมเพื่อให้ความถี่สูงกว่าความถี่ตัดของสัญญาณ แรงดันไฟขาออกของสัญญาณได้มาจากตัวต้านทานโดยการใช้แรงดันไฟขาเข้ากับตัวเก็บประจุ ตัวกรองชนิดนี้อยู่ภายใต้วงจรกรองความถี่สูงลำดับแรก HPF ลำดับที่สองไม่ได้เป็นเพียงการเรียงซ้อนของวงจรกรองความถี่สูงผ่าน RC สองชุดในซีรีส์ การเพิ่มขึ้นของอัตราขยายพาสแบนด์ใน HPF ลำดับที่สองจะอยู่ที่อัตรา +40dB/ทศวรรษ RC HPC แบบพาสซีฟวงจรตัวกรองความถี่สูงแบบพาสซีฟ RC สามารถออกแบบได้ในสองชุดค่าผสม เช่น ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ (RC HPF แบบพาสซีฟ) ตัวต้านทานและตัวเหนี่ยวนำ (passive RL HPF) ตามการใช้งาน RC HPF แบบพาสซีฟใช้สำหรับแอปพลิเคชันที่ช่วงเสียงหรือความถี่ต่ำ วงจร RL HPF แบบพาสซีฟใช้สำหรับการใช้งานที่ RF หรือช่วงความถี่สูง วงจรกรองความถี่สูงเรียกอีกอย่างว่าตัวกรองความถี่สูง RC แบบพาสซีฟเนื่องจากการใช้องค์ประกอบแบบพาสซีฟเช่นตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ ข้อได้เปรียบหลักคือ ไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งจ่ายไฟภายนอกหรือส่วนประกอบการขยายใดๆ RC HPF แบบพาสซีฟเป็นวงจร RC HPF อย่างง่ายดังแสดงในรูปด้านบน ตัวเก็บประจุและตัวต้านทานเชื่อมต่อกันเป็นอนุกรมซึ่งแรงดันเอาต์พุตถูกพัฒนาขึ้นทั่วทั้งตัวต้านทาน เนื่องจากรีแอกแตนซ์ของตัวเก็บประจุ ตัวกรองจึงอนุญาตเฉพาะความถี่สูงของสัญญาณที่มากกว่าความถี่คัทออฟ และบล็อกความถี่ที่ต่ำกว่าของสัญญาณที่ต่ำกว่าความถี่คัทออฟ คุณลักษณะเหล่านี้อธิบายคุณลักษณะของตัวกรองความถี่สูงผ่านในแง่ของการตอบสนองความถี่และการเปลี่ยนเฟสของสัญญาณเอาท์พุต คุณลักษณะที่เหมาะสม คุณลักษณะหลักของ HPF คือช่วยให้ส่วนประกอบความถี่สูงทั้งหมดมีค่ามากกว่าความถี่ตัดและลดความถี่ต่ำทั้งหมด ของสัญญาณซึ่งต่ำกว่าความถี่ตัด ลักษณะในอุดมคติของ HPF แสดงไว้ด้านล่าง พาสแบนด์เรียกว่า HPF อนุญาตให้ใช้ความถี่ที่สูงกว่าความถี่คัทออฟ ตัวกรองนี้ลดทอนความถี่ต่ำ ซึ่งเรียกว่าสต็อปแบนด์ลักษณะในอุดมคติของ High Pass FilterFrequency Responseความถี่ของสัญญาณเอาท์พุตเป็นสัดส่วนโดยตรงกับเกน เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น อัตราขยายจะเพิ่มขึ้น การตอบสนองความถี่ของตัวกรองความถี่สูง RC ขึ้นอยู่กับค่ารีแอกแตนซ์ของตัวเก็บประจุ ตัวเก็บประจุจะสร้างปริมาณรีแอกแตนซ์ที่ต้องการหรือรีแอกแตนซ์สูงเพื่อลดความถี่ต่ำของสัญญาณ กล่าวคือ ต่ำกว่าความถี่คัทออฟ ที่ค่ารีแอกแตนซ์ต่ำของตัวเก็บประจุ ตัวกรองความถี่สูง RC ช่วยให้ส่วนประกอบความถี่สูงของสัญญาณ เช่น มากกว่าความถี่ตัด แต่ในทางปฏิบัติ ตัวกรองความถี่สูง RC อนุญาตให้ใช้ความถี่ต่ำที่ต่ำกว่าความถี่คัทออฟ อัตราขยายของตัวกรองความถี่สูง RC จะกลายเป็นเอกภาพเมื่อค่ารีแอกแตนซ์ต่ำ/ศูนย์ที่ความถี่สูง นั่นคือแรงดันเอาต์พุตเท่ากับแรงดันอินพุตที่กำหนด เพื่อให้ความถี่สูงและปฏิเสธความถี่ต่ำ ค่ารีแอกแตนซ์ของตัวเก็บประจุจะลดลงตามความถี่ที่เพิ่มขึ้น ซึ่งส่งผลให้แรงดันเอาต์พุตและเกนเพิ่มขึ้น ค่ารีแอกแตนซ์แบบคาปาซิทีฟถูกกำหนดเป็น Xc = 1/2πfcโดยที่ 'fc' = ความถี่คัทออฟใน Hz'Xc'= ค่ารีแอกแตนซ์คาปาซิทีฟการตอบสนองความถี่และลักษณะการเปลี่ยนเฟสของตัวกรองความถี่สูง RC แสดงอยู่ด้านล่างลักษณะ RC HPF จากรูป เราสามารถสังเกตได้ว่าความถี่ต่ำถูกบล็อก/ปฏิเสธ และเพิ่มแรงดันเอาต์พุตขึ้น +20dB/ทศวรรษ เมื่อความถี่อยู่ที่ความถี่คัทออฟและ R=Xc ตัวกรองความถี่สูง RC อนุญาตให้ใช้ความถี่สูง (จากความถี่ตัดไปยังอินฟินิตี้) เมื่อแรงดันเอาต์พุตเท่ากับ 0.7071 หรือ 70.71% ของแรงดันไฟฟ้าอินพุต เช่น ที่ระดับอินพุตและเอาต์พุต -3dB (โดยการคำนวณ 20 log Vout/Vin) นั่นหมายถึงการตอบสนองความถี่ของ HPF คือ สัญญาณความถี่สูงได้รับอนุญาตจากความถี่คัทออฟไปจนถึงอินฟินิตี้ ที่ความถี่คัทออฟ การเลื่อนเฟสของสัญญาณอินพุตและสัญญาณเอาต์พุตจะเหมือนกัน นั่นคือ ที่ 45° เมื่อความถี่ของสัญญาณมากกว่าความถี่ตัด มุมเฟสจะเป็นศูนย์ นั่นหมายถึงสัญญาณเอาท์พุตอยู่ในเฟสที่สัมพันธ์กับสัญญาณอินพุตที่ความถี่สูง เวลาที่ใช้ในการชาร์จและคายประจุของตัวเก็บประจุจะแสดงในรูปของค่าคงที่เวลา แทนด้วย 'τ' ค่าคงที่เวลาของตัวกรองความถี่สูง RC ถูกกำหนดเป็นτ = RC = 1/2πfcω = 1/τ = 1/RCความถี่ตัดของ RC HPF ถูกกำหนดเป็น,fc= 1/2πRCการเปลี่ยนเฟสของ RC HPF คือ ให้ asΦ=tan-1 (1/2πfRC)โดยที่ 'fc' = ความถี่ตัดใน Hz'f' = ความถี่ในการทำงานใน Hz'R' = ค่าความต้านทานในโอห์ม'C'= ค่าของตัวเก็บประจุใน FaradsHigh Pass ตัวกรองโดยใช้ Op-Amp ตัวกรองความถี่สูงที่ใช้ op-amp นั้นง่ายต่อการออกแบบและใช้งานเพราะใช้จำนวนจำกัด ของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และขจัดเสียงรบกวนและเสียงฮัม แผนภาพวงจรของตัวกรองความถี่สูงโดยใช้ op-amp แสดงไว้ด้านล่าง RC HPF แบบพาสซีฟเชื่อมต่อกับ op-amp ที่ไม่กลับด้านสำหรับการขยายและควบคุมแรงดันไฟฟ้าตัวกรองความถี่สูงโดยใช้ Op-Amp เอาต์พุตถูกจำกัดโดยคุณลักษณะโอเพนลูปของ op-amp เอาต์พุตของ RC HPF ใช้กับ op-amp สำหรับการขยายและควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นของสัญญาณเอาท์พุต แรงดันไฟฟ้าที่ได้รับของตัวกรองความถี่สูงโดยใช้ Op-amp จะได้รับเป็นAᵥ= Vout/Vin=Af(f /fc)/√(1+(f/fc)2)โดยที่ Av= แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นใน dB= 1+R2/R1Af = passband gainfc= ความถี่คัทออฟใน Hzf = ความถี่ในการทำงานเป็น Hzเมื่อ f < fc (ความถี่ต่ำ) จากนั้น Vout/Vin < AfWhen f = fc ( ที่ความถี่ตัด) จากนั้น Vout/Vin=Af/2 ^½ = 0.7071AfWhen f > fc (ความถี่สูง) จากนั้น Vout/Vin = AfThe แบนด์วิดท์วงปิดของ Op-amp กำหนดความถี่สูงสุดของ HPF ซึ่งมีอัตราขยาย passband คงที่ Af ขนาดของแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับจะได้รับเป็นAv(dB) = 20 log (Vout/Vin)-3dB = 20 log (0.707 Vout / Vin )Active High Pass Filter หาก RC high pass filter เชื่อมต่อกับองค์ประกอบที่ทำงานอยู่ เช่น op-amp เพื่อให้มีความถี่สูงและปฏิเสธความถี่ต่ำ จะถูกเรียกว่า HPF ที่ใช้งานอยู่ การตอบสนองความถี่และการเปลี่ยนเฟสของ HPF ที่ใช้งานอยู่จะเหมือนกับ RC HPF วัตถุประสงค์ของตัวกรองความถี่สูงแบบแอคทีฟคือเพื่อควบคุมอัตราขยายของแรงดันไฟฟ้าและขยายสัญญาณเอาต์พุต แผนภาพวงจรของตัวกรองสัญญาณความถี่สูงแบบแอ็คทีฟสำหรับการขยายสัญญาณแสดงอยู่ด้านล่างActive HPF สำหรับการขยายวงจร RC HPF เชื่อมต่อกับ op-amp ที่ไม่กลับด้าน เอาต์พุตและความถี่ตัดของตัวกรองความถี่สูงแบบพาสซีฟถูกควบคุมโดย op-amp ที่แบนด์วิดท์และลักษณะการรับของ op-amp กำหนดความถี่ตัด ตัวกรองประเภทนี้ทำหน้าที่เป็นตัวกรองแบนด์พาส op-amp จะเพิ่มแอมพลิจูดของสัญญาณเอาท์พุตและเกนแรงดันเอาต์พุตของพาสแบนด์จะได้รับเป็น 1+R2/R1 ซึ่งเหมือนกับฟิลเตอร์กรองความถี่ต่ำ ฟังก์ชันการถ่ายโอนเพื่อให้ได้มาซึ่งฟังก์ชันการถ่ายโอนฟิลเตอร์ความถี่สูง เราจะ พิจารณาวงจร RC HPF แบบพาสซีฟดังที่แสดงด้านบน จากวงจรด้านบน Vo = แรงดันเอาต์พุตข้ามตัวต้านทานVi = แรงดันไฟขาเข้าที่ใช้กับตัวเก็บประจุ โดยการแปลง Laplace Transform ทั้งด้านอินพุตและเอาต์พุต H(s)=Vₒ(s)/ Vᵢ(s)H(s)=R/(R+(1/sC))สมการข้างต้นจะกลายเป็น,H(s)=sCR/(1+sCR)โดยการแทนที่ s=jw ในสมการข้างต้นH(jω)=jωCR /(1+jωCR)จากนั้นสมการจะกลายเป็นขนาดของฟังก์ชันการถ่ายโอน HPF จะแสดงเป็น|H(jω)|=ωCR/√(1+(ωCR)^2 )ถ้า ω = 0 ดังนั้นฟังก์ชันการถ่ายโอน HPF = 0ถ้า ω = 1/CR จากนั้นฟังก์ชันการถ่ายโอน HPF = 0.707ถ้า ω = อินฟินิตี้ ฟังก์ชันการถ่ายโอน HPF = 1 ดังนั้นคุณลักษณะของฟังก์ชันการถ่ายโอนข้างต้นจึงแสดงว่าตัวกรองความถี่สูง RC แบบพาสซีฟสามารถให้ความถี่สูงจากความถี่ตัดไปยัง i อินฟินิตี้ กล่าวคือ แปรผันจาก 0 ถึง 1 หาก ω เปลี่ยนแปลงจาก 0 ถึงอนันต์ Butterworth HPF ตัวกรองความถี่สูง Butterworth เป็นหนึ่งในประเภทของ HPF ที่ให้การตอบสนองความถี่แบนใน passband เนื่องจากการตอบสนองความถี่ที่แบนราบ จึงไม่มีระลอกคลื่น มันยังเป็นที่รู้จักกันในนามฟิลเตอร์แบนแบนซึ่งใช้ในแอพพลิเคชั่นต่าง ๆ ที่อัตราขยายวงปิดของพาสแบนด์นั้นเป็นอันหนึ่งอันเดียวกัน แผนภาพวงจรและการตอบสนองความถี่ของตัวกรองความถี่สูง Butterworth ลำดับแรกแสดงอยู่ด้านล่าง สิ่งเหล่านี้ง่ายมากและง่ายต่อการออกแบบButterworth HPF กำไรที่เพิ่มขึ้นในอัตรา +20dB/ทศวรรษ สำหรับคำสั่งแรก Butterworth HPF และในขณะที่สำหรับ Butterworth HPF อันดับสอง จะเพิ่มขึ้น +40dB/ทศวรรษลักษณะเฉพาะของ Butterworth HPF การใช้งานแอปพลิเคชันของตัวกรองความถี่สูงคือลำโพงสำหรับขยายสัญญาณ การประมวลผลภาพ ใช้ในการขยายกระแสไฟตรงและสำหรับการต่อพ่วง ACระบบควบคุมและระบบประมวลผลเสียง ตัวแยกสัญญาณ DSL ในโทรศัพท์แอปพลิเคชัน RF ทั้งหมดนี้เกี่ยวกับภาพรวมของตัวกรองความถี่สูง (ทั้งแบบแอคทีฟและพาสซีฟ) - คำจำกัดความ, วงจร, Butterworth HPF, HPF โดยใช้ Op-amp และแอพพลิเคชั่น นี่คือคำถามสำหรับคุณ "ข้อดีและข้อเสียของตัวกรองความถี่สูงคืออะไร"

ฝากข้อความ 

รายการข้อความ