مرشح الترددات العالية النشط

وصفنا سابقًا حول مرشح التمرير العالي السلبي ومرشح التمرير المنخفض النشط ، حان الوقت الآن لمرشح التمرير العالي النشط. دعنا نستكشف ما هو مرشح الترددات العالية النشط.

ما هي الدائرة ، الصيغ ، المنحنى؟

مثل مرشح المرور المنخفض السلبي ، يعمل مرشح التمرير العالي السلبي مع المكونات السلبية والمقاوم والمكثف. لقد تعلمنا في البرنامج التعليمي السابق حول مرشح التمرير العالي السلبي أنه يعمل دون أي مقاطعة خارجية أو استجابة نشطة.

إذا أضفنا مضخمًا عبر مرشح تمرير عالي سلبي ، فيمكننا بسهولة إنشاء مرشح تمرير عالي نشط. عند تغيير تكوين مكبر الصوت ، يمكننا أيضًا تشكيل أنواع مختلفة من مرشح التمرير العالي ، مرشح التمرير العالي النشط المقلوب أو غير المقلوب أو الوحدة.

من أجل البساطة وفعالية الوقت وأيضًا التقنيات المتزايدة في تصميم op-amp ، يتم استخدام op-amp بشكل عام لتصميم Active Filter.

في مرشح التمرير العالي السلبي ، تكون استجابة التردد لانهائية. ولكن في السيناريو العملي ، يعتمد الأمر بشكل كبير على المكونات وعوامل أخرى ، هنا في حالة مرشح التمرير العالي النشط ، فإن النطاق الترددي op-amp هو القيد الرئيسي لمرشح التمرير العالي النشط. هذا يعني أن الحد الأقصى للتردد سوف يمر اعتمادًا على كسب مكبر الصوت وخاصية الحلقة المفتوحة لجهاز op-amp.

دعنا نستكشف القليل من مكاسب جهد التيار المستمر المفتوح الحلقة المفتوحة.

مكبر العمليات	عرض النطاق الترددي (ديسيبل)	التردد الأقصى
إل إم 258	100	1 ميجا هرتز
uA741	100	1 ميجا هرتز
RC4558D	35	3 ميجا هرتز
TL082.00 ليرة تركية	110	3 ميجا هرتز
LM324N	100	1 ميجا هرتز

هذه قائمة صغيرة حول المرجع العام وهناك زيادة في الجهد. أيضًا ، يمكن الاعتماد على كسب الجهد إلى حد كبير على تردد الإشارة وفولتية الإدخال لجهاز op-amp ومقدار الكسب المطبق في جهاز op-amp هذا.

دعنا نستكشف أكثر ونفهم ما يميزه: -

هنا تصميم بسيط لمرشح المرور العالي: -

هذه صورة مرشح التمرير العالي النشط. هنا يوضح لنا الخط المخالف مرشح RC السلبي التقليدي الذي رأيناه في البرنامج التعليمي السابق.

قطع التردد والجهد:

معادلة التردد المقطوع هي نفسها المستخدمة في مرشح التمرير العالي الخامل.

fc = 1/2πRC

كما هو موضح في البرنامج التعليمي السابق ، fc هو تردد القطع و R هي قيمة المقاوم و C هي قيمة المكثف.

المقاومان المتصلان في العقدة الموجبة لجهاز op-amp هما مقاومات ردود الفعل. عندما يتم توصيل هذه المقاومات في عقدة موجبة من جهاز op-amp ، يطلق عليه التكوين غير العكسي. هذه المقاومات مسؤولة عن التضخيم أو الكسب.

يمكننا أيضًا بسهولة حساب كسب مكبر الصوت باستخدام المعادلات التالية حيث يمكننا اختيار قيمة المقاوم المكافئة وفقًا للكسب أو يمكن أن يكون العكس: -

كسب مكبر الصوت (سعة التيار المباشر) (Af) = (1 + R3 / R2)

منحنى استجابة التردد:

دعونا نرى ما سيكون ناتج مرشح تمرير النشط العالي أو منحنى Bode / استجابة التردد: -

هذا هو منحنى كسب op-amp والمرشح المتصل عبر مكبر الصوت.

يوضح هذا المنحنى الأخضر الإخراج المضخم للإشارة ويظهر المنحنى الأحمر الإخراج بدون تضخيم عبر مرشح التمرير العالي السلبي.

إذا رأينا المنحنى بشكل أكثر دقة ، فسنجد النقاط التالية داخل مخطط البود هذا: -

يزيد المنحنى الأحمر بمقدار 20 ديسيبل / عقد وفي منطقة القطع يكون الحجم -3 ديسيبل وهو هامش طور 45 درجة.

كما تمت مناقشته من قبل ، فإن الحد الأقصى لاستجابة التردد لجهاز op-amp مرتبط بشكل كبير بكسبه أو عرض النطاق الترددي الخاص به (كما يسمى كسب الحلقة المفتوحة Av).

في القائمة المقدمة من قبل ، رأينا op-amp الشائع النموذجي مثل uA741 ، LM324N لديه 100 ديسيبل كحد أقصى لكسب الحلقة المفتوحة والذي سينخفض ​​بمعدل بدء التشغيل -20 ديسيبل لكل عقد إذا زاد تردد الإدخال. الحد الأقصى لتردد الإدخال المدعوم بواسطة LM324N ، uA741 هو 1 ميجا هرتز ، وهو عبارة عن عرض نطاق أو تردد لكسب الوحدة. عند هذا التردد ، سينتج جهاز op-amp المعني كسب 0 ديسيبل أو كسب وحدة يتناقص 20 ديسيبل / عقد.

لذلك فهي ليست لانهائية ، فبعد 1 ميغا هرتز سينخفض ​​الكسب بمعدل 20 ديسيبل / عقد عرض النطاق الترددي لمرشح التمرير العالي النشط يعتمد بشكل كبير على النطاق الترددي لجهاز op-amp.

يمكننا حساب كسب الحجم عن طريق تحويل كسب الجهد في المرجع أمبير.

الحساب كالتالي: -

ديسيبل = 20log (Af) Af = Vin / Vout

يمكن أن يكون هذا Af هو كسب Dc الذي وصفناه من قبل عن طريق حساب قيمة المقاوم أو قسمة Vout مع Vin.

يمكننا أيضًا الحصول على كسب الجهد من التردد المطبق على المرشح (f) وتردد القطع (fc). استخلاص كسب الجهد من هذين الاثنين أمر بسيط للغاية باستخدام هذه الصيغة =

إذا وضعنا قيمة f و fc ، فسنحصل على كسب الجهد المطلوب عبر المرشح.

عكس دائرة تصفية مكبر للصوت:

يمكننا أيضًا إنشاء المرشح في تشكيل مقلوب.

يمكن الحصول على هامش المرحلة بالمعادلة التالية.

إن تغيير الطور هو نفسه الذي يظهر في مرشح التمرير العالي الخامل. إنها +45 درجة عند تردد القطع لـ fc.

هنا هو تنفيذ الدوائر لمرشح التمرير العالي النشط المعكوس: -

إنه مرشح تمرير عالي نشط في تكوين مقلوب. جهاز op-amp متصل بشكل عكسي. في القسم السابق ، تم توصيل المدخلات عبر دبوس الإدخال الإيجابي لـ op-amp ويستخدم الدبوس السلبي op-amp لعمل دائرة التغذية الراجعة. هنا الدائرة مقلوبة. دخل إيجابي متصل بمرجع أرضي والمكثف ومقاوم التغذية المرتدة متصلان عبر دبوس الإدخال السلبي op-amp. وهذا ما يسمى تكوين op-amp المقلوب وسيتم عكس إشارة الخرج عن إشارة الإدخال.

يعمل المقاوم R1 كدور للمرشح السلبي وأيضًا كمقاوم ربح في آن واحد.

كسب الوحدة أو مرشح الجهد العالي النشط التابع لأتباع الجهد:

حتى الآن يتم استخدام الدوائر الموصوفة هنا لكسب الجهد ولأغراض التضخيم اللاحقة.

يمكننا أن نجعله باستخدام مضخم كسب الوحدة ، وهذا يعني أن سعة الإخراج أو الكسب سيكون 1x. فين = فوت.

ناهيك عن أنه أيضًا تكوين op-amp والذي غالبًا ما يوصف بأنه تكوين متابع للجهد حيث يقوم op-amp بإنشاء نسخة طبق الأصل من إشارة الإدخال.

دعونا نرى تصميم الدائرة وكيفية تكوين op-amp كمتابع للجهد وجعل الوحدة تكتسب مرشح تمرير عالي نشط: -

في هذه الصورة ، كل شيء مطابق لمكبر الصوت المستخدم في الشكل الأول. تتم إزالة مقاومات ردود الفعل من المرجع أمبير. بدلاً من المقاوم ، يتم توصيل دبوس الإدخال السالب لـ op-amp المتصل مباشرةً بمخرج op-amp. يسمى هذا التكوين op-amp كتكوين متابع الجهد. الكسب هو 1x. وهي عبارة عن مرشح تمرير عالي نشط للوحدة. سينتج نسخة طبق الأصل من إشارة الإدخال.

مثال عملي مع الحساب

سنقوم بتصميم دائرة من مرشح التمرير العالي النشط في تكوين op-amp غير المقلوب.

مواصفات:-

1. سيكون الربح 2x
2. سيكون القطع التكراري 2 كيلو هرتز

دعنا نحسب القيمة أولاً قبل عمل الدائرة: -

كسب مكبر الصوت (سعة التيار المباشر) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 2

R2 = 1k (نحتاج إلى تحديد قيمة واحدة ؛ اخترنا 1k لتقليل تعقيد الحساب).

من خلال وضع القيمة معًا نحصل عليها

(2) = (1 + R3 / 1)

حسبنا قيمة المقاوم الثالث (R3) هي 1 كيلو.

نحتاج الآن إلى حساب قيمة المقاوم وفقًا لتردد القطع. نظرًا لأن مرشح التمرير العالي النشط ومرشح التمرير العالي السلبي يعمل بنفس الطريقة ، فإن صيغة قطع التردد هي نفسها كما كانت من قبل.

دعنا نتحقق من قيمة المكثف إذا كان تردد القطع هو 2 كيلو هرتز ، اخترنا قيمة المكثف 0.01 فائق التوهج أو 10 نانو فهرنهايت.

fc = 1/2 RC

من خلال وضع كل القيم معًا نحصل على: -

2000 = 1/2π * 10 * ^10-9

من خلال حل هذه المعادلة نحصل على قيمة المقاوم 7.96 تقريبًا.

يتم تحديد أقرب قيمة لهذا المقاوم 8 كيلو أوم.

الخطوة التالية هي حساب الربح. صيغة الكسب مماثلة لمرشح تمرير عالي سلبي. صيغة الكسب أو المقدار بالديسيبل هي كما يلي: -

حيث أن كسب المرجع هو 2x. لذا فإن Af هو 2.

fc مقطوع التردد لذا فإن قيمة fc هي 2 كيلو هرتز أو 2000 هرتز.

الآن تغيير التردد (f) نحصل على الكسب.

التردد (و)	كسب الجهد (Af) (Vout / Vin)	كسب (ديسيبل) 20log (Vout / Vin)
100	.10	-20.01
250	.25	-12.11
500	.49	-6.28
750	.70	-3.07
1،000	.89	-0.97
2000	1.41	3.01
5000	1.86	5.38
10000	1.96	5.85
50000	2	6.01
100،000	2	6.02

في هذا الجدول من 100 هرتز ، يتم زيادة الكسب بالتتابع بمعدل 20 ديسيبل / عقد ولكن بعد الوصول إلى تردد القطع ، يتم زيادة الكسب ببطء إلى 6.02 ديسيبل ويظل ثابتًا.

شيء واحد لتذكير أن كسب op-amp هو 2x. لهذا السبب ، فإن تردد القطع هو: -3dB إلى 0dB (كسب 1x) إلى + 3dB (كسب 2x)

الآن بما أننا قمنا بالفعل بحساب القيم الآن فقد حان الوقت لبناء الدائرة. دعونا نجمع كل شيء ونبني الدائرة: -

قمنا ببناء الدائرة بناءً على القيم المحسوبة من قبل. وسوف نقدم 10HZ إلى 100KHZ تردد و 10 نقطة لكل العقد عند مدخل النشط مرشح تمرير عالية وستحقق المزيد من أن نرى ما إذا كان تردد قطع هو 2000Hz أم لا في الإخراج من مكبر للصوت

هذا هو منحنى استجابة التردد. يمثل الخط الأخضر ناتجًا مضخمًا للمرشح وهو 2 × مكاسب. ويمثل الخط الأحمر استجابة المرشح عبر مدخلات مكبر الصوت.

وضعنا المؤشر في 3DB و تردد الزاوية والحصول على 2.0106 كيلوهرتز أو 2 كيلو هيرتز.

كما هو موضح قبل كسب المرشح السلبي -3 ديسيبل ، ولكن مع إضافة 2x لدائرة op-amp عبر الإخراج المرشح ، أصبحت نقطة القطع الآن 3dB حيث تمت إضافة 3dB مرتين.

المتتالية وإضافة المزيد من عوامل التصفية إلى مضخم تشغيل واحد

من الممكن إضافة المزيد من المرشحات عبر مرشح تمرير مرتفع نشط واحد مثل المرجع الثاني. في مثل هذه الحالة تمامًا مثل المرشح الخامل ، تتم إضافة مرشح RC إضافي.

دعونا نرى كيف يتم إنشاء دائرة التصفية النشطة من الدرجة الثانية.

هذا هو مرشح الدرجة الثانية. في الشكل يمكننا أن نرى بوضوح إضافة المرشِّحين معًا. هذا هو مرشح التمرير العالي من الدرجة الثانية.

كما ترون هناك جهاز واحد أمبير. كسب الجهد هو نفسه كما هو مذكور سابقًا باستخدام مقاومين. نظرًا لأن صيغة الكسب هي نفسها فإن كسب الجهد هو

Af = (1 + R2 / R1)

تردد القطع هو: -

يمكننا إضافة مرشح نشط أعلى رتبة عالية. لكن هناك قاعدة واحدة.

إذا أردنا عمل مرشح من الدرجة الثالثة ، فيمكننا أن نتسلسل مرشح الترتيب الأول والثاني.

كما هو الحال مع مرشح الترتيب الثاني ، قم بإنشاء مرشح من الدرجة الرابعة ويتم إضافة هذه المبالغ في كل مرة.

يمكن عمل مرشح الترددات العالية المتتالي على النحو التالي: -

كلما تمت إضافة المرجع الإضافي ، تمت إضافة المزيد من الكسب. انظر الشكل أعلاه. تمثل الأرقام المكتوبة على المرجع أمبير مرحلة الطلب. مثل 1 = مرحلة الترتيب الأول ، 2 = مرحلة الترتيب الثاني. في كل مرة يتم فيها إضافة المرحلة ، يتم إضافة حجم الكسب أيضًا بمقدار 20 ديسيبل / عقد لكل مرحلة. كما هو الحال بالنسبة للمرحلة الأولى ، تكون 20 ديسيبل / عقد ، المرحلة الثانية 20 ديسيبل + 20 ديسيبل = 40 ديسيبل لكل عقد وما إلى ذلك. يتكون كل مرشح رقم زوجي من مرشحات من الدرجة الثانية ، ويتكون كل رقم فردي من الدرجة الأولى ومرشح من الدرجة الثانية ، ومرشح من الدرجة الأولى على الأول موضع. لا توجد قيود على عدد المرشحات التي يمكن إضافتها ، ولكن دقة المرشح هي التي تقل عند إضافة عوامل تصفية إضافية لاحقًا. إذا كانت قيمة مرشح RC ، أي المقاوم والمكثفات هي نفسها لكل مرشح ، فسيكون تردد القطع هو نفسه أيضًا ، ويظل الكسب الإجمالي مساويًا لأن مكونات التردد المستخدمة هي نفسها.

التطبيقات

يمكن استخدام مرشح التمرير العالي النشط في أماكن متعددة حيث لا يمكن استخدام مرشح التمرير العالي المنفعل بسبب القيود المفروضة على إجراء الكسب أو التضخيم. بصرف النظر عن ذلك ، يمكن استخدام مرشح التمرير العالي النشط في الأماكن التالية: -

يستخدم مرشح التمرير العالي على نطاق واسع في الدوائر الإلكترونية.

فيما يلي بعض التطبيقات: -

1. ثلاثة أضعاف معادلة قبل تضخيم الطاقة
2. مرشحات ذات صلة بالفيديو عالي التردد.
3. مولد الذبذبات والوظيفة.
4. قبل Loud Speaker لإزالة أو تقليل ضوضاء التردد المنخفض.
5. تغيير شكل التردد عند موجة مختلفة من.
6. مرشحات التعزيز الثلاثي.