Báo cáo môn học kỹ thuật xung Đề tài mạch lọc thông cao lc

NGUYÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ MẠCH LỌC THÔNGCAO LC 1.1 Giới thiệu Mạch lọc thông cao High Pass Filter sử dụng cuộn cảm L và tụ điện C được thiết kế để cho phép tín hiệu có tần số cao đi qua, đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & ĐIỆN, ĐIỆN TỬ

 BÁO CÁO MÔN HỌC

KỸ THUẬT XUNG

ĐỀ TÀI : MẠCH LỌC THÔNG CAO LC

GVHD: Nguyễn Thanh Tùng

Đinh Lê Đức Huy 2251050056 Trương Nguyễn Hải Triều 2251050078 Đào Thị Kim Tuyên 2251050080

TP.HCM - 20/11/2024

MỤC LỤC

PHẦN 1 NGUYÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ CÁC LINH KIỆN……… 2

1.1 Giới thiệu 2

1.2 Phân loại 2

1.2.1Mạch lọc thông cao cơ bản ( LC Series hoặc LC song song)………2

a Mạch lọc thông cao LC nối tiếp ( LC Series High - Pass Filter) 2

b Mạch lọc thông cao LC song song (LC Parallel High - Pass Filter) 2

1.2.2 Mạch lọc thông cao LC bậc cao ( Higher- order LC Filter) 3

a Mạch lọc thông cao LC bậc hai ( Second- Order High - Pass Filter)………3

b Mạch lọc thông cao LC bậc N ( N - Order High - Pass Filter)……….3

1.2.3 Mạch lọc thông cao LC dang đặc biệt 3

a Mạch lọc thông cao LC T ( T- Type Filter)………3

b Mạch lọc thông cao LC π ( Pi- Type Filter)………3

PHẦN 2 MẠCH LỌC THÔNG CAO LC 4

2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông cao LC 4

2.2 Nguyên lý hoạt động mạch lọc thông cao LC 4

2.3 Đặc tính lọc 5

2.4 Mô phỏng trên SIMetrix/ SIMPLIS 5

2.5 Ưu/ nhược điểm của mạch lọc thông cao LC 8

2.6 Ứng dụng của mạch lọc thông cao LC 8

KẾT LUẬN 10

TÀI LIỆU THAM KHẢO 11

PHẦN 1 NGUYÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ MẠCH LỌC THÔNG

CAO LC

1.1 Giới thiệu

Mạch lọc thông cao (High Pass Filter) sử dụng cuộn cảm (L) và tụ điện (C) được thiết kế để cho phép tín hiệu có tần số cao đi qua, đồng thời chặn tín hiệu tần số thấp Cấu trúc này rất hữu ích trong các ứng dụng loại bỏ nhiễu, điều chỉnh tín hiệu và tách sóng trong mạch điện tử Các mạch lọc LC được phân loại dựa trên cấu hình linh kiện thành 3 loại chính

1.2 Phân loại

1.2.1 Mạch lọc thông cao cơ bản (LC Series hoặc LC Song Song)

a Mạch lọc LC nối tiếp (LC Series High-Pass Filter)

- Cấu tạo: Tụ điện (C) và cuộn cảm (L)

được nối tiếp nhau, tín hiệu đầu vào

được cấp qua chúng

- Nguyên lý hoạt động:

 Tụ điện ngăn tín hiệu tần số thấp

 Cuộn cảm cho tín hiệu cao tần dễ dàng truyền qua

b Mạch lọc LC song song (LC Parallel High-Pass Filter)

- Cấu tạo: Tụ điện (C) và cuộn cảm (L) được nối song song với nhau, tín hiệu đầu ra được

lấy sau tổ hợp LC.

- Nguyên lý hoạt động:

 Ở tần số thấp, tổ hợp LC song song có trở kháng rất cao, cản tín hiệu

 Ở tần số cao, trở kháng của LC giảm, cho phép tín hiệu cao tần đi qua

 1.2.2 Mạch lọc thông cao LC bậc cao (Higher-Order LC Filters)

Mạch lọc LC bậc cao được xây

dựng bằng cách sử dụng nhiều tổ hợp

LC để cải thiện độ dốc (roll-off) và độ

chính xác của mạch lọc

a Mạch lọc thông cao LC bậc hai

(Second-Order High-Pass Filter)

- Cấu tạo: Hai tổ hợp LC được kết nối liên tiếp.

- Đặc điểm:

 Độ dốc đáp ứng tín hiệu ở ngoài tần số cắt là -40 dB/decade (so với -20 dB/decade ở bậc một)

 Cho phép lọc chính xác hơn với tín hiệu nhiễu ở tần số thấp

b Mạch lọc thông cao LC bậc N (N-Order High-Pass Filter)

- Cấu tạo: Sử dụng nhiều tổ hợp LC để tạo ra mạch lọc bậc N.

- Đặc điểm:

 Độ dốc tăng dần theo cấp bậc (bậc N: -20N dB/decade).

 Được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu lọc nhiễu cao tần chính xác như mạch RF hoặc truyền dẫn tín hiệu viễn thông

1.2.3 Mạch lọc thông cao LC dạng đặc biệt

a Mạch lọc thông cao LC T (T-Type Filter)

- Cấu tạo: Tổ hợp ba linh kiện (L, C)

sắp xếp theo hình chữ T

 Tụ điện được nối ở hai nhánh

song song với nguồn

 Cuộn cảm nằm ở nhánh nối tiếp

- Đặc điểm:

 Tần số cắt có thể điều chỉnh dễ dàng bằng các giá trị của L và C

 Ứng dụng nhiều trong mạch ghép tín hiệu cao tần

b Mạch lọc thông cao LC π (Pi-Type Filter)

- Cấu tạo: Tổ hợp ba linh kiện (L, C) sắp xếp theo hình chữ π.

 Cuộn cảm được nối ở hai nhánh song song với nguồn

 Tụ điện nằm ở nhánh nối tiếp

- Đặc điểm:

 Hiệu quả trong lọc nhiễu tần số thấp và truyền tín hiệu tần số cao

 Thường dùng trong các mạch điều chỉnh tín hiệu đầu ra cho hệ thống công suất lớn.

PHẦN 2 MẠCH LỌC THÔNG CAO LC

2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông cao LC

Trong mô phỏng này, mạch lọc thông cao LC được xây dựng bằng phần mềm SIMetrix/SIMPLIS với cấu trúc gồm:

 Cuộn cảm (L1): 10 µH.

 Điện trở R1: 10 mΩ, nối tiếp với L1

 Tụ điện (C1): 470 µF, đấu song song tại đầu ra

 Điện trở tải (R3): 10 Ω, song song với tụ

 Tụ nhỏ (R2): 1 µF, đấu với đất để giảm nhiễu tần số cao hơn

 Nguồn tín hiệu đầu vào là một tín hiệu xoay chiều (AC)

2.2 Nguyên lý hoạt động mạch lọc thông cao LC

- Ở tần số thấp:

 Cuộn cảm (L1): Hoạt động như một trở kháng cao (do 𝑋𝐿 = 2πfL tăng khi 𝑓 thấp) Điều này gây ra cản trở lớn cho dòng tín hiệu tần số thấp, làm giảm đáng kể điện áp tại đầu ra Vout

 Tụ điện (C1): Có trở kháng rất cao ở tần số thấp ( 𝑋𝐶 = 2 πfC1 ), nên hầu hết tín hiệu

bị chặn lại và không được truyền qua

- Ở tần số cao:

 Cuộn cảm (L1): Có trở kháng thấp ở tần số cao, cho phép tín hiệu dễ dàng truyền qua

 Tụ điện (C1): Có trở kháng thấp ở tần số cao, giúp tín hiệu tần số cao dễ dàng truyền đến tải R3

- Vai trò của R1 và R2:

 R1: Giúp giới hạn dòng điện qua cuộn cảm L1, giảm tổn thất và bảo vệ mạch.

 R2: Hoạt động như một tụ nhỏ để loại bỏ nhiễu hoặc tín hiệu tần số rất cao không mong muốn

2.3 Đặt tính lọc

Điểm cắt tần số ( 𝑓𝑐) được tính bằng công thức:

𝑓𝑐 = 2 π√1LC

Do đó:

L=10μH=10⋅10−6H

C=470 μF=470⋅10−6 F

Thay vào công thức:

𝑓𝑐 = 2 π√1LC = 2 π√( 470⋅101−6).(10⋅10−6) = 2325 Hz

Kết luận:

 Tần số cắt fc ≈ 2.325 kHz

 Điều này có nghĩa là mạch sẽ cho phép tín hiệu có tần số cao hơn khoảng 2.325 kHz truyền qua, còn các tín hiệu tần số thấp hơn sẽ bị chặn

2.4 Mô phỏng trên SIMetrix/SIMPLIS

a Trong miền tần số

 Thiết lập dải tần số:

o Start Frequency: 10 Hz

o Stop Frequency: 1MegHz

o Number of Points per Decade: 1k

 Chọn Output Variables:

o Thêm điểm đo Vout (điện áp trên tải) và Vin (điện áp nguồn) để quan sát

- Giải thích:

1 Trục ngang (Frequency / Hertz):

thấy từ điểm này trở đi biên độ tăng)

- 23.194 kHz: Một tần số đặc biệt khác, có thể liên quan đến độ lợi lớn nhất

2 Trục dọc (Gain / dB):

- Dưới 0 dB: Mạch có độ suy giảm tín hiệu (attenuation) ở tần số thấp

- Trên 0 dB: Mạch tăng cường tín hiệu ở tần số cao hơn tần số cắt (trong trường hợp này là 2.455 kHz)

3 Các đường biểu diễn (Curves):

Các đường cong trên biểu đồ thể hiện độ lợi của mạch tại các giá trị tần số khác nhau

Đặc điểm chính:

 Tần số dưới 2.455 kHz: Đường cong giảm nhanh (đặc trưng của mạch lọc thông cao) Tín hiệu đầu ra bị suy giảm mạnh

 Tần số gần 2.455 kHz: Đây là vùng chuyển tiếp (transition region) giữa vùng suy giảm và vùng thông (passband)

 Tần số từ 2.455 kHz trở lên: Biên độ tín hiệu tăng mạnh, cho thấy mạch bắt đầu cho tín hiệu cao tần đi qua

 Đỉnh tại 23.194 kHz: Nếu có cộng hưởng (resonance), mạch sẽ có một điểm đạt biên

độ cực đại ở tần số này

4 Tần số cắt (Cut-off Frequency):

Điểm cắt 2.455 kHz (đánh dấu bởi đường thẳng đứng) là nơi biên độ tín hiệu giảm -3 dB so với giá trị đỉnh

b Trong miền thời gian

- Khi cho tần số đầu vào 100Hz thì nằm dưới tần số cắt là 2.32k Hz dẫn đến tín hiệu đầu ra gần như bằng 0

 Nguồn vào của độ nhiễu sóng 1V = nguồn ra cũng 1V

- Khi cho tần số đầu vào 23k Hz thì tín hiệu ra duy trì ở dạng sóng hình sin với biên độ gần như không đổi

 Nguồn vào 1V, nguồn ra 10mV

- Khi cho tần số đầu vào 2.3k Hz thì:

Đường màu xanh lá cây: Sóng điện áp đầu ra Vout dao động theo thời gian.

 Đường sóng này đại diện cho tín hiệu đã được

lọc, với thành phần tần số cao được giữ lại

 Biên độ tín hiệu dao động quanh trục 0V, với

biên độ dương cao nhất khoảng 10V và biên

độ âm thấp nhất khoảng -10V.

Đường màu đỏ: Đường trung bình hoặc đường bao (envelope) của tín hiệu.

 Đường đỏ này biểu thị sự thay đổi tổng quát về biên độ hoặc điện áp trung bình của tín hiệu

 Sự tăng dần từ khoảng 0.94 V lên đến 1.75 V cho thấy rằng có sự thay đổi trong mức

tín hiệu đầu ra

2.5 Ưu/ nhược điểm của mạch lọc thông cao LC

 Ưu điểm:

o Hiệu suất cao: Mạch lọc LC có khả năng lọc tín hiệu tốt hơn so với mạch RC,

đặc biệt ở các tần số cao

o Độ dốc cắt mạnh: Mạch lọc LC có độ dốc mạnh ở tần số cắt, giúp tách biệt rõ

ràng tín hiệu cao và thấp

o Tín hiệu ổn định: Mạch LC có độ ổn định cao hơn, ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt

độ hoặc thời gian hoạt động

 Nhược điểm:

o Kích thước và chi phí: Mạch LC yêu cầu sử dụng các thành phần như cuộn

cảm, có thể làm tăng kích thước và chi phí của mạch

o Tốc độ phản ứng chậm: Mạch LC có thể có phản ứng chậm đối với các tín

hiệu thay đổi nhanh, đặc biệt trong các ứng dụng cần xử lý tín hiệu số

o Độ phức tạp cao hơn: So với mạch RC, mạch LC có cấu trúc phức tạp hơn

và cần tính toán kỹ lưỡng khi thiết kế

2.6 Ứng dụng của mạch lọc thông cao LC

1 Viễn thông và RF (Radio Frequency):

 Dùng để lọc bỏ nhiễu ở tần số thấp, chỉ cho tín hiệu ở tần số cao đi qua

 Ứng dụng trong bộ thu phát vô tuyến, ăng-ten và các hệ thống truyền dẫn tín hiệu

2 Mạch điện tử công suất:

 Ứng dụng trong các bộ chuyển đổi năng lượng (inverter, UPS) để loại bỏ thành phần tần số thấp không mong muốn

3 Thiết kế hệ thống âm thanh:

 Dùng trong các hệ thống phân tần loa (crossover), để phân chia tín hiệu âm thanh theo dải tần (bass, mid, treble)

4 Hệ thống đo lường và điều khiển:

 Dùng trong các thiết bị đo lường chính xác để lọc tín hiệu, đảm bảo chỉ thu nhận tín hiệu ở dải tần mong muốn

5 Hệ thống radar và vi sóng:

 Được sử dụng để lọc nhiễu và tăng cường tín hiệu trong các ứng dụng radar, đảm bảo phát hiện chính xác

6 Nghiên cứu khoa học:

 Sử dụng trong các phòng thí nghiệm để kiểm tra và phân tích tín hiệu trong các hệ thống điện tử và mạch điện

 Nghiên cứu vật liệu và linh kiện điện tử như tụ điện, cuộn cảm để cải thiện hiệu suất của mạch LC

KẾT LUẬN

Mạch lọc thông cao LC là một trong những mạch lọc cơ bản và quan trọng trong các

hệ thống điện tử, đặc biệt trong việc xử lý tín hiệu và ứng dụng trong các hệ thống truyền thông, âm thanh, và các mạch điện tử khác Qua nghiên cứu, chúng ta đã tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, và các đặc điểm của mạch lọc thông cao LC, bao gồm các yếu tố như tần số cắt, đáp ứng tần số, và các ứng dụng thực tế Mạch lọc thông cao LC sử dụng các

thành phần thụ động như cuộn cảm và tụ điện để tạo ra một phản ứng tần số có khả năng loại

bỏ các tần số thấp, chỉ cho phép tín hiệu có tần số cao đi qua

Mạch lọc có ưu điểm về độ ổn định và hiệu suất cao ngoài ra còn rất linh hoạt trong việc thiết kế, dễ dàng điều chỉnh được thông qua các giá trị của các linh kiện Tuy nhiên, một số hạn chế như độ khuếch đại không cao và các yếu tố ngoại vi như trở kháng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch cũng cần được xem xét khi áp dụng trong thực tế

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Như Anh (2007), Kỹ thuật xung, Nhà xuất bản Đại học quốc gia Thành

phố Hồ Chí Minh.

[2] Phan Thanh Minh, Kỹ thuật xung, Nhà xuất bản Đại học Giao thông vận tải

Thành phố Hồ Chí Minh.

[3] https://www.youtube.com/watch?v=jyT8H8niaD0