วงจรแอนะล็อกใช้สัญญาณที่ต่อเนื่องและเปลี่ยนแปลงไปมา ซึ่งเรียกว่าสัญญาณแอนะล็อก ซึ่งแตกต่างจากวงจรดิจิทัล ซึ่งต้องใช้สัญญาณในระดับใดระดับหนึ่งจากสองระดับที่แยกจากกัน การเปลี่ยนแปลงของกระแส แรงดันไฟฟ้า หรือความถี่สามารถใช้เพื่อส่งข้อมูลในวงจรแอนะล็อกได้ ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำ ไดโอด ทรานซิสเตอร์ และเครื่องขยายสัญญาณการทำงานทั้งหมดล้วนเป็นแอนะล็อกโดยเนื้อแท้ วงจรที่สร้างจากส่วนประกอบเหล่านี้ทั้งหมดเรียกว่าวงจรแอนะล็อก [1]

วงจรแอนะล็อกแบบง่าย

เกี่ยวกับตัวกรอง

ฟิลเตอร์ หรือเรียกอีกอย่างว่าวงจรเลือกความถี่ เป็นวงจรประเภทพิเศษในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แอนะล็อกที่ใช้กรองสัญญาณอินพุตบางสัญญาณตามความถี่ของสัญญาณนั้นๆ วงจรฟิลเตอร์จะอนุญาตให้แบนด์ความถี่บางแบนด์ผ่านไปได้โดยไม่ลดทอนหรือขยายสัญญาณเพียงเล็กน้อยในขณะที่ลดทอนแบนด์ความถี่อื่นๆ ขึ้นอยู่กับประเภทของฟิลเตอร์ [2]

โดยทั่วไปแล้วมีตัวกรองความถี่ 4 ประเภทที่ใช้ในการกรองส่วนต่างๆ ของย่านความถี่

1. ฟิลเตอร์กรองความถี่ต่ำ
2. ฟิลเตอร์กรองความถี่สูง
3. ตัวกรองแบนด์พาส
4. ตัวกรองแบนด์สต็อป/น็อตช์

การใช้งานของฟิลเตอร์

ตัวกรองเป็นส่วนประกอบสำคัญของระบบอิเล็กทรอนิกส์และการสื่อสาร ตัวกรองเป็นวงจรเชิงเส้นที่ขจัดส่วนประกอบที่ไม่ต้องการออกจากสัญญาณอินพุตโดยเปลี่ยนแอมพลิจูดและ/หรือลักษณะเฟสของสัญญาณเทียบกับความถี่ เช่น สัญญาณรบกวน สัญญาณรบกวน ความบิดเบือน หรือช่วงความถี่ที่ไม่ต้องการ [3]

แอปพลิเคชันที่มีให้เลือกได้แก่:

• สัญญาณรบกวนพื้นหลังลดลงด้วยวงจรตัวกรอง
• ใช้เพื่อปรับวิทยุไปที่ความถี่ที่กำหนด
• ใช้ในระบบเสียงเพื่อการขยายเสียงล่วงหน้า การปรับแต่งเสียง และการควบคุมโทนเสียง
• นอกจากนี้ยังใช้ในวงจรแปลงข้อมูลและการประมวลผล/ปรับสภาพสัญญาณอีกด้วย
• ระบบอิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์ใช้วงจรตัวกรองจำนวนมาก

ฟิลเตอร์แบบพาสซีฟและแบบแอ็คทีฟ

ตัวกรองแบบพาสซีฟประกอบด้วยส่วนประกอบแบบพาสซีฟ เช่น ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ และตัวเหนี่ยวนำ ตามชื่อที่บ่งบอก ตัวกรองเหล่านี้ไม่ต้องการแหล่งจ่ายไฟภายนอก ดังนั้น ตัวกรองเหล่านี้จึงไม่มีอัตราขยายแรงดันไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าขาออกจะไม่เท่ากับแรงดันไฟฟ้าขาเข้า แม้ว่าการออกแบบจะเรียบง่ายมาก แต่การเพิ่มโหลดให้กับตัวกรองนี้จะส่งผลต่อประสิทธิภาพ [2]

ตัวกรองแอ็คทีฟประกอบด้วยเครื่องขยายสัญญาณการทำงาน ทรานซิสเตอร์ และส่วนประกอบแอ็คทีฟอื่นๆ ร่วมกับตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ ข้อเสียคือต้องใช้แหล่งจ่ายไฟภายนอก แม้ว่าจะมีค่าเกนแรงดันไฟฟ้าสูงและสัญญาณอินพุตจะคูณด้วยค่าแฟกเตอร์เกนนี้ก็ตาม ตัวกรองแอ็คทีฟอาจมีการออกแบบที่ซับซ้อนกว่า แต่มีอิมพีแดนซ์อินพุตสูงมากและอิมพีแดนซ์เอาต์พุตต่ำ ดังนั้น คุณลักษณะของตัวกรองแอ็คทีฟจึงไม่ได้รับผลกระทบจากอิมพีแดนซ์โหลด [2]

คำศัพท์ที่ใช้ในการออกแบบตัวกรอง

หากต้องการทำความเข้าใจการตอบสนองความถี่ของตัวกรอง คุณต้องเข้าใจคำศัพท์ที่เกี่ยวข้องกับตัวกรองเสียก่อน ต่อไปนี้เป็นคำศัพท์บางคำที่ใช้เพื่ออธิบายคุณสมบัติของตัวกรอง [2]

แบนด์วิธ

Passband หมายถึงช่วงความถี่ในสัญญาณอินพุตที่ผ่านตัวกรองโดยไม่ถูกลดทอน หากตัวกรองเป็นแบบพาสซีฟ Passband มักจะไม่มีค่าเกน Passband ของตัวกรองแบบแอ็คทีฟอาจมีค่าเกนได้ขึ้นอยู่กับการตั้งค่าวงจร

หยุดเทป

Stopband หมายถึงช่วงความถี่ในสัญญาณอินพุตที่ถูกบล็อกหรือลดทอนโดยตัวกรอง โดยทั่วไปแล้วค่าเกนที่ Stopband จะน้อยกว่า -3db ของอินพุต

ความถี่ตัด

แถบผ่านและแถบหยุดจะแยกจากกันด้วยความถี่ตัดหรือความถี่มุม แรงดันไฟฟ้าของสัญญาณเอาต์พุตที่ความถี่ตัดคือ 70.7% ของแรงดันไฟฟ้าของสัญญาณอินพุต เรียกอีกอย่างว่าความถี่ -3db

ความถี่กลาง F0

ความถี่กลางแสดงถึงความถี่จุดกึ่งกลางระหว่างความถี่ตัด -3dB ของแบนด์พาสหรือตัวกรองแบบนอตช์ จุดตัด -3dB เรียกอีกอย่างว่าความถี่ตัดล่างและบนของวงจรตัวกรอง [4]

สำหรับตัวกรองแบนด์พาสที่กว้างขึ้น โดยที่อัตราส่วน f2/f1 มากกว่า 1.1 สามารถประมาณความถี่ศูนย์กลางได้ด้วยสูตรต่อไปนี้

F0 = √(f1 f2)

อย่างไรก็ตาม สำหรับตัวกรองแบนด์พาสแคบที่อัตราส่วน f2/f1 น้อยกว่า 1.1 สามารถคำนวณความถี่กลางได้โดยการบวกความถี่ตัด 2 ความถี่หารด้วย 2 ซึ่งแสดงอยู่ในสูตร

F0 = (f1 + f2) / 2

แบนด์วิธ:

แบนด์วิดท์ของตัวกรองคือช่วงความถี่ที่ผ่านตัวกรองได้โดยไม่ลดทอนในกรณีของตัวกรองแบนด์พาส หรือลดทอนในกรณีของตัวกรองแบนด์รีเจ็กต์

บี = f2 – f1

3 วิธีในการออกแบบฟิลเตอร์อะนาล็อก

ในบทความนี้ เราจะพูดถึงสามวิธีทางเลือกสำหรับการออกแบบตัวกรองแบนด์พาสโดยมีข้อกำหนดดังต่อไปนี้

• ความถี่ตัดต่ำ f1 = 1kHz
• ความถี่ตัดเหนือ f2 = 5kHz
• เพิ่ม = 1
• ลำดับ = 2
• ประเภท : บัตเตอร์เวิร์ธ

1. ซอฟต์แวร์ห้องปฏิบัติการตัวกรองไมโครชิป

Filter Lab เป็นเครื่องมือซอฟต์แวร์นวัตกรรมใหม่ที่ทำให้การออกแบบฟิลเตอร์แอ็คทีฟเป็นเรื่องง่ายขึ้น ดาวน์โหลดได้ฟรีจากเว็บไซต์ของ Microchip https://www.microchip.com/en-us/development-tool/FilterLabDesignSoftware เครื่องมือออกแบบซอฟต์แวร์ฟิลเตอร์แอ็คทีฟ Filter Lab นำเสนอไดอะแกรมวงจรฟิลเตอร์พร้อมค่าส่วนประกอบที่แนะนำและการแสดงภาพการตอบสนองความถี่ Filter Lab ช่วยให้สามารถออกแบบฟิลเตอร์โลว์พาสได้สูงสุดถึงฟิลเตอร์ลำดับที่ 8 พร้อมการตอบสนองแบบเชบีเชฟ เบสเซล หรือบัตเตอร์เวิร์ธตั้งแต่ 0.1 Hz ถึง 1 MHz

Filter Lab ยังใช้ในการออกแบบฟิลเตอร์แบนด์พาสและไฮพาสด้วยการตอบสนองแบบเชบีเชฟและบัตเตอร์เวิร์ธได้สูงสุดถึงลำดับที่ 8 ข้อเสียคือใน Filter Lab อัตราส่วนของความถี่แบนด์พาสบนต่อความถี่แบนด์พาสล่างจะต้องอยู่ระหว่าง 1.23 ถึง 5.82 นอกจากนี้ ไม่สามารถออกแบบแบนด์พาสที่แคบกว่าใน Filter Lab เวอร์ชันปัจจุบันได้

2. เครื่องมือออกแบบตัวกรอง Texas Instruments

เครื่องมือออกแบบตัวกรองช่วยให้คุณออกแบบ ปรับแต่ง และจำลองโซลูชันตัวกรองแบบแอคทีฟหลายขั้นตอนได้ภายในไม่กี่นาที ถือเป็นเครื่องมือขั้นสูงและล้ำหน้าอย่างยิ่งพร้อมตัวเลือกมากมายที่ช่วยให้การออกแบบตัวกรองง่ายขึ้นมาก เครื่องมือนี้มีให้บริการบนเว็บไซต์ Texas Instrument https://webench.ti.com/filter-design-tool/ ข้อดีของเครื่องมือนี้คือใช้งานได้ฟรีและไม่ต้องดาวน์โหลดซอฟต์แวร์ใดๆ เนื่องจากสามารถใช้ทางออนไลน์ได้บนเว็บเบราว์เซอร์

ผู้ใช้สามารถสร้างตัวกรองแบบโลว์พาส ไฮพาส แบนด์พาส แบนด์สต็อป และฟูลพาสได้โดยไม่มีอุปสรรคหรือข้อจำกัดใดๆ หลังจากเลือกประเภทตัวกรอง ซึ่งในกรณีของเราคือแบนด์พาส แท็บจะสลับไปที่การตอบสนองของตัวกรอง ซึ่งผู้ใช้สามารถป้อนข้อมูลจำเพาะของตัวกรองและแสดงภาพการตอบสนองของตัวกรองได้

3. การใช้สมการทางคณิตศาสตร์

ตัวกรองแบนด์พาสเป็นการผสมผสานระหว่างตัวกรองแบบโลว์พาสและตัวกรองแบบไฮพาส ครึ่งแรกของวงจรเป็นตัวกรองแบบ RC ไฮพาสแบบพาสซีฟ และครึ่งหลังของวงจรเป็นตัวกรองแบบโลว์พาส RC แบบพาสซีฟ ตัวกรองแบบไฮพาสจะอนุญาตให้สัญญาณที่มีความถี่สูงกว่าความถี่ตัดต่ำ (FC-low) และลดทอนสัญญาณที่มีความถี่ต่ำกว่า (FC-low)

FC ต่ำ = 1/(2πRC)

ในทางกลับกัน ฟิลเตอร์ RC low pass จะอนุญาตให้สัญญาณที่มีความถี่ต่ำกว่าความถี่ตัดที่สูงกว่า (Fc-high) และจะลดทอนสัญญาณที่มีความถี่สูงกว่า (FC-high)

FC สูง = 1/(2πRC)

บทสรุป

ซอฟต์แวร์ช่วยให้ชีวิตของผู้ออกแบบง่ายขึ้นมาก และกระบวนการออกแบบก็ง่ายขึ้นมากเมื่อต้องออกแบบตัวกรองแบบแอนะล็อก ในทางกลับกัน ตัวกรองสามารถสร้างได้โดยการแก้สมการทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อน ซึ่งเป็นวิธีการที่ใช้เวลานานและซับซ้อน นอกจากนี้ เพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพของตัวกรองที่ออกแบบ จำเป็นต้องจำลองวงจรโดยใช้ซอฟต์แวร์จำลอง ในทางกลับกัน หากคุณต้องการออกแบบอย่างรวดเร็วและสร้างกราฟลักษณะเฉพาะโดยป้อนข้อมูลจำเพาะที่ต้องการ ซอฟต์แวร์ออกแบบตัวกรองคือตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับคุณ

‍