Bộ lọc thông thấp là gì? Các loại chính và chi tiết về bộ lọc thông thấp thụ động

Bộ lọc thông thấp là công cụ dùng để loại trừ các tín hiệu có tần số cao không mong muốn, giúp cải thiện chất lượng của tín hiệu đầu vào và giảm thiểu các tạp âm không mong muốn. Bạn có thể thấy bộ lọc này được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện thoại di động, hệ thống điện tử, thu âm,… trong đời sống.

Trong bài viết bên dưới, mời bạn cùng tìm hiểu về bộ lọc thông thấp là gì, phân loại cũng như khái niệm về bộ lọc thông thấp thụ động.

Mục lục bài viết

Bộ lọc thông thấp là gì

Bộ lọc là một công cụ giúp “lọc” các tần số đã được chọn, giúp chặn lại một số thành phần tần số không mong muốn. Để hiểu khái niệm này, bạn cần hiểu về khái niệm miền tần số.

Khi nhìn vào đường sóng tín hiệu điện, bạn sẽ thấy đường thẳng biểu diễn sự thay đổi của điện áp. Tại bất kỳ một thời điểm nào, điện áp chỉ có một giá trị duy nhất. Ví dụ như hình dưới là đường thẳng biểu diễn miền thời gian của tín hiệu theo hình sin và hình vuông:

Bộ lọc thông thấp tên tiếng Anh là Low Pass Filter (LDF), chúng sẽ cho phép các tín hiệu có tần số thấp hơn mức cụ thể đi qua, và chặn lại các tín hiệu cao hơn. Khi tín hiệu âm thanh xuất hiện một tần số cao đột biến, chúng sẽ bị chặn lại.

Chức năng của bộ lọc thông thấp

Chức năng chính của bộ lọc thông thấp là loại bỏ các tín hiệu nhiễu và các tần số ở mức quá cao (không mong muốn), đồng thời giúp cải thiện chất lượng tín hiệu nhận được. Do đó, chúng được ứng dụng trong nhiều trường hợp khác nhau:

Xử lý âm thanh: Bộ lọc giúp giảm bớt tiếng ồn, loại bỏ các thành phần có tần só quá cao, giúp âm thanh nghe được rõ ràng hơn, tạo chiều sâu cho âm thanh.
Xử lý hình ảnh: Bộ lọc giúp làm mịn hình ảnh và loại bỏ các yếu tố gây nhiễu, giúp hình ảnh được sắc nét hơn.
Lĩnh vực y sinh: Bộ lọc được dùng để loại bỏ các tín hiệu tần số cao bị nhiễu, giúp các tín hiệu y sinh rõ ràng hơn, để bác sĩ chẩn đoán bệnh tình chính xác hơn, hỗ trợ việc điều trị bệnh nhân.
Lĩnh vực viễn thông: Hạn chế các băng thông bất thường, chặn các phần tử có tần số quá cao gây nhiễu, giúp đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu và tránh sự cố hư hỏng dữ liệu khi truyền tải.
Loại bỏ các tần số cao đột biến khong mong muốn, chẳng hạn tiếng ồn từ micro kém chất lượng, tiếng rít khi thu âm tại khu vực ồn ào,…. Đây là công đoạn quan trọng trong xử lý âm thanh hậu kỳ.
Tạo ra các phiên bản âm thanh khác nhau. Ví dụ, một đoạn âm nhạc có 2 phần nhạc cụ khác nhau hợp tấu, bạn có thể áp dụng bộ lọc để xóa bớt 1 phần nhạc cụ, tạo ra phiên bản âm thanh hấp dẫn và khác biệt hơn.

Nhìn chung, bộ lọc giúp làm giảm hoặc suy yếu các tín hiệu ở tần số mà chúng ta không mong muốn, nhưng đồng thời vẫn giữ nguyên các tín hiệu khác.

Phân loại các bộ lọc

Tùy vào chức năng, các bộ lọc có thể được phân loại vào mục tương ứng, tùy vào việc chúng cho phép tần số nào đi qua:

Nếu bộ lọc cho các tín hiệu có tần số thấp đi qua và chặn các tần số cao, chúng được gọi là bộ lọc thông thấp.
Ngược lại, nếu chúng cho tần số cao đi qua và chặn tần số thấp, chúng là bộ lọc thông cao.
Bộ lọc thông dải: chỉ cho phép các tần số nằm trong dải tương đối hẹp đi qua.
Bộ lọc dừng dải: chỉ chặn các tần số nằm trong dải tương đối hẹp, không cho chúng đi qua.

Ngoài ra, tùy vào thành phần thì bộ lọc cũng được chia thành bộ lọc chủ động (bộ lọc tích cực) và bộ lọc thụ động:

Bộ lọc thụ động: Chỉ sử dụng tụ điện, điện trở và cuộn cảm, không có khả năng tự khuếch đại nên chúng chỉ duy trì hoặc giảm bớt biên độ của các tín hiệu đi qua nó.
Bộ lọc chủ động: Bao gồm các bóng bán dẫn hoặc là các bộ khuếch đại, có thể vừa lọc vừa độ lợi.

Chúng ta có thể tạo ra bộ lọc thụ động đơn giản nhất (bậc 1) bằng cách kết nối một tụ điện và một điện trở nối tiếp qua tín hiệu đầu vào với đầu ra của bộ lọc. Tùy thuộc vào cách chúng ta kết nối 2 thiết bị này sẽ quyết định tín hiệu đầu ra, từ đó quyết định đây là bộ lọc thông thấp hay bộ lọc thông cao.

Dưới đây, chúng ta hãy cùng tìm hiểu kỹ hơn về về bộ lọc thông thấp thụ động và chủ động:

Bộ lọc thông thấp chủ động

Bộ lọc này sử dụng các nguồn điện bên ngoài, để cung cấp các tín hiệu đầu ra có tần số ở mức cần thiết. Vì một số loại mạch sử dụng công suất đầu vào khá thấp, nên chúng không thể xử lý được hết các tín hiệu đầu vào.

Nói ngắn gọn, bộ lọc thông thấp chủ động sẽ dùng các mạch khuếch đại, kết hợp với các bộ cân bằng tải để tạo ra các mạch tần số vô tuyến.

Bộ lọc thông thấp thụ động

Bộ lọc này không sử dụng nguồn điện bên ngoài, và chúng chỉ có tính năng ngăn chặn các tần số cao hơn, để đầu ra thu được chỉ là tần số thấp hơn.

Một số bộ lọc thông thấp thụ động chính là bộ lọc RC, bộ lọc RL, bộ lọc LC hoặc các loại bộ lọc cấu trúc như Chebyshev, bộ lọc T,…

Bộ lọc thông thấp RC

Bộ lọc thông thấp RC bao gồm điện trở và tụ điện, chúng có cấu tạo khá đơn giản và được sử dụng khá rộng rãi rtong các ứng dụng âm thanh. Chi phí tạo ra bộ lọc này cũng khá rẻ.

Bộ lọc này gồm 1 điện trở mắc nối tiếp và 1 tụ điện mắc song song với tải, giúp chặn các tín hiệu có tần số cao hơn, khiến các tín hiệu này không thể gửi đến tải. Cùng lúc đó, các tín hiệu có tần số thấp có thể đi qua bình thường và truyền đến tải.

Theo như sơ đồ trên, tải (LOAD) là một thành phần đơn giản. Nhưng trong thực tế, chúng có thể là linh kiện phức tạp hơn nhiều, chẳng hạn như chúng là bộ chuyển đổi Analog sang Digital, bộ khuếch đại hoặc là yếu tố đầu vào của máy hiện sóng…

Bạn có thể hiểu hơn về cách chặn các tần số cao của bộ lọc RC thông qua việc tìm hiểu về thời gian nạp và xả của tụ điện. Sự kết hợp của R và C tạo ra việc nạp và xả trên tụ điện còn được gọi là hằng số thời gian (T) trong hệ thống:

T = RC (s)

Đối với các tín hiệu có tần số thấp, tụ điện sẽ có đủ thời gian để sạc trước khi chu kỳ âm và dẫn đến ngắn mạch:

Tần số đi qua fc = 1 / (2πRC)

Có thể nói, khi tần số của tín hiệu đầu vào thấp, trở kháng của tụ điện C cao hơn so với trở kháng của điện trở R, nên hầu hết các điện áp đều nằm trong tụ điện C. Do đó, tần số thấp dễ dàng đi qua.

Ngược lại, các tín hiệu có tần số cao, trở kháng tụ điện C sẽ thấp hơn trở kháng của điện trở R, nên điện áp sẽ nằm trên điện trở R nhiều hơn, khiến tín hiệu không thể di chuyển đến tải (LOAD). Do đó, tần số cao bị chặn lại.

Bộ lọc thông thấp RL

Bộ lọc này sử dụng điện trở và cuộn cảm tương tự như bộ lọc RC, nhưng chúng được thiết kế để đáp ứng các tần số phi tuyến phụ thuộc vào sự thay đổi của nhiệt độ, nên chúng khá phức tạp khi triển khai.

Bộ lọc thông thấp LC

Bộ lọc LC được tạo ra từ tụ điện và cuộn cảm. Chúng cũng khá đơn giản khi triển khai, đồng thời mang lại đồ chính xác cao khi lọc tần số. Bộ lọc thông thấp LC thường dùng trong các mạch vô tuyến của máy phát, máy thu hoặc các bộ điều chế.

Lời kết

Trên đây là các khái niệm chi tiết về bộ lọc thông thấp, phân loại và các ứng dụng của bộ lọc trong thực tế. Tuy nhiên, bạn cũng nên hiểu rằng, thuật ngữ “tần số cao” và “tần số thấp” là khá mơ hồ. Khi dùng bộ lọc, bạn nên quyết định một ngưỡng cụ thể để có thể chặn được tần số trong phạm vi mình muốn. Hy vọng các thông tin trên đã mang đến các kiến thức hữu ích cho bạn.

IoTZone – Chuyên cung cấp thiết bị điện tử & tài liệu cho Makers