什麼是高通濾波器：工作及其應用

濾波器是允許特定頻率分量並衰減輸入信號中不需要的頻率分量的電子電路。 這些在各種電子應用中都可以找到，以允許信號的特定頻率範圍。 基本上，過濾器根據設計和操作中使用的組件類型分為兩種類型。 它們是被動過濾器和主動過濾器。 根據頻率範圍，濾波器分為 4 種類型。 它們是低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。 本文介紹了高通濾波器，它既可以用作有源濾波器，也可以用作無源濾波器。什麼是高通濾波器？濾波器具有允許信號的高頻分量並衰減信號的所有低頻分量的能力。信號，稱為高通濾波器。 它可以允許大於截止頻率的高頻分量，並拒絕信號的所有其他不需要的頻率分量。 這些類型的濾波器可以在各種射頻電路和信號處理系統中找到。 實際上，該濾波器將允許信號的較低頻率，該頻率低於截止頻率。 高通濾波電路該電路與低通濾波電路相同，只是元件電阻和電容如下圖所示互換。高通濾波器電路兩個無源元件電阻和電容串聯組合，以允許高於信號截止頻率的頻率。 通過在電容器兩端施加輸入電壓，在電阻兩端獲得信號的輸出電壓。 這種類型的濾波器屬於一階高通濾波器電路。 二階 HPF 只不過是兩個串聯的 RC 高通濾波器電路的級聯。 二階HPF中通帶增益的增加率為+40dB/decade。 無源RC HPC無源RC高通濾波器電路可以設計為電阻和電容兩種組合（無源RC HPF）； 電阻器和電感器（無源 RL HPF）基於應用。 無源 RC HPF 用於音頻或低頻範圍內的應用。 無源 RL HPF 電路用於 RF 或高頻範圍的應用。高通濾波器電路也稱為無源 RC 高通濾波器，因為使用了電阻器和電容器等無源元件。 主要優點是不需要外接任何電源或任何放大元件。無源RC HPF是一個簡單的RC HPF電路，如上圖所示。 電容器和電阻器串聯連接，其中在電阻器兩端產生輸出電壓。 由於電容器的電抗，濾波器僅允許高於截止頻率的信號的高頻並阻止低於截止頻率的信號的較低頻率。 特性這些高通濾波器特性根據輸出信號的頻率響應和相移進行解釋。理想特性 HPF 的主要特性是，它允許所有高於截止頻率的高頻分量並衰減所有低頻低於截止頻率的信號。 HPF 的理想特性如下所示。 通帶被稱為 HPF 允許大於截止頻率的更高頻率。 該濾波器衰減低頻，稱為阻帶。高通濾波器的理想特性頻率響應輸出信號的頻率與增益成正比。 隨著頻率增加，增益增加。 RC 高通濾波器的頻率響應取決於電容器的電抗。電容器產生所需量的電抗或高電抗以衰減信號的低頻，即低於截止頻率。 在電容器的低電抗下，RC 高通濾波器允許信號的高頻分量，即大於截止頻率。 但是，實際上，RC 高通濾波器允許低於其截止頻率的低頻。 當電抗在高頻下為低/零時，RC 高通濾波器的增益變為統一。 即輸出電壓與給定的輸入電壓相同。 為了允許高頻並拒絕低頻，容抗隨著頻率的增加而減小，這導致輸出電壓和增益增加。 容抗給出為，Xc = 1/2πfc 其中 'fc' = 截止頻率，單位 Hz'Xc' = 容抗 RC 高通濾波器的頻率響應和相移特性如下所示。RC HPF 特性 從圖中我們可以觀察到，當頻率處於截止頻率且 R=Xc 時，低頻被阻塞/拒絕並增加輸出電壓 +20dB/decade。 當輸出電壓為 0.7071 或其輸入電壓的 70.71%，即 -3dB 輸入和輸出電平（通過計算 20 log Vout/Vin）時，RC 高通濾波器允許高頻（從截止頻率到無窮大）。 這意味著HPF的頻率響應是，允許高頻信號從截止頻率到無窮大。在截止頻率處，輸入信號和輸出信號的相移相同，即45°。 當信號頻率大於截止頻率時，相位角為零。 這意味著輸出信號在高頻下與輸入信號同相。電容器充電和放電所需的時間以時間常數的形式表示，用“τ”表示。 RC 高通濾波器的時間常數為τ = RC = 1/2πfcω = 1/τ = 1/RC RC HPF 的截止頻率為，fc= 1/2πRC RC HPF 的相移為給定為Φ=tan-1 (1/2πfRC) 其中'fc' = 截止頻率，單位Hz'f' = 工作頻率，單位Hz'R' = 電阻值，單位為歐姆'C'= 電容值，單位為法拉高通使用運算放大器的濾波器使用運算放大器的高通濾波器非常容易設計和實現，因為它使用的數量有限。 電子元件並消除噪音和嗡嗡聲。 使用運算放大器的高通濾波器的電路圖如下所示。 無源 RC HPF 連接到同相運算放大器，用於放大和電壓增益控制。使用運算放大器的高通濾波器輸出受運算放大器的開環特性限制。 RC HPF 的輸出施加到運算放大器，用於放大和控制輸出信號的電壓增益。 使用運算放大器的高通濾波器的電壓增益給出為/fc)/√(1+(f/fc)2) 其中 Av= 電壓增益，單位為 dB= 1+R2/R1Af = 通帶增益 fc= 截止頻率，單位為 Hzf = 工作頻率，單位為 Hz 當 f < fc（低頻） ，則 Vout/Vin < Af 當 f = fc（在截止頻率時），則 Vout/Vin=Af/2 ^½ = 0.7071Af 當 f > fc（高頻）時，則 Vout/Vin = Af 的閉環帶寬運算放大器決定了 HPF 的最高頻率，它具有恆定的通帶增益 Af。電壓增益的幅度為 Av(dB) = 20 log (Vout/Vin)-3dB = 20 log (0.707 Vout / Vin ）有源高通濾波器如果RC高通濾波器連接到運算放大器等有源元件以允許高頻並拒絕低頻，則稱為有源HPF。 有源 HPF 的頻率響應和相移與 RC HPF 相同。 有源高通濾波器的目的是控制電壓增益和放大輸出信號。 用於放大的有源高通濾波器的電路圖如下所示。用於放大的有源 HPF RC HPF 電路連接到同相運算放大器。 無源高通濾波器的輸出和截止頻率由運算放大器控制。 運算放大器的帶寬和增益特性決定了截止頻率。 這種類型的濾波器充當帶通濾波器。 運放增加輸出信號的幅度，通帶的輸出電壓增益為1+R2/R1，與低通濾波器相同。 傳遞函數推導高通濾波器傳遞函數，我們將考慮如上所示的無源 RC HPF 電路。從上述電路中，Vo = 電阻器兩端的輸出電壓 Vi = 電容器兩端施加的輸入電壓通過在輸入端和輸出端進行拉普拉斯變換，H(s)=Vₒ(s)/ Vᵢ(s)H(s)=R/(R+(1/sC)) 上式變為，H(s)=sCR/(1+sCR) 通過將上式中的s=jw代入H(jω)=jωCR /(1+jωCR)那麼方程就變成了HPF傳遞函數的大小表示為|H(jω)|=ωCR/√(1+(ωCR)^2 )如果ω=0，那麼HPF傳遞函數=0如果ω = 1/CR，則 HPF 傳遞函數 = 0.707 如果 ω = 無窮大，則 HPF 傳遞函數 = 1 因此上述傳遞函數特性表明無源 RC 高通濾波器可以允許高頻從截止頻率到 i 無窮大。 即，如果 ω 從 0 變化到無窮大，則從 1 變化到 0。Butterworth HPF Butterworth 高通濾波器是 HPF 的一種類型，它在通帶中提供平坦的頻率響應。 由於其平坦的頻率響應，不會有波紋。 它也被稱為平面濾波器，用於通帶閉環增益為單位的各種應用。 一階巴特沃斯高通濾波器的電路圖和頻率響應如下圖所示。 這些都很容易，設計也很簡單。Butterworth HPF 一階 Butterworth HPF 的增益以 +20dB/decade 的速率增加，而二階 Butterworth HPF 的增益為 +40dB/decade。巴特沃斯 HPF 特性應用高通濾波器的應用是放大信號的揚聲器圖像處理用於放大直流電流和交流耦合控制系統和音頻處理系統。電話中的 DSL 分離器射頻應用因此，這是關於高通濾波器（有源和無源類型）的概述- 定義、電路、Butterworth HPF、使用運算放大器的 HPF 及其應用。 這是一個問題，“高通濾波器的優點和缺點是什麼？”

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