ข่าวสาร - คุณสมบัติของตัวกรองแบบแบนด์พาส

ตัวกรองผ่านย่านความถี่แบบพาสซีฟสามารถสร้างได้โดยการเชื่อมต่อตัวกรองความถี่ต่ำเข้ากับตัวกรองความถี่สูง

ตัวกรองแบบพาสซีฟแบนด์พาสสามารถใช้เพื่อแยกหรือกรองความถี่บางช่วงที่อยู่ภายในย่านความถี่ที่กำหนดได้ ความถี่ตัดหรือจุด ƒc ในตัวกรองแบบพาสซีฟ RC อย่างง่ายสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำโดยใช้ตัวต้านทานเพียงตัวเดียวต่ออนุกรมกับตัวเก็บประจุแบบไม่มีขั้ว และขึ้นอยู่กับทิศทางการต่อ เราจะเห็นได้ว่าได้ตัวกรองแบบโลว์พาสหรือไฮพาส

การใช้งานง่ายๆ อย่างหนึ่งของตัวกรองแบบพาสซีฟประเภทนี้คือในวงจรขยายเสียงหรือวงจรต่างๆ เช่น ตัวกรองครอสโอเวอร์ของลำโพงหรือตัวควบคุมโทนเสียงของปรีแอมป์ บางครั้งจำเป็นต้องปล่อยให้ความถี่ผ่านไปได้เฉพาะช่วงความถี่ที่กำหนดเท่านั้น ซึ่งไม่เริ่มต้นที่ 0 เฮิรตซ์ (DC) หรือสิ้นสุดที่จุดความถี่สูงใดๆ แต่ต้องอยู่ในช่วงความถี่หรือแถบความถี่ที่กำหนด ไม่ว่าจะเป็นช่วงแคบหรือกว้างก็ตาม

โดยการเชื่อมต่อหรือ "เรียงต่อกัน" วงจรกรองความถี่ต่ำ (Low Pass Filter) หนึ่งวงจรเข้ากับวงจรกรองความถี่สูง (High Pass Filter) เราสามารถสร้างตัวกรอง RC แบบพาสซีฟอีกประเภทหนึ่งที่ยอมให้ช่วงความถี่ที่เลือกไว้ผ่านไปได้ ซึ่งอาจเป็นช่วงความถี่แคบหรือกว้างก็ได้ ในขณะที่ลดทอนความถี่ทั้งหมดที่อยู่นอกช่วงนี้ การจัดเรียงตัวกรองแบบพาสซีฟประเภทใหม่นี้สร้างตัวกรองที่เลือกความถี่ได้ ซึ่งโดยทั่วไปเรียกว่าตัวกรองแบบผ่านย่านความถี่ (Band Pass Filter หรือ BPF)

แตกต่างจากตัวกรองความถี่ต่ำที่ยอมให้สัญญาณผ่านเฉพาะช่วงความถี่ต่ำ หรือตัวกรองความถี่สูงที่ยอมให้สัญญาณผ่านช่วงความถี่สูง ตัวกรองความถี่ผ่านช่วง (Band Pass Filter) จะยอมให้สัญญาณผ่านในช่วงความถี่ที่กำหนด โดยไม่ทำให้สัญญาณอินพุตผิดเพี้ยนหรือเกิดสัญญาณรบกวนเพิ่มเติม ช่วงความถี่นี้สามารถมีความกว้างเท่าใดก็ได้ และโดยทั่วไปเรียกว่าแบนด์วิดท์ของตัวกรอง

โดยทั่วไป แบนด์วิดท์จะถูกกำหนดให้เป็นช่วงความถี่ที่อยู่ระหว่างจุดตัดความถี่สองจุดที่กำหนดไว้ (ƒc) ซึ่งต่ำกว่าความถี่ศูนย์กลางสูงสุดหรือความถี่เรโซแนนซ์ 3dB ในขณะที่ลดทอนหรือทำให้ความถี่อื่นๆ นอกเหนือจากสองจุดนี้อ่อนลง

สำหรับความถี่ที่กระจายตัวเป็นวงกว้าง เราสามารถกำหนดคำว่า "แบนด์วิดท์" (BW) ได้ง่ายๆ ว่าเป็นผลต่างระหว่างความถี่ตัดต่ำสุด (ƒcLOWER) และความถี่ตัดสูงสุด (ƒcHIGHER) กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ BW = ƒH – ƒL เห็นได้ชัดว่าเพื่อให้ตัวกรองแบบผ่านย่านความถี่ทำงานได้อย่างถูกต้อง ความถี่ตัดของตัวกรองความถี่ต่ำต้องสูงกว่าความถี่ตัดของตัวกรองความถี่สูง

ตัวกรองแบบแบนด์พาส “ในอุดมคติ” ยังสามารถใช้เพื่อแยกหรือกรองความถี่บางอย่างที่อยู่ในช่วงความถี่ที่กำหนดได้ เช่น การลดเสียงรบกวน ตัวกรองแบบแบนด์พาสโดยทั่วไปเรียกว่าตัวกรองอันดับสอง (สองขั้ว) เนื่องจากมีส่วนประกอบรีแอคทีฟ “สองตัว” คือ ตัวเก็บประจุ ในวงจร ตัวเก็บประจุตัวหนึ่งอยู่ในวงจรผ่านความถี่ต่ำ และอีกตัวหนึ่งอยู่ในวงจรผ่านความถี่สูง

กราฟ Bode Plot หรือเส้นโค้งการตอบสนองความถี่ด้านบนแสดงลักษณะเฉพาะของตัวกรองแบบผ่านย่านความถี่ โดยสัญญาณจะถูกลดทอนที่ความถี่ต่ำ ในขณะที่เอาต์พุตจะเพิ่มขึ้นด้วยความชัน +20dB/Decade (6dB/Octave) จนกระทั่งความถี่ถึงจุด "ตัดต่ำสุด" ƒL ที่ความถี่นี้ แรงดันเอาต์พุตจะเท่ากับ 1/√2 = 70.7% ของค่าสัญญาณอินพุต หรือ -3dB (20*log(VOUT/VIN)) ของค่าอินพุต

สัญญาณเอาต์พุตจะคงอยู่ที่ระดับการขยายสูงสุดจนกระทั่งถึงจุด "ตัดขอบบน" ƒH ซึ่งสัญญาณเอาต์พุตจะลดลงในอัตรา -20dB/Decade (6dB/Octave) โดยจะลดทอนสัญญาณความถี่สูงใดๆ จุดที่มีการขยายสัญญาณเอาต์พุตสูงสุดโดยทั่วไปคือค่าเฉลี่ยเรขาคณิตของค่า -3dB สองค่าระหว่างจุดตัดขอบล่างและบน และเรียกว่าค่า "ความถี่ศูนย์กลาง" หรือ "จุดสูงสุดของการสั่นพ้อง" ƒr ค่าเฉลี่ยเรขาคณิตนี้คำนวณได้จาก ƒr² = ƒ(บน) x ƒ(ล่าง)

Aตัวกรองแบบผ่านย่านความถี่ถือว่าเป็นตัวกรองแบบอันดับสอง (สองขั้ว) เนื่องจากมีส่วนประกอบรีแอคทีฟ "สอง" ตัวในโครงสร้างวงจร ดังนั้นมุมเฟสจะเป็นสองเท่าของตัวกรองแบบอันดับแรกที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ คือ 180 องศา มุมเฟสของสัญญาณเอาต์พุตจะนำหน้าสัญญาณอินพุตที่ +90 องศา จนถึงความถี่ศูนย์กลางหรือความถี่เรโซแนนซ์ ซึ่งจะกลายเป็น "ศูนย์" องศา (0 องศา) หรือ "อยู่ในเฟส" จากนั้นจะเปลี่ยนเป็นล้าหลังสัญญาณอินพุตที่ -90 องศา เมื่อความถี่เอาต์พุตเพิ่มขึ้น

จุดความถี่ตัดบนและล่างสำหรับตัวกรองแบบผ่านย่านความถี่สามารถหาได้โดยใช้สูตรเดียวกับที่ใช้สำหรับตัวกรองแบบผ่านความถี่ต่ำและผ่านความถี่สูง ตัวอย่างเช่น