Bộ lọc thông thấp là gì? Đặc điểm chính và cách phân loại

Trong trường hợp cần lọc tín hiệu có tần số cao không mong muốn và giảm thiểu các tạp âm, bộ lọc thông thấp sẽ được sử dụng. Bạn có thể dễ dàng nhận thấy sự xuất hiện của bộ lọc này trong các thiết bị như điện thoại, thu âm, máy ảnh… Để tìm hiểu chi tiết hơn về bộ lọc thông thấp, mời bạn theo dõi bài viết dưới đây. 

Bộ lọc thông thấp là gì?

Trước hết, bộ lọc thông thấp (LPE – tên tiếng Anh đầy đủ là Low Pass Filter) là 1 trong 2 thành phần quan trọng của bộ lọc thông dải (Band Pass Filter) – một dạng lọc tần số âm thanh, chỉ cho phép tần số nhất định đi qua, bên cạnh bộ lọc thông cao (HPF – High Pass Filter). 

Về định nghĩa, Bộ lọc thông thấp là bộ lọc chỉ cho phép các tín hiệu có tần số thấp hơn tần số cắt (fc – ranh giới trong đáp ứng tần số của hệ thống) đi qua và làm suy giảm hoặc loại bỏ các thành phần tần số cao khỏi tín hiệu. Bộ lọc thông thấp được sử dụng phổ biến trong hệ thống âm thanh, laptop, thiết bị wifi, bluetooth và một số thiết bị điện tử nhạy cảm khác để loại bỏ nhiễu điện có thể ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống. Nói cách khác, LPE được thiết kế để loại bỏ nhiễu cao tần, xử lý âm thanh, làm mịn tập dữ liệu và làm mờ, khử răng cưa trong chỉnh sửa ảnh. 

LPE được các nhà thiết kế bộ lọc sử dụng như bộ lọc nguyên mẫu có băng thông và trở kháng bằng 1, sau đó sẽ điều chỉnh tỷ lệ và biến đổi thành dạng dải tần mong muốn. Bộ lọc này có thể được tạo ra bằng cách linh kiện điện tử thụ động như tụ điện, điện trở và cuộn cảm. 

Chức năng của bộ lọc thông thấp

Chức năng chính của bộ lọc thông thấp là làm suy giảm hoặc loại bỏ các tín hiệu tần số cao và chỉ cho phép tín hiệu có tần số thấp lặp lại đi qua, qua đó cải thiện chất lượng tín hiệu nhận được. 

Chi tiết hơn, bộ lọc thông thấp có thể đảm nhận các chức năng sau: 

• Xử lý âm thanh: Loại bỏ bớt tiếng nhiễu, ồn, các thành phần có tần số không mong muốn để âm thanh rõ ràng, trong trẻo hoặc có chiều sâu hơn, đặc biệt quan trọng trong khâu xử lý hậu kỳ âm thanh. Ngoài ra, LPE cũng được sử dụng trong các bộ phân tần (crossover) để gửi tần số thấp (bass) đến loa siêu trầm (subwoofer). 
• Xử lý hình ảnh: Làm mịn, khử răng cưa giúp hình ảnh trở nên sắc nét. 
• Xử lý tín hiệu trong lĩnh vực y sinh: Loại bỏ các tín hiệu tần số cao bị nhiễu để tránh ảnh hưởng đến tín hiệu y sinh, qua đó hỗ trợ quá trình chẩn đoán, thăm khám và điều trị của bác sĩ. 
• Hạn chế băng thông bất thường trong viễn thông: Chặn lọc các phần tử có tần số cao có thể gây nhiễu tín hiệu, hạn chế sự cố xảy ra trong quá trình truyền tải. 
• Sáng tạo các phiên bản âm thanh khác nhau: Trường hợp này, bộ lọc thông thấp được sử dụng để xóa bớt các phần âm thanh từ nhạc cụ khác nhau nhằm tạo ra các phiên bản âm thanh đa dạng. 
• Làm sạch nguồn điện: Loại bỏ nhiễu cao tần trong các mạch cung cấp điện. 

Đặc điểm của bộ lọc thông thấp

Để thực hiện được chức năng suy giảm tín hiệu tần số cao, bộ lọc không thấp cần đảm bảo một số yếu tố sau. 

Đáp ứng tần số

Bằng cách lựa chọn các linh kiện điện tử lọc tần số thấp, bộ lọc thông thấp cho phép làm suy giảm các tần số tại một ngưỡng giá trị nhất định hoặc theo tần số cắt. Các linh kiện này sẽ xác định mức giảm tín hiệu tần số cao được đưa vào LPE để đáp ứng tần số đầu ra phù hợp. 

Tần số cắt (fc)

Đây là tần số mà công suất tín hiệu đầu ra của bộ lọc thường giảm đi một nửa biên độ so với công suất tín hiệu đầu vào. -3 decibel là thông số mô tả mức công suất biên độ suy giảm ở tần số cắt. 

Trở kháng

Trở kháng của tụ điện có thể ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của LPE. Ở tần số thấp của bộ lọc, trở kháng của tụ điện sẽ cao và ngược lại ở tần số cao, trở kháng của tụ điện sẽ thấp. Lúc này, các tín hiệu tần số cao sẽ bị suy giảm do trở kháng thấp của tụ trong mạch. 

Suy giảm cường độ tín hiệu

Xử lý tín hiệu đóng vai trò quan trọng trong thiết kế mạch khuếch đại để giảm thiểu hoặc loại bỏ tiếng ồn có thể ảnh hưởng đến chất lượng âm thanh của mạch. Tại đây, bộ lọc thông thấp chịu trách nhiệm giảm nhiễu bằng cách làm suy giảm biên độ tín hiệu dựa trên các thành phần tần số cao hiện có. 

Phân loại bộ lọc thông thấp

Có 2 loại bộ lọc thông thấp phổ biến là bộ lọc thông thấp chủ động và bộ lọc thông thấp thụ động. 

Bộ lọc thông thấp chủ động

Bộ lọc loại này sử dụng các nguồn điện bên ngoài để cung cấp tín hiệu đầu ra có tần số cần thiết. Do một số mạch sử dụng công suất đầu vào khá thấp nên LPE chủ động thường không thể xử lý hết các tín hiệu đầu vào. Vì vậy, bộ lọc thông thấp chủ động sẽ sử dụng các mạch khuếch đại cùng các bộ cân bằng tải để tạo ra mạch tần số vô tuyến.

Ưu điểm của bộ lọc này là có thể đạt tần số cắt chính xác, đặc tính suy giảm/ đáp ứng tần số thường tốt hơn so với bộ lọc thụ động. 

Bộ lọc thông thấp thụ động

Bộ lọc thông thấp thụ động không sử dụng nguồn điện bên ngoài và được cấu tạo từ các linh kiện thụ động như điện trở, tụ điện, cuộn cảm. Ngoài ra, bộ lọc loại này cũng không có các phần tử khuếch đại như transistor, bộ khuếch đại thuật toán nên không có khả năng khuếch đại tín hiệu, dẫn đến việc tín hiệu đầu ra luôn nhỏ hơn tín hiệu đầu vào. 

Bộ lọc thông thấp thụ động lại được chia thành nhiều loại. 

Bộ lọc thông thấp RC

Một bộ lọc thông thấp RC đơn giản thường bao gồm một điện trở mắc nối tiếp với tải và một tụ điện mắc song song với tải, giúp ngăn chặn các tín hiệu tần số cao, khiến chúng không thể gửi đến tải. Cùng lúc, tín hiệu có tần số thấp có thể đi qua bình thường và truyền đến tải. 

Ứng dụng dễ nhận biết nhất của bộ lọc RC là trong các hệ thống âm thanh.

Bộ lọc thông thấp RL

RL cũng sử dụng 2 thành phần chính là điện trở và cuộn cảm tương tự bộ lọc RC nhưng được cấp nguồn bởi một nguồn điện áp hoặc dòng điện để đáp ứng các tần số phi tuyến phụ thuộc vào sự thay đổi của nhiệt độ. 

Bộ lọc thông thấp LC

Đây là bộ lọc được tạo thành từ tụ điện và cuộn cảm, thường được sử dụng trong các mạch vô tuyến của máy phát, máy thu, bộ điều chế. Bộ lọc LC có cơ chế triển khai đơn giản nhưng lại mang lại độ chính xác cao trong quá trình lọc tần số. 

Bộ lọc thông thấp RLC

RLC là bộ lọc tần số cao (hơn 100kHz), được cấu thành từ các linh kiện như điện trở, cuộn cảm và tụ điện mắc nối tiếp hoặc song song. Mạch RLC tạo thành một bộ dao động điều hòa cho dòng điện và cộng hưởng tương tự mạch LC. Tuy nhiên, bất kì dao động nào được tạo ra trong mạch cũng sẽ giảm dần theo thời gian nếu không được duy trì bởi một nguồn nhất định. Điều này là do sự xuất của điện trở và hiệu ứng tắt dần.

RLC được ứng dụng trong nhiều mạch dao động hoặc để điều chỉnh tần số trong máy thu radio hoặc tivi.

Theo khuyến cáo, đối với các ứng dụng tần số thấp < 100kHz, có thể sử dụng các mạch RC, LC để đơn giản hóa quá trình triển khai. Với các bộ lọc tần số cao, bộ lọc thông thấp RLC sẽ được ưu tiên. 

Câu hỏi thường gặp về bộ lọc thông thấp

Câu hỏi 1: Bộ lọc thông thấp thường được lắp ở đâu?

Trả lời: Bộ lọc thông thấp thường xuất hiện trong các hệ thống âm thanh, viễn thông, bộ nguồn ổn định DC hoặc máy ảnh. 

Câu hỏi 2: Bộ lọc thông thấp bậc cao có tốt hơn không?

Trả lời: Có. Bộ lọc bậc cao cho độ dốc dải thông sắc nét hơn nên có khả năng lọc tốt hơn nhưng cũng gây ra hiện tượng méo pha hoặc giảm tín hiệu trong khu vực mong muốn. 

Câu hỏi 3: Sự khác biệt giữa bộ lọc RC và LC là gì?

Trả lời: Bộ lọc LC đạt hiệu quả cao trong các ứng dụng công suất, trong khi bộ lọc RC thường dùng cho các tín hiệu nhỏ.