Фильтры высоких частот: конструкция, принцип работы и применение

Фильтр высоких частот (ФВЧ) выполняет функцию, обратную ФНЧ: он пропускает высокочастотные сигналы, ослабляя низкочастотные составляющие. Две наиболее распространённые реализации — ёмкостная и индуктивная — зеркально отражают свои аналоги ФНЧ, но с противоположным поведением импеданса.

Ёмкостный фильтр высоких частот.

Импеданс конденсатора

В ёмкостном ФВЧ импеданс конденсатора растёт при снижении частоты (см. график ниже). Это большое последовательное сопротивление эффективно блокирует низкочастотную энергию от нагрузки.

capacitive highpass filter
v1 1 0 ac 1 sin
c1 1 2 0.5u
rload 2 0 1k
.ac lin 20 1 200
.plot ac v(2)
.end

АЧХ ёмкостного ФВЧ растёт с частотой.

Индуктивный фильтр высоких частот.

Импеданс катушки индуктивности

Индуктивный ФВЧ работает иначе: импеданс катушки падает при снижении частоты, создавая низкоомный шунт, который коротко замыкает низкочастотные сигналы до того, как они достигнут нагрузочного резистора. Большая часть напряжения падает на последовательном резисторе R1.

inductive highpass filter
v1 1 0 ac 1 sin
r1 1 2 200
l1 2 0 100m
rload 2 0 1k
.ac lin 20 1 200
.plot ac v(2)
.end

АЧХ индуктивного ФВЧ растёт с частотой.

На практике ёмкостная схема часто предпочтительнее, так как требует только одного реактивного элемента и обеспечивает более «чистую» реактивность; катушки страдают от скин-эффекта и потерь в сердечнике на высоких частотах.

Частота среза

Как и любой фильтр первого порядка, ФВЧ имеет характеристическую частоту среза f_c, где выход составляет 70,7% (1/√2) от входа. Для ёмкостного ФВЧ справедлива стандартная формула:

В приведённом примере единственным сопротивлением является нагрузочный резистор (1 кОм), поэтому его значение используется в расчёте.

Применение фильтра высоких частот

Рассмотрим аудиосистему: последовательный конденсатор на высокочастотном динамике (твитере) образует ФВЧ, блокируя низкочастотные басы, которые тратят мощность впустую на динамик, не способный их воспроизвести. Наоборот, последовательная катушка на низкочастотном динамике (вуфере) работает как ФНЧ, защищая басового драйвера от высокочастотных искажений. Среднечастотный динамик получает полный аудиоспектр. Для более тонкого разделения можно использовать полосовой фильтр, направляющий только средние частоты на соответствующий драйвер.

ФВЧ направляет высокие частоты на твитер; ФНЧ — низкие на вуфер.

В полноценной стереосистеме используется шесть драйверов: два вуфера, два среднечастотных и два твитера, каждый со своим фильтром.

РЕЗЮМЕ:

• ФВЧ пропускает высокочастотные сигналы, ослабляя низкочастотные.
• Ёмкостные ФВЧ включают конденсатор последовательно с нагрузкой; индуктивные — добавляют последовательный резистор и параллельную катушку, создавая низкоомный шунт для нежелательных частот.
• Частота среза — точка, где выход равен 70,7% от входа; выше неё сигнал усиливается, ниже — ослабляется.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

• Active Filters Worksheet
• Passive Filter Circuits Worksheet