v2.0.9792.42761
Fizyka dla każdego
Filtry RC i odpowiedź częstotliwościowa · 4 min czytania

Obciążenie i kaskada RC: dlaczego dwa filtry zmieniają się po połączeniu

Gotowy wzór na filtr RC ma wbudowane warunki dotyczące źródła i obciążenia. Podłączenie następnego stopnia może naruszyć te warunki. Wyprowadzimy odpowiedź obciążonego filtru, policzymy dwa bierne stopnie i porównamy je z układem rozdzielonym idealnym buforem.

Opublikowano: 25.10.2026
Wyślij link e-mailem Własna poczta Komentarze: 0

Gotowy wzór na filtr RC ma wbudowane warunki dotyczące źródła i obciążenia. Podłączenie następnego stopnia może naruszyć te warunki. Wyprowadzimy odpowiedź obciążonego filtru, policzymy dwa bierne stopnie i porównamy je z układem rozdzielonym idealnym buforem.

Potrzebne wiadomości: Dzielnik impedancyjny, prawo węzłów, zespolony opis sinusoidalnego stanu ustalonego oraz częstotliwość graniczna pojedynczego filtru RC.

Nieobciążone wyjście było ważnym założeniem

W pojedynczym filtrze dolnoprzepustowym opornik R łączy idealne źródło z węzłem wyjścia, a kondensator C łączy ten węzeł ze wspólnym powrotem. Jeśli dodamy obciążenie RL równolegle do C, prąd opornika rozdziela się na dwie gałęzie. Nie jest już równy prądowi kondensatora. Dlatego wzór H = 1/(1 + jωRC) wymaga poprawienia.

Rozpatrujemy dodatnie R, C i RL, idealne elementy skupione oraz sinusoidalny stan ustalony. Nie opisujemy tu błędów przyrządu pomiarowego. Interesuje nas to, jak samo przekazywanie sygnału do następnego obwodu zmienia jego amplitudę i fazę.

Filtr dolnoprzepustowy z opornikiem obciążenia R_L równoległym do kondensatora. Prąd przez R rozdziela się na prąd C i prąd R_L.
Obciążenie wpływa zarówno na poziom przenoszenia niskich częstotliwości, jak i na częstotliwość graniczną względem tego poziomu. Powiększ rysunek.

Wyprowadzamy odpowiedź z prawa węzłów

Oznaczmy napięcie wyjściowe U̲. Prąd dopływający przez R musi równać się sumie prądów w C i RL:

\frac{\underline U_{we}-\underline U}{R}=j\omega C\underline U+\frac{\underline U}{R_L}.

Mnożymy przez R i zbieramy wyrazy z U̲ po jednej stronie. Następnie wyłączamy stały czynnik 1 + R/RL:

H=\frac{1}{1+R/R_L+j\omega RC}=\frac{K_0}{1+j\omega R_zC},\quad K_0=\frac{R_L}{R+R_L},\quad R_z=\frac{RR_L}{R+R_L}.

Rz to równoległy opór R i RL. Poziom niskoczęstotliwościowy K₀ jest mniejszy od jeden: nawet bardzo powolna sinusoida zostaje osłabiona przez dzielnik rezystancyjny. Z kolei mniejszy Rz daje większą częstotliwość graniczną 1/(2πRzC).

Względem jakiego poziomu liczymy minus trzy decybele?

Dla obciążonego filtru punkt graniczny oznacza k = K₀/√2, czyli spadek o około 3,0103 dB względem jego własnego pasma przepustowego. Nie musi oznaczać k = 1/√2 względem źródła. Jeśli K₀ = 1/2, poziom pasma jest już równy około −6,0206 dB, a w punkcie granicznym otrzymujemy około −9,0309 dB względem wejścia.

Przykładowo R = RL = 10 kΩ i C = 10 nF dają K₀ = 1/2 oraz Rz = 5 kΩ. Częstotliwość graniczna rośnie z około 1591,55 Hz w układzie nieobciążonym do 3183,10 Hz po dołączeniu obciążenia. Nie oznacza to lepszego przenoszenia napięcia w całym paśmie: poziom niskich częstotliwości spadł o połowę.

Jeżeli samo źródło ma stały opór szeregowy Rs, a napięcie wejścia oznacza napięcie jego idealnej części, w powyższym rachunku zastępujemy R sumą R + Rs. Jeśli wejście mierzymy już za oporem źródła, jest to inna definicja transmitancji. Zanim użyjemy wzoru, trzeba wskazać dwa zaciski wejścia.

Drugi filtr jest obciążeniem zależnym od częstotliwości

Połączmy dwa stopnie: R₁ prowadzi od źródła do węzła U̲₁, z którego C₁ biegnie do powrotu. R₂ łączy U̲₁ z U̲₂, a C₂ łączy U̲₂ z powrotem. Wyjście U̲₂ nie ma dodatkowego obciążenia. Drugi stopień odprowadza prąd z pierwszego, dlatego nie mnożymy bez sprawdzenia dwóch odpowiedzi wyprowadzonych dla nieobciążonych wyjść.

Prawo węzłów na końcu układu daje U̲₁ = (1 + jωR₂C₂)U̲₂. W pierwszym węźle zapisujemy prąd kondensatora C₁ oraz prąd płynący dalej:

\frac{\underline U_{we}-\underline U_1}{R_1}=j\omega C_1\underline U_1+\frac{\underline U_1-\underline U_2}{R_2}.

Podstawienie poprzedniej zależności i uporządkowanie wyrazów prowadzi do:

H_{bez}=\frac{1}{1+j\omega(R_1C_1+R_1C_2+R_2C_2)+(j\omega)^2R_1R_2C_1C_2}.

Dodatkowy składnik R₁C₂ wynika z obciążenia pierwszego stopnia drugim. Dla dwóch jednakowych par R i C, przy x = ωRC, wzór upraszcza się do:

H_{bez}=\frac{1}{1-x^2+j3x}.

Co zmienia idealny bufor?

Idealny bufor ma nieskończoną impedancję wejścia, zerową impedancję wyjścia i przenosi napięcie z mnożnikiem 1 bez dodatkowej fazy. Pierwszy stopień nie oddaje do niego prądu, a drugi jest napędzany jak przez idealne źródło. Dopiero przy tych założeniach odpowiedzi niezależnych stopni można pomnożyć:

H_{buf}=\frac{1}{(1+jx)^2}=\frac{1}{1-x^2+j2x}.

Bufor pobiera energię z własnego zasilania; jego idealizacja nie jest biernym elementem bez kosztu energetycznego. Rzeczywisty układ ma ograniczenia pasma, obciążenia i amplitudy. Tutaj stanowi dobrze określony model porównawczy, a nie instrukcję doboru konkretnego wzmacniacza.

Dwa szeregowo połączone stopnie RC bez bufora. Poniżej porównanie amplitud z układem dwóch niezależnych stopni rozdzielonych idealnym buforem; przy f/f_g równym jeden stosunki wynoszą 1/3 i 1/2.
Przy x = 1 oba warianty mają fazę −90°, ale różnią się amplitudą. Symbol f_g w osi dotyczy pojedynczej pary RC. Powiększ rysunek.

Dwie sekcje nie zachowują częstotliwości granicznej jednej sekcji

Przy x = 1 układ bez bufora ma H = 1/(j3), więc k = 1/3. Z buforem H = 1/(j2), więc k = 1/2. Żaden z tych punktów nie jest punktem k = 1/√2 całego dwustopniowego układu. Granicę całego filtru trzeba znaleźć z jego własnej odpowiedzi, względem własnego poziomu niskoczęstotliwościowego.

Można osłabić wzajemne obciążanie bez bufora, zwiększając R₂ i zmniejszając C₂ przy zachowaniu ich iloczynu. Gdy R₂ = mR₁ oraz C₂ = C₁/m, oba stopnie mają tę samą nominalną stałą czasową, ale mianownik całej odpowiedzi zawiera jx(2 + 1/m). Przy x = 1 stosunek amplitud wynosi 1/(2 + 1/m).

Dla m = 10 otrzymujemy około 0,47619 zamiast 0,5: błąd względem buforowanego wyniku to około 4,76%. Zwiększenie impedancji drugiego stopnia zmniejszyło obciążenie, lecz nie usunęło go dokładnie. Ocena dokładności wymaga podania częstotliwości lub całego pasma, a w rzeczywistym układzie również właściwości źródła i odbiornika.

Zadania do tego tematu

Dalsza lektura

Materiał referencyjny

Sprawdź wpływ następnego stopnia

Najpierw przewiduj: Porównaj kaskadę z buforem i bez bufora przy f = f₀. Potem zwiększ opór drugiego stopnia, jednocześnie zmniejszając jego pojemność.

Zmieniaj jedną wielkość i porównuj wyniki

Ruch uruchamiasz samodzielnie. Esc zatrzymuje animację; suwaki i przycisk „Jeden krok” pozwalają oglądać kolejne chwile bez odtwarzania.

Dwa stopnie RC połączone bez bufora i ich wzajemne obciążenie.
Dwa stopnie RC połączone bez bufora i ich wzajemne obciążenie. Wybierz rysunek, aby otworzyć go w pełnym rozmiarze.

R₁ = 10 kΩ i C₁ = 0,1 µF dają RC = 0,001 s oraz f₀ ≈ 159,155 Hz. Przy tej częstotliwości pojedynczy nieobciążony filtr ma |H| ≈ 0,707; kaskada jednakowych stopni bez bufora ma |H| = 1/3.

Co oblicza model i gdzie kończą się jego założenia?

Wykres przedstawia amplitudę napięcia, dlatego G_{\rm dB}=20\log_{10}|H|. f₀ = 1/(2πR₁C₁) jest częstotliwością odniesienia pojedynczego nieobciążonego stopnia. W układzie obciążonym lub w kaskadzie nie musi być częstotliwością graniczną całego układu. Amplituda wejścia wynosi 5 V, a nie 5 V wartości skutecznej.

Obciążenie RL jest równoległe do kondensatora wyjściowego. Zmniejsza wzmocnienie stałoprądowe do RL/(R₁ + RL). W kaskadach R₂ = kR₁ oraz C₂ = C₁/k, więc oba izolowane stopnie mają tę samą stałą RC. Bez bufora człon R₁C₂ pozostaje w mianowniku transmitancji i obniża amplitudę względem kaskady buforowanej.

Porównujemy sinusoidy w stanie ustalonym. Faza nie jest prędkością przesyłania informacji; wyprzedzenie fazowe w filtrze górnoprzepustowym nie oznacza reakcji na przyszłe zdarzenie. Pomijamy pasożytnicze elementy i tolerancje. Suwak czasu pokazuje t/T sinusoidy; odtwarzanie jest celowo spowolnione do jednego okresu na dwie sekundy.

Ostatnie materiały autora

Wszystkie materiały autora »

Komentarze (0)

Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.

Dodaj komentarz

Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto

Emotikony

Zaznacz tekst i wybierz formatowanie lub użyj Ctrl/Cmd+B, I, U w polu komentarza. Znaczniki HTML nie są wykonywane.

Wybór wszystkich komentarzy obejmuje odpowiedzi. Powiadomienia wymagają potwierdzenia adresu; zrezygnujesz z nich przez link w wiadomości.

← Wróć do działu: Teoria Do góry ↑
Nie znalazłeś szukanego materiału? Napisz do nas — pomóż nam rozwijać Fizykę dla każdego.