v2.0.9792.42761
Fizyka dla każdego
Filtry RC i odpowiedź częstotliwościowa · 1 min czytania

Dwa jednakowe stopnie RC z buforem i bez niego

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

Dwa dolnoprzepustowe stopnie mają R₁ = R₂ = 10,0 kΩ oraz C₁ = C₂ = 100 nF. Wejście zasila idealne źródło sinusoidalne o amplitudzie 3,00 V, końcowe wyjście jest nieobciążone. Porównaj bezpośrednie połączenie stopni z połączeniem rozdzielonym idealnym buforem. Oblicz amplitudę i fazę dla f = 1/(2πRC), a następnie częstotliwość, przy której amplituda całego filtru spada do 1/√2 poziomu pasma. Przyjmij stan ustalony.

Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
Wskazówka

Dla jednakowych elementów Hbez = 1/(1 − x² + j3x), a Hbuf = 1/(1 + jx)². Do znalezienia granicy wygodnie użyć kwadratu modułu i niewiadomej y = x².

Rozwiązanie

1. Porównanie przy granicy pojedynczego stopnia

Iloczyn RC = 0,00100 s, więc badana częstotliwość to około 159,155 Hz i x = 1. Mianowniki upraszczają się do czysto urojonych liczb:

H_{bez}=\frac1{j3}=-\frac j3,\qquad H_{buf}=\frac1{j2}=-\frac j2.

Amplituda bez bufora wynosi 3,00 V/3 = 1,00 V; z buforem 3,00 V/2 = 1,50 V. Faza w obu przypadkach wynosi −90°. Równość faz w tym jednym punkcie nie czyni całych odpowiedzi jednakowymi.

2. Granica układu bez bufora

Niskoczęstotliwościowy poziom obu całych układów wynosi 1. Dla połączenia bezpośredniego:

|H_{bez}|^2=\frac1{(1-x^2)^2+9x^2}=\frac1{1+7x^2+x^4}.

Przy granicy kwadrat modułu ma wynosić 1/2. Zatem x⁴ + 7x² − 1 = 0. Podstawiamy y = x² ≥ 0, rozwiązujemy y² + 7y − 1 = 0 i zachowujemy dodatni pierwiastek:

x_{g,bez}=\sqrt{\frac{-7+\sqrt{53}}2}\approx0{,}374239,\qquad f_{g,bez}\approx59{,}562\,\mathrm{Hz}.

3. Granica dwóch stopni rozdzielonych buforem

Dla niezależnych stopni moduły się mnożą, więc |Hbuf| = 1/(1 + x²). Równanie 1/(1 + x²) = 1/√2 prowadzi do x² = √2 − 1:

x_{g,buf}=\sqrt{\sqrt2-1}\approx0{,}643594,\qquad f_{g,buf}\approx102{,}431\,\mathrm{Hz}.

Obie granice są niższe od 159,155 Hz pojedynczego stopnia. Przy x = 1 cały układ jest już tłumiony silniej niż o 3,0103 dB. Pomnożenie dwóch odpowiedzi nieobciążonych stopni w wariancie bez bufora zawyżyłoby amplitudę i dało błędną granicę pasma.

Wynik: przy 159,155 Hz amplitudy wynoszą 1,00 V i 1,50 V, obie fazy −90°. Granice całych filtrów wynoszą odpowiednio 59,562 Hz i 102,431 Hz.

Powiązana teoria

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

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.

Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »

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