วงจรกรองสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์

วงจรกรองสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Filter) คือวงจรไฟฟ้าที่ออกแบบมาเพื่อทำหน้าที่ประมวลผลสัญญาณ โดยการคัดเลือกความถี่ที่ต้องการให้ผ่านไปได้ และกำจัดหรือลดทอนความถี่ที่ไม่ต้องการออกจากสัญญาณไฟฟ้าที่ป้อนเข้ามา วงจรเหล่านี้สามารถใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของสัญญาณที่ต้องการหรือกำจัดสัญญาณรบกวน (Noise) ออกจากระบบ

ในทางวิศวกรรม วงจรกรองสัญญาณที่กล่าวถึงในที่นี้จะเน้นไปที่ตัวกรองที่ประกอบด้วยอุปกรณ์แบบรวมศูนย์ (Lumped components) ซึ่งหมายถึงอุปกรณ์ที่สามารถพิจารณาได้ว่ามีตำแหน่งติดตั้งอยู่ที่จุดเดียวในการวิเคราะห์ทางไฟฟ้า เช่น ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ และตัวเหนี่ยวนำ ไม่ว่าจะเป็นอุปกรณ์แยกชิ้นหรือเป็นส่วนหนึ่งของวงจรรวม (Integrated Circuit)

ประเภทของวงจรกรองสัญญาณ

วงจรกรองสัญญาณสามารถจำแนกได้หลายรูปแบบตามคุณลักษณะและการใช้งาน ดังนี้:

• ตามการตอบสนองความถี่:
  
  • ตัวกรองความถี่ต่ำผ่าน (Low-pass filter): ยอมให้ความถี่ต่ำผ่านไปได้ และลดทอนความถี่สูง
  • ตัวกรองความถี่สูงผ่าน (High-pass filter): ยอมให้ความถี่สูงผ่านไปได้ และลดทอนความถี่ต่ำ
  • ตัวกรองแถบความถี่ผ่าน (Band-pass filter): ยอมให้เฉพาะช่วงความถี่ที่กำหนดผ่านไปได้
  • ตัวกรองแถบความถี่หยุด (Band-stop filter หรือ Notch filter): กำจัดความถี่ในช่วงที่กำหนดและยอมให้ความถี่อื่นผ่านไปได้
  • ตัวกรองผ่านทุกย่าน (All-pass filter): ยอมให้ทุกความถี่ผ่านไปได้ แต่ใช้เพื่อปรับเปลี่ยนเฟสของสัญญาณ
• ตามเทคโนโลยีที่ใช้: แบ่งเป็นตัวกรองแบบ Passive และ Active
• ตามลักษณะสัญญาณ: แบ่งเป็นแบบอนาล็อก (Analog) และดิจิทัล (Digital)
• ตามลักษณะเวลา: แบ่งเป็นแบบเวลาต่อเนื่อง (Continuous-time) และแบบเวลาไม่ต่อเนื่องหรือการสุ่มตัวอย่าง (Discrete-time)

เทคโนโลยีการสร้างวงจรกรองสัญญาณ

ตัวกรองแบบพาสซีฟ (Passive Filters)

ตัวกรองแบบพาสซีฟสร้างขึ้นจากอุปกรณ์ที่ไม่ต้องการแหล่งจ่ายไฟภายนอก ได้แก่ ตัวต้านทาน (R), ตัวเหนี่ยวนำ (L) และตัวเก็บประจุ (C) โดยอาศัยคุณสมบัติทางไฟฟ้าของอุปกรณ์เหล่านี้ในการตอบสนองต่อความถี่ที่แตกต่างกัน

ตัวเหนี่ยวนำจะขวางกั้นสัญญาณความถี่สูงและยอมให้ความถี่ต่ำผ่านได้ ในขณะที่ตัวเก็บประจุจะทำงานในทางตรงกันข้าม ดังนั้น การจัดวางอุปกรณ์เหล่านี้ในรูปแบบต่างๆ จะทำให้เกิดคุณสมบัติการกรองที่แตกต่างกัน เช่น หากสัญญาณต้องผ่านตัวเหนี่ยวนำหรือมีตัวเก็บประจุต่อลงกราวด์ จะกลายเป็นตัวกรองความถี่ต่ำผ่าน

โครงสร้างของตัวกรองพาสซีฟ

1. ตัวกรองแบบ L: ประกอบด้วยอุปกรณ์รีแอกทีฟสองตัว ตัวหนึ่งต่ออนุกรมและอีกตัวต่อขนาน
2. ตัวกรองแบบ T และ π (Pi): เป็นวงจรที่มีอุปกรณ์สามตัว ซึ่งสามารถออกแบบให้เป็นได้ทั้งแบบ Low-pass, High-pass, Band-pass หรือ Band-stop ขึ้นอยู่กับการเลือกอุปกรณ์

สำหรับตัวกรองที่มีความซับซ้อนมากขึ้น มักจะสร้างในรูปแบบของ โครงข่ายบันได (Ladder network) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการลดทอนสัญญาณในย่านหยุด (Stop-band rejection) หรือทำให้ความชันของช่วงเปลี่ยนผ่าน (Transition band) มีความคมชัดมากขึ้น

ตัวกรองแบบแอคทีฟ (Active Filters)

ตัวกรองแบบแอคทีฟเป็นการรวมกันของอุปกรณ์พาสซีฟและอุปกรณ์ขยายสัญญาณ (Active components) เช่น ออปแอมป์ (Operational Amplifiers) ซึ่งจำเป็นต้องมีแหล่งจ่ายไฟภายนอก ข้อดีของตัวกรองประเภทนี้คือสามารถให้ค่า Q factor ที่สูง และสามารถสร้างการเรโซแนนซ์ได้โดยไม่ต้องใช้ตัวเหนี่ยวนำ ซึ่งช่วยลดขนาดของวงจรในย่านความถี่ต่ำได้เป็นอย่างดี

ประวัติและการพัฒนา

ในยุคแรก วงจรกรองสัญญาณเป็นแบบพาสซีฟอนาล็อกที่ใช้เพียงตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ (RC) หรือตัวต้านทานและตัวเหนี่ยวนำ (RL) ต่อมาในปี ค.ศ. 1910 George Campbell ได้ประดิษฐ์ตัวกรอง Constant-k ซึ่งเป็นโครงข่ายบันไดที่ใช้ทฤษฎีสายส่งสัญญาณ จนกระทั่งในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 Wilhelm Cauer ได้พัฒนาทฤษฎีการสังเคราะห์โครงข่าย (Network Synthesis) ซึ่งช่วยให้นักออกแบบสามารถสร้างวงจรกรองสัญญาณที่มีการตอบสนองความถี่ตรงตามที่กำหนดได้อย่างแม่นยำ