Filtro ativo - Active filter

Um exemplo de filtro ativo passa-alta da topologia Sallen – Key . O amplificador operacional é usado como um amplificador de buffer.

Um filtro ativo é um tipo de circuito analógico que implementa um filtro eletrônico usando componentes ativos , normalmente um amplificador . Amplificadores incluídos em um projeto de filtro podem ser usados ​​para melhorar o custo, o desempenho e a previsibilidade de um filtro.

Um amplificador evita que a impedância de carga do estágio seguinte afete as características do filtro. Um filtro ativo pode ter pólos e zeros complexos sem usar um indutor volumoso ou caro. A forma da resposta, o Q ( fator de qualidade ) e a frequência sintonizada podem frequentemente ser configurados com resistores variáveis ​​de baixo custo. Em alguns circuitos de filtro ativo, um parâmetro pode ser ajustado sem afetar os outros.

Tipos

Um filtro KROHN-HITE de 1974 modelo 3500.

O uso de elementos ativos tem algumas limitações. As equações básicas de projeto de filtro negligenciam a largura de banda finita dos amplificadores. Os dispositivos ativos disponíveis têm largura de banda limitada, por isso são frequentemente impraticáveis ​​em altas frequências. Amplificadores consomem energia e injetam ruído em um sistema. Certas topologias de circuito podem ser impraticáveis ​​se nenhum caminho CC for fornecido para a corrente de polarização para os elementos do amplificador. A capacidade de manuseio de energia é limitada pelos estágios do amplificador.

As configurações do circuito de filtro ativo ( topologia de filtro eletrônico ) incluem:

Os filtros ativos podem implementar as mesmas funções de transferência dos filtros passivos . As funções de transferência comuns são:

Combinações são possíveis, como entalhe e passa-alta (em um filtro de ruído onde a maior parte do ruído ofensivo vem de uma determinada frequência). Outro exemplo é um filtro elíptico .

Projeto de filtros ativos

Para projetar filtros, as especificações que precisam ser estabelecidas incluem:

  • A faixa de frequências desejadas (a banda passante) junto com a forma da resposta de frequência. Isso indica a variedade de filtros (veja acima) e as frequências centrais ou de canto.
  • Requisitos de impedância de entrada e saída . Isso limita as topologias de circuito disponíveis; por exemplo, a maioria, mas nem todas as topologias de filtro ativo fornecem uma saída com buffer (baixa impedância). No entanto, lembre-se de que a impedância de saída interna dos amplificadores operacionais , se usados, pode aumentar acentuadamente em altas frequências e reduzir a atenuação em relação ao esperado. Esteja ciente de que algumas topologias de filtro passa-altas apresentam a entrada com quase um curto-circuito para altas frequências.
  • Faixa dinâmica dos elementos ativos. O amplificador não deve saturar (correr para os trilhos da fonte de alimentação) nos sinais de entrada esperados, nem deve ser operado em amplitudes tão baixas que o ruído domine.
  • O grau em que sinais indesejados devem ser rejeitados.
    • No caso de filtros passa-banda de banda estreita, o Q determina a largura de banda de -3 dB, mas também o grau de rejeição de frequências muito distantes da frequência central; se esses dois requisitos estiverem em conflito, um filtro passa - banda de sintonia escalonada pode ser necessário.
    • Para filtros de entalhe, o grau em que os sinais indesejados na frequência de entalhe devem ser rejeitados determina a precisão dos componentes, mas não o Q, que é governado pela inclinação desejada do entalhe, ou seja, a largura de banda em torno do entalhe antes que a atenuação se torne pequena.
    • Para passa-alta e passa-baixa (bem como para filtros passa-banda longe da frequência central), a rejeição necessária pode determinar a inclinação de atenuação necessária e, portanto, a "ordem" do filtro. Um filtro multipolar de segunda ordem fornece uma inclinação final de cerca de 12 dB por oitava (40 dB / década), mas a inclinação próxima à frequência de canto é muito menor, às vezes exigindo que um entalhe seja adicionado ao filtro.
  • A "ondulação" permitida (variação de uma resposta plana, em decibéis) dentro da banda passante de filtros passa-alta e passa-baixa, junto com a forma da curva de resposta de frequência perto da frequência de canto, determina a razão de amortecimento ou fator de amortecimento ( = 1 / (2Q)). Isso também afeta a resposta de fase e a resposta de tempo a uma entrada de onda quadrada . Vários formatos de resposta importantes (taxas de amortecimento) têm nomes bem conhecidos:
    • Filtro Chebyshev - pico / ondulação na banda passante antes do canto; Q> 0,7071 para filtros de 2ª ordem.
    • Filtro Butterworth - resposta de amplitude máxima plana; Q = 0,7071 para filtros de 2ª ordem
    • Filtro Legendre – Papoulis - troca um pouco de planura na banda passante, embora ainda monotônica , por uma queda mais acentuada
    • Filtro Linkwitz – Riley - propriedades desejáveis ​​para aplicações de crossover de áudio, tempo de subida mais rápido sem overshoot; Q = 0,5 ( amortecido criticamente )
    • Paynter ou Thompson-Butterworth de transição ou filtro de "compromisso" - queda mais rápida do que Bessel; Q = 0,639 para filtros de 2ª ordem
    • Filtro de Bessel - atraso de grupo plano máximo; Q = 0,577 para filtros de 2ª ordem. Ele fornece uma boa fase linear.
    • Filtro elíptico ou filtro Cauer - adicione um entalhe (ou "zero") fora da banda passante, para dar uma inclinação muito maior nesta região do que a combinação de ordem e razão de amortecimento sem o entalhe. A saída é semelhante ao filtro ideal (ou seja, boa resposta plana da banda de passagem e da banda de parada).

Comparação com filtros passivos

Um filtro ativo pode ter ganho , aumentando a potência disponível em um sinal em comparação com a entrada. Os filtros passivos dissipam a energia de um sinal e não podem ter um ganho líquido de potência. Para algumas faixas de frequências, por exemplo em frequências de áudio e abaixo, um filtro ativo pode realizar uma determinada função de transferência sem o uso de indutores , que são componentes relativamente grandes e caros em comparação com resistores e capacitores, e que são mais caros de fazer com o necessário valores de alta qualidade e precisos. Esta vantagem pode não ser tão importante para filtros ativos totalmente integrados em um chip porque os capacitores disponíveis têm valores relativamente baixos e, portanto, requerem resistores de alto valor que ocupam área do circuito integrado. Os filtros ativos têm um bom isolamento entre os estágios e podem fornecer alta impedância de entrada e baixa impedância de saída; isso torna suas características independentes das impedâncias da fonte e da carga. Vários estágios podem ser colocados em cascata quando desejado para melhorar as características. Em contraste, o projeto de filtros passivos de múltiplos estágios deve levar em consideração o carregamento dependente da frequência de cada estágio do estágio anterior. É possível tornar os filtros ativos ajustáveis ​​em uma ampla faixa, em comparação com os filtros passivos. Como os indutores não são usados, os filtros podem ser feitos em um tamanho muito compacto e não produzem ou interagem com os campos magnéticos que possam estar presentes.

Em comparação com os filtros ativos, os filtros passivos não requerem fontes de alimentação adicionais. Os dispositivos de amplificação de um filtro ativo devem fornecer ganho e desempenho previsíveis em toda a faixa de frequência a ser processada; o produto ganho-largura de banda do amplificador restringirá a frequência máxima que pode ser usada.

Veja também

Referências

  1. ^ a b Don Lancaster, Active-Filter Cookbook , Howard W. Sams and Co., 1975 ISBN   0-672-21168-8 páginas 8-10
  2. ^ "Filtro de passagem de banda Op-amp" . Tutoriais de Eletrônica Básica . 14/08/2013 . Página visitada em 26/12/2018 .
  3. ^ Muhammad H. Rashid, Microelectronic Circuits: Analysis and Design , Cengage Learning, 2010 ISBN   0-495-66772-2 , página 804
  4. ^ "Filtros de parada de banda são chamados de Filtros de rejeição" . Tutoriais de Eletrônica Básica . 20/10/2015 . Página visitada em 26/12/2018 .
  5. ^ Don Lancaster, Active-Filter Cookbook , Elsevier Science, 1996 ISBN   9780750629867
  6. ^ "Introdução básica aos filtros - ativo, passivo e comutado (Rev. A) analógico e sinal misto SNOA224A - TI.com" (PDF) . www.ti.com . Obtido em 2020-02-03 .

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