- O que é isso, circuito, fórmulas, curva?
- Corte de frequência e ganho de tensão:
- Curva de resposta de frequência:
- Circuito de filtro amplificador inversor:
- Filtro passa alto ativo do seguidor de tensão ou ganho de unidade:
- Exemplo prático com cálculo
- Cascateamento e adição de mais filtros a um amplificador operacional
- Formulários
Anteriormente, descrevemos o filtro passa-altas passivo e o filtro passa-baixas ativo, agora é a hora do filtro passa-altas ativo. Vamos explorar o que é um filtro passa-altas ativo.
O que é isso, circuito, fórmulas, curva?
Da mesma forma que o filtro passa-baixo passivo, o filtro passa-alto passivo funciona com componentes passivos, resistor e capacitor. Aprendemos no tutorial anterior sobre filtro passa-alto passivo que funciona sem qualquer interrupção externa ou resposta ativa.
Se adicionarmos um amplificador ao filtro passa-altas passivo, podemos criar facilmente um filtro passa-altas ativo. Mudando a configuração do amplificador, também podemos formar diferentes tipos de filtro passa-alto, filtro passa-alto invertido ou não invertido ou ganho unitário.
Por questões de simplicidade, eficácia de tempo e também as tecnologias crescentes em design de amplificador operacional, geralmente um amplificador operacional é usado para design de filtro ativo.
No filtro passa-alto passivo, a resposta de frequência é infinita. Mas, no cenário prático, depende muito de componentes e outros fatores, aqui, no caso do filtro passa-altas ativo, a largura de banda do amplificador operacional é a principal limitação do filtro passa-altas ativo. Isso significa que a frequência máxima passará dependendo do ganho do amplificador e da característica de loop aberto do amplificador operacional.
Vamos explorar alguns amplificadores operacionais comuns de ganho de tensão CC de malha aberta.
| Op-amp | Largura de banda (dB) | Freqüência Máxima |
| LM258 | 100 | 1MHz |
| uA741 | 100 | 1MHz |
| RC4558D | 35 | 3MHz |
| TL082 | 110 | 3MHz |
| LM324N | 100 | 1MHz |
Esta é uma pequena lista sobre amplificador operacional genérico e ganho de voltagem. Além disso, o ganho de voltagem é amplamente dependente da frequência do sinal e da voltagem de entrada do amplificador operacional e quanto ganho é aplicado nesse amplificador operacional.
Vamos explorar mais e entender o que há de especial nisso: -
Aqui está o design do filtro passa-altas simples: -
Esta é a imagem do filtro passa-altas ativo. Aqui, a linha violada nos mostra o filtro RC passa-alto passivo tradicional que vimos no tutorial anterior.
Corte de frequência e ganho de tensão:
A fórmula de frequência de corte é a mesma usada no filtro passa-alto passivo.
fc = 1 / 2πRC
Conforme descrito no tutorial anterior, fc é a frequência de corte e o R é o valor do resistor e o C é o valor do capacitor.
Os dois resistores conectados no nó positivo do amplificador operacional são resistores de feedback. Quando esses resistores são conectados no nó positivo do amplificador operacional, é chamado de configuração não inversora. Esses resistores são responsáveis pela amplificação ou pelo ganho.
Também podemos calcular facilmente o ganho do amplificador usando as seguintes equações, onde podemos escolher o valor do resistor equivalente de acordo com o ganho ou pode ser vice-versa: -
Ganho do amplificador (amplitude DC) (Af) = (1 + R3 / R2)
Curva de resposta de frequência:
Vamos ver qual será a saída do filtro passa-altas ativo ou do gráfico de Bode / curva de resposta de frequência: -
Esta é a curva de ganho do amplificador operacional e o filtro conectado ao amplificador.
Esta curva verde mostra a saída amplificada do sinal e a vermelha mostra a saída sem amplificação através do filtro passa-alto passivo.
Se virmos a curva com mais precisão, encontraremos os pontos abaixo dentro deste gráfico de bode: -
O aumento da curva vermelha em 20dB / década e na região de corte a magnitude é -3dB, que é a margem de fase de 45 graus.
Como discutido antes, a resposta de frequência máxima de um amplificador operacional está altamente conectada com seu ganho ou largura de banda (como chamado de ganho de malha aberta Av).
Na lista fornecida antes, vimos um amplificador operacional comum típico como uA741, LM324N tem ganho máximo de malha aberta de 100dB que reduzirá a uma taxa de roll-off de -20dB por década se a frequência de entrada aumentar. A frequência de entrada máxima suportada pelo LM324N, uA741 é 1 Mhz, que é largura de banda de ganho unitário ou frequência. Nesta frequência, o respectivo amplificador operacional produzirá ganho de 0dB ou ganho de unidade diminuindo 20dB / década.
Portanto, não é infinito, após 1 MHz o ganho diminuirá a uma taxa de -20dB / década. A largura de banda do filtro passa-alto ativo é altamente dependente da largura de banda do amplificador operacional.
Podemos calcular o ganho de magnitude convertendo o ganho de tensão do amp op.
O cálculo é o seguinte: -
dB = 20log (Af) Af = Vin / Vout
Este Af pode ser o ganho Dc que descrevemos antes, calculando o valor do resistor ou dividindo o Vout com Vin.
Também podemos obter o ganho de tensão a partir da frequência aplicada ao filtro (f) e da frequência de corte (fc). Derivar o ganho de tensão destes dois é muito simples usando esta fórmula =
Se colocarmos o valor de f e fc, obteremos o ganho de tensão desejado no filtro.
Circuito de filtro amplificador inversor:
Também podemos construir o filtro em formação invertida.
A margem de fase pode ser obtida pela seguinte equação.
O deslocamento de fase é o mesmo visto no filtro passa-alto passivo. É +45 graus na frequência de corte de fc.
Aqui está a implementação do circuito do filtro passa-alto ativo invertido: -
É um filtro passa-alto ativo na configuração invertida. O op-amp está conectado inversamente. Na seção anterior, a entrada foi conectada através do pino de entrada positiva do amp op e o pino negativo do amp op é usado para fazer o circuito de feedback. Aqui o circuito inverteu. A entrada positiva conectada com a referência de aterramento e o capacitor e o resistor de feedback conectado ao pino de entrada negativa do amp op Isso é chamado de configuração de amplificador operacional invertido e o sinal de saída será invertido do que o sinal de entrada.
O resistor R1 atua como filtro passivo e também como resistor de ganho, ambos ao mesmo tempo.
Filtro passa alto ativo do seguidor de tensão ou ganho de unidade:
Até agora, o circuito descrito aqui é usado para ganho de tensão e propósito de pós-amplificação.
Podemos fazê-lo usando um amplificador de ganho unitário, o que significa que a amplitude ou ganho de saída será 1x. Vin = Vout.
Para não mencionar, é também uma configuração de amplificador operacional que muitas vezes é descrita como configuração de seguidor de tensão, onde o amplificador operacional cria uma réplica exata do sinal de entrada.
Vamos ver o projeto do circuito e como configurar o amplificador operacional como seguidor de tensão e tornar o filtro passa-alto ativo de ganho de unidade: -
Nesta imagem tudo é idêntico ao amplificador de ganho usado na primeira figura. os resistores de feedback do op-amp são removidos. Em vez do resistor, o pino de entrada negativa do amplificador operacional é conectado diretamente ao amplificador operacional de saída. Esta configuração do op-amp é chamada de configuração do seguidor de tensão. O ganho é de 1x. É um filtro passa-alto ativo com ganho de unidade. Ele produzirá uma réplica exata do sinal de entrada.
Exemplo prático com cálculo
Iremos projetar um circuito de filtro passa-alto ativo em configuração de amplificador operacional não inversor.
Especificações:-
- O ganho será 2x
- A frequência de corte será de 2 KHz
Vamos calcular o valor primeiro antes de fazer o circuito: -
Ganho do amplificador (amplitude DC) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 2
R2 = 1k (precisamos selecionar um valor; selecionamos 1k para reduzir a complexidade do cálculo).
Ao somar o valor, obtemos
(2) = (1 + R3 / 1)
Calculamos que o valor do terceiro resistor (R3) é 1k.
Agora precisamos calcular o valor do resistor de acordo com a frequência de corte. Como o filtro passa-altas ativo e o filtro passa-altas passivo funcionam da mesma maneira, a fórmula de corte de frequência é a mesma de antes.
Vamos verificar o valor do capacitor se a frequência de corte é 2KHz, selecionamos o valor do capacitor é 0,01uF ou 10nF.
fc = 1 / 2πRC
Ao juntar todos os valores, obtemos: -
2000 = 1 / 2π * 10 * 10 -9
Resolvendo esta equação, obtemos que o valor do resistor é aproximadamente 7,96.
O valor mais próximo é selecionado para este resistor de 8k Ohms.
O próximo passo é calcular o ganho. A fórmula do ganho é a mesma do filtro passa-alto passivo. A fórmula de ganho ou magnitude em dB é a seguinte: -
Como o ganho do op-amp é 2x. Portanto, o Af é 2.
fc é a frequência de corte, então o valor de fc é 2Khz ou 2000Hz.
Agora mudando a frequência (f) obtemos o ganho.
|
Frequência (f) |
Ganho de tensão (Af) (Vout / Vin) |
Ganho (dB) 20log (Vout / Vin) |
|
100 |
0,10 |
-20,01 |
|
250 |
0,25 |
-12,11 |
|
500 |
0,49 |
-6,28 |
|
750 |
0,70 |
-3,07 |
|
1.000 |
0,89 |
-0,97 |
|
2.000 |
1,41 |
3,01 |
|
5.000 |
1,86 |
5,38 |
|
10.000 |
1,96 |
5,85 |
|
50.000 |
2 |
6.01 |
|
100.000 |
2 |
6.02 |
Nesta tabela de 100 Hz, o ganho é sequencialmente aumentado em um ritmo de 20dB / década, mas depois que a frequência de corte é atingida, o ganho é aumentado lentamente para 6,02dB e permanece constante.
Uma coisa para lembrar que o ganho do op-amp é 2x. Por esse motivo, a frequência de corte é: -3dB a 0dB (ganho 1x) a + 3dB (ganho 2x)
Agora, como já calculamos os valores, é hora de construir o circuito. Vamos somar tudo e construir o circuito: -
Construímos o circuito com base nos valores calculados anteriormente. Iremos fornecer a frequência de 10 Hz a 100 KHz e 10 pontos por década na entrada do filtro passa-alto ativo e investigaremos mais para ver se a frequência de corte é 2.000 Hz ou não na saída do amplificador
Esta é a curva de resposta de frequência. A linha verde representa a saída amplificada do filtro, que é 2 x ganhos. E a linha vermelha que representa a resposta do filtro na entrada do amplificador.
Ajustamos o cursor em 3dB a frequência de canto e obtemos 2,0106 KHz ou 2 KHz.
Conforme descrito antes, o ganho do filtro passivo -3dB, mas como ganho 2x do circuito do amplificador operacional adicionado na saída filtrada, o ponto de corte agora é 3dB quando 3dB adicionado duas vezes.
Cascateamento e adição de mais filtros a um amplificador operacional
É possível adicionar mais filtros em um amplificador operacional como filtro passa-alto ativo de segunda ordem. Nesse caso, assim como o filtro passivo, um filtro RC extra é adicionado.
Vamos ver como o circuito de filtro passa-altas ativo de segunda ordem é construído.
Este é o filtro de segunda ordem. Na figura podemos ver claramente os dois filtros somados. Este é o filtro passa-alto de segunda ordem.
Como você pode ver, há um amplificador operacional. O ganho de tensão é o mesmo declarado anteriormente usando dois resistores. Como a fórmula de ganho é a mesma, o ganho de tensão é
Af = (1 + R2 / R1)
A frequência de corte é: -
Podemos adicionar filtro ativo passa-alto de ordem superior. Mas existe uma regra.
Se quisermos fazer um filtro de terceira ordem, podemos colocar em cascata os filtros de primeira e segunda ordem.
Da mesma forma que dois filtros de segunda ordem, criam um filtro de quarta ordem e essa soma é adicionada a cada vez.
O filtro passa-alto ativo em cascata pode ser feito da seguinte forma: -
Quanto mais o op-amp adicionado, mais ganho é adicionado. Veja a figura acima. Os números escritos no op-amp representam o estágio de pedido. Como 1 = estágio de 1ª ordem, 2 = estágio de 2ª ordem. Cada vez que o estágio é adicionado, a magnitude de ganho também adicionada em 20dB / década para cada estágio é adicionada. Como para o primeiro estágio, é de 20dB / década, o 2º estágio é de 20dB + 20dB = 40dB por década, etc. Cada filtro de número par consiste em filtros de segunda ordem, cada número ímpar consiste em filtro de primeira ordem e filtro de segunda ordem, filtro de primeira ordem no primeiro posição. Não há limitações para quantos filtros podem ser adicionados, mas é a precisão do filtro que diminui quando filtros extras são adicionados posteriormente. Se o valor do filtro RC, isto é, resistor e capacitores, são os mesmos para cada filtro, a frequência de corte também será a mesma, o ganho geral permanece igual, pois os componentes de frequência usados são os mesmos.
Formulários
O filtro passa-alto ativo pode ser usado em vários locais onde o filtro passa-alto passivo não pode ser usado devido à limitação de ganho ou procedimento de amplificação. Além disso, o filtro passa-alto ativo pode ser usado nos seguintes locais: -
O filtro passa-alta é um circuito amplamente utilizado na eletrônica.
Aqui estão alguns aplicativos: -
- Equalização de agudos antes da amplificação de potência
- Filtros relacionados com vídeo de alta frequência.
- Osciloscópio e gerador de funções.
- Antes de alto-falante para remover ou reduzir o ruído de baixa frequência.
- Mudando a forma de frequência em ondas diferentes de.
- Filtros de aumento de agudos.