O filtro passa-banda permite que os sinais sejam fornecidos entre duas frequências específicas, embora separe esses sinais em outras frequências. Esses tipos de filtros passa-banda estão disponíveis em vários tipos; parte do design do filtro passa-banda é feito com alimentação externa e componentes ativos como; transistores e circuitos integrados, que são chamados de BPF ativo. Da mesma forma, alguns filtros utilizam qualquer fonte de energia e componentes passivos, como indutores e capacitores, chamados BPF passivos. Esses filtros são aplicáveis em transmissores e receptores sem fio.
Um BPF em um transmissor é usado para limitar a largura de banda do sinal de saída ao nível menos necessário e transmitir dados na velocidade e forma ideais. Da mesma forma, este filtro em um receptor permite que os sinais dentro de um nível de frequência favorecido sejam decodificados, mantendo-se ausentes de sinais em frequências desnecessárias. A relação S/N de um receptor é otimizada através de um filtro passa-banda. Este artigo fornece breves informações sobre um filtro passa-banda ativo .
O que é um filtro passa-banda ativo?
Um tipo de filtro passa-banda que usa componentes ativos como um amplificador operacional , junto com resistores e capacitores para formar o filtro, é conhecido como filtro passa-banda ativo. Esses filtros passa-banda amplificam o sinal de entrada além da filtragem, embora necessitem de uma fonte de alimentação externa.
Este filtro passa-banda é projetado conectando em cascata um HPF, um amplificador e um LPF, conforme mostrado na figura abaixo. O circuito amplificador entre HPF e LPF fornece isolamento e ganho geral de tensão. Os valores de frequência de corte de ambos os filtros devem ser mantidos com variação mínima. Se esta variação for extremamente pequena, então há uma chance de interação entre os estágios passa-baixa e passa-alta. Portanto, é necessário um circuito amplificador. para ter os níveis corretos dessas frequências de corte.
Princípio de funcionamento do filtro passa-banda ativo
O filtro passa-banda ativo funciona atenuando frequências acima ou abaixo de uma faixa de frequências (ou seja, banda passante ou largura de banda do filtro). Qualquer sinal com frequência nessa faixa passa-faixa passa simplesmente pelo filtro. Qualquer frequência que esteja fora da banda passante é reduzida ou atenuada.
Projeto de filtro passa-banda ativo
O circuito do filtro passa-banda ativo é mostrado abaixo. Este circuito pode ser projetado conectando filtros passivos passa-baixa e passa-alta individuais em cascata. Ele fornece um filtro do tipo “fator de qualidade” baixo que contém uma banda passante ampla. O estágio primário do filtro passa-banda ativo é o estágio passa-alta que utiliza o capacitor para bloquear qualquer polarização CC da fonte principal.
Este projeto de circuito tem a vantagem de gerar uma resposta de frequência de banda passante assimétrica bastante plana através de uma única metade, significando a resposta passa baixa, enquanto a metade restante significa uma resposta passa alta.
O ponto de canto superior 'ƒH' e o ponto de corte de frequência de canto inferior 'ƒL' são calculados da mesma forma que antes nos circuitos LPF e HPF normais de primeira ordem.
É necessária uma separação razoável entre os dois pontos de corte para evitar qualquer interação entre os estágios LPF e HPF. O amplificador ajuda a fornecer isolamento entre os dois estágios do filtro para descrever o ganho geral de tensão do circuito do filtro. Portanto, a largura de banda do filtro é a disparidade entre os pontos superiores e inferiores de -3dB. A resposta de frequência normalizada e a mudança de fase de um BPF ativo serão as seguintes.
Resposta de frequência
Quando o circuito de filtro sintonizado passivo acima funciona como um BPF, a largura de banda pode ser bastante ampla. Isto pode ser um problema se desejarmos separar frequências com uma banda pequena. O filtro passa-banda ativo também pode ser projetado com amplificador operacional inversor.
Assim, ao reorganizar as posições dos resistores e capacitores no filtro, podemos gerar um circuito de filtro muito melhor. O ponto de corte inferior -3dB é especificado por 'ƒC1' para um BPF ativo, enquanto o ponto de corte superior -3dB é especificado por 'ƒC2'.
O filtro acima possui duas frequências centrais HPF e LPF. O filtro passa-alta a frequência central deve ser mais baixa em comparação com a frequência central do LPF.
A frequência central do BPF é a média geométrica das frequências de corte superiores e inferiores, como; fr2 = fH x fL.
O ganho do BPF ativo é de 20 log (Vout/Vin) dB/Década.
A resposta de amplitude está relacionada às respostas LPF e HPF. A curva de resposta depende principalmente da ordem do filtro em cascata.
Fator Q
A largura total da banda passante real entre os pontos de canto superior e inferior de -3dB do filtro passa-banda ativo decide o fator Q do circuito. O valor do fator Q é menor e a largura de banda do filtro é maior. Como resultado, o fator Q é maior e o filtro é mais estreito.
Às vezes, o fator Q do filtro passa-banda ativo é denotado pelo símbolo grego ‘α’ e é chamado de frequência de pico alfa.
α = 1/Q
Como o 'Q' de um BPF ativo está relacionado à “nitidez” da resposta do filtro em torno de seu 'ƒr' (frequência de ressonância central), então ele também pode ser conhecido como Fator de Amortecimento (ou) Coeficiente de Amortecimento porque o filtro tem mais amortecimento do que o filtro tem uma resposta mais plana. O filtro tem menos amortecimento e a resposta do filtro é mais nítida.
A taxa de amortecimento é indicada com o símbolo grego ‘ξ’
ξ = uma/2
O fator de qualidade de um filtro passa-banda ativo é a relação entre ƒr (frequência de ressonância) e BW (largura de banda) entre as frequências mais altas e mais baixas de -3dB.
Tipos de filtros passa-banda ativos
Existem dois tipos de filtros passa-banda ativos; filtro passa-banda larga e filtro passa-banda estreito, que são discutidos abaixo.
Filtro passa-banda larga
Se o valor do fator de qualidade (Q) estiver abaixo de dez, a banda passante é ampla e nos dá uma largura de banda maior. Portanto, este BPF é conhecido como filtro passa-banda larga. Em um filtro passa-banda larga, a frequência de corte alta deve ser maior em comparação com a frequência de corte mais baixa.
Primeiro, o sinal passa pelo HPF, o sinal de saída deste arquivador tenderá ao infinito que é dado ao LPF no final. Este LPF passará baixo o sinal de frequência mais alta.
Sempre que o HPF estiver em cascata através do LPF, o BPF simples poderá ser obtido. Para compreender este filtro, a ordem dos circuitos LPF e HPF deve ser semelhante.
A cascata de um LPF e HPF de primeira ordem nos fornece o BPF de segunda ordem. Ao colocar em cascata dois LPFs de primeira ordem com dois HPFs formam um BPF de quarta ordem.
Devido a esta cascata, o circuito fornece um valor de fator de baixa qualidade. O capacitor dentro do HPF de primeira ordem bloqueia qualquer polarização DC do sinal i/p.
Em ambas as bandas de parada, o ganho diminui é de ± 20 dB por década no caso do filtro de segunda ordem. O LPF e o HPF devem ser apenas de primeira ordem.
Da mesma forma, sempre que os dois filtros estão na segunda ordem, o ganho em ambas as bandas de parada é de aproximadamente ± 40dB/Década.
Expressão:
A expressão para o ganho de tensão do filtro passa-faixa é dada como:
Vout/Vin = Amax * (f/fL) / √(1+(f/fL)² (1+(f/fH)²
É obtido pelos ganhos individuais de LPF e HPF, portanto, ambos os ganhos do filtro são dados como;
Ganho de tensão para HPF
Vout/Vin = Amax1 * (f/fL) / √[1+(f/fL)²]
Ganho de Tensão para LPF
Vout /Vin = Amax2 /√[1+(f/fH)²]
Amáx = Amáx1 * Amáx2
Onde ‘Amax1’ é o ganho do estágio HPF & ‘Amax2; é o ganho do estágio LPF.
A resposta do filtro de banda larga é mostrada abaixo.
Filtro de passagem de banda estreita
Se o valor do fator de qualidade for superior a dez, a banda passante será estreita e a largura de banda da banda passante também será menor. Portanto, esse filtro é conhecido como filtro passa-banda estreita.
Este filtro usa apenas um componente ativo como amplificador operacional em vez de dois. O amplificador operacional usado neste circuito está em uma configuração inversora. O ganho do amplificador operacional neste filtro é máximo na frequência central ‘fc’.
O circuito do filtro passa-banda estreito é mostrado abaixo. A entrada é fornecida ao terminal de entrada inversora do amplificador operacional, então o amplificador operacional é conhecido como configuração inversora. Este circuito BPF estreito fornece uma resposta BPF estreita.
O ganho de tensão deste circuito de filtro é AV = – R2 / R1
As frequências de corte deste circuito de filtro são;
fC1 = 1 / (2π*R1*C1)
fC2 = 1 / (2π*R2*C2)
Vantagens e desvantagens
O vantagens de um filtro passa-banda ativo inclui o seguinte.
- Este filtro auxilia no envio ou transmissão de um sinal de faixa de frequência preferencial, auxiliando na economia de energia.
- Este filtro passa-banda auxilia na filtragem de sinais entre duas faixas de frequência.
As desvantagens dos filtros passa-banda ativos incluem o seguinte.
- Um filtro passa-banda ativo permite a passagem apenas de uma faixa preferida de frequências.
- Eles podem ser excessivamente restritivos, principalmente quando utilizados com uma largura de banda estreita. Portanto, isso resulta na perda de um conteúdo de frequência significativo, fazendo com que o som pareça oco ou fraco.
- Esses filtros são caros.
- Esses filtros possuem um sistema de controle complexo.
- Eles têm uma faixa limitada de frequência.
Formulários
As aplicações de filtros passa-banda ativos incluem o seguinte.
- O filtro passa-banda ativo é usado em muitas aplicações ópticas como; comunicações por satélite, telecomunicações e transferência de dados em modulação de luz.
- Esses filtros são usados em equipamentos de áudio para isolar frequências que estão na faixa audível de 20 Hz a 20 kHz.
- O Active BPF é usado em sistemas de comunicação sem fio para filtrar sinais e ruídos indesejados para melhorar a excelência da comunicação.
- Esses filtros são usados no ajuste e no modo de bloqueio de alta velocidade dos lasers de anel EDF.
- Este tipo de BPF é usado para nivelar o espectro o/p de fontes superfluorescentes EDF.
- Este filtro é usado no transmissor e receptor de sinal em um sistema de comunicação sem fio.
- Eles são usados em sistemas de áudio atuais, como sistema estéreo, sistemas de alto-falantes distribuídos, sistema Dolby Music, etc.
- Este tipo de filtro é utilizado para controle de frequência em circuitos equalizadores de áudio, LASER, LIDAR & Sistemas de comunicação SONAR.
- Isso é usado em dispositivos médicos como ECG e em neurociência para coletar e analisar dados.
Onde o filtro passa-banda ativo é usado?
O filtro passa-banda ativo é usado no campo de telecomunicações e também na faixa de frequência de áudio de 0 kHz a 20 kHz para modems e processamento de voz. Eles são comumente usados em transmissores e receptores sem fio
Qual é a diferença entre filtro passa-banda ativo e passivo?
Os filtros ativos operam com uma fonte de energia, enquanto os filtros passivos não precisam de fonte de energia. A saída do filtro passivo muda com a carga enquanto o filtro ativo mantém seu desempenho independentemente da carga conectada.
Qual é a função de transferência de um filtro passa-banda?
O comportamento do filtro passa-faixa pode ser descrito matematicamente com uma função de transferência. Esta é uma função complexa que conecta os sinais de entrada e saída do filtro. Portanto, o TF é dado por H(ω) = Vout(ω) / Vin(ω).
O que é uma função de transferência de filtro?
A função de transferência do filtro é a transformada Z de sua resposta ao impulso. Inclui equações quadráticas inteiras no numerador e no denominador. Ele fornece a base para implementar características de realização de passa-baixa, passa-alta, entalhe de frequência única e rejeição de banda.
Y(z) = H(z)X(z) =( h(1)+h(2)z−1+⋯+h(n+1)z−n)X(z).
Assim, esta é uma visão geral do ativo filtro passa-banda, circuito, funcionando , tipos e aplicações. Filtros passa-banda ativos são componentes importantes em circuitos eletrônicos para passar seletivamente uma determinada faixa de frequências enquanto atenua outras. Esses filtros oferecem vários benefícios, como alta precisão e ganho. BPFs ativos são comumente usados em sistemas de comunicação bem como aplicações baseadas em processamento de sinais onde estabilidade e alta precisão são necessárias, como em receptores de rádio. Eles são usados em uma variedade de aplicações, áudio, engenharia biomédica e comunicações de rádio. Aqui fica uma pergunta para você: o que é um filtro passa-banda passivo?
