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Filtro Passa-Baixa do Amplificador Operacional: Projeto de Circuito de Filtro Ativo

1 de março de 2023 0 Comentários Leitura: 9 min

Filtros de passagem baixa usando circuitos de amplificador operacional ou amplificador operacional fornecem um método fácil e eficaz para criar esses filtros com um mínimo de componentes eletrônicos.

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Tutorial de Amplificador Operacional Inclui:

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Amplificadores operacionais ou op-amps fornecem um meio muito eficaz de criar filtros passa-baixa ativos, proporcionando altos níveis de desempenho.

Ao incorporar os elementos filtrantes no circuito de realimentação de um circuito de amplificador operacional, é possível criar um filtro passa-baixo muito facilmente criado com um número mínimo de componentes eletrônicos e sem a necessidade de indutores que podem ser grandes e caros, além de não sendo quase tão amplamente disponíveis quanto capacitores e resistores.

Filtros passa-baixa usando circuitos de amplificador operacional são fáceis de projetar e construir em um pequeno espaço e isso os torna ideais para muitas áreas de projeto de circuitos eletrônicos.

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Sumário

O QUE É UM FILTRO PASSA-BAIXA

Como o nome indica, um filtro passa-baixa é um filtro que passa as frequências mais baixas e rejeita as frequências mais altas.

Filtros passa-baixa são usados em muitas aplicações para limitar a largura de banda de um sinal. Por exemplo, um filtro passa-baixa pode ser usado antes de um bloco de circuito de conversão analógico para digital para limitar a entrada de frequências superiores e para evitar aliasing. Da mesma forma, eles são usados com conversão digital para analógico para remover os aliases em altas frequências. Eles também são usados em transmissores para evitar harmônicos do sinal sendo irradiado e, da mesma forma, podem ser usados após misturadores de RF para remover as altas frequências indesejadas geradas. Eles também podem ser processados em muitas outras áreas do projeto de circuitos eletrônicos.

Dessa forma, os filtros passa-baixas são usados em muitas áreas do projeto de circuitos eletrônicos onde as baixas frequências são necessárias, mas as frequências mais altas precisam ser rejeitadas.

A forma da curva é importante com características como a frequência de corte e roll off sendo a chave para a operação.

A frequência de corte é normalmente tomada como o ponto em que a resposta caiu 3dB, conforme mostrado.

Outra característica importante é a inclinação final do roll off. Isso geralmente é governado pelo número de ‘pólos’ no filtro. Normalmente há um pólo para cada capacitor e indutor em um filtro.

Quando plotado em uma escala logarítmica, o roll-off final se torna uma linha reta, com a resposta caindo na taxa de roll-off final. Isso é 6dB por pólo dentro do filtro. Este filtro com um único capacitor sai a 6dB por oitava, mas um filtro passa-baixa com dois capacitores e um indutor sairia a 18dB por oitava.

Os filtros passa-baixa passivos tradicionais podem usar resistores e capacitores, ou para aqueles com melhores indicadores de desempenho e capacitores podem ser usados. No entanto, os indutores são caros e, especialmente em baixas frequências, também devem ser evitados devido ao seu tamanho.

Como resultado disso, os filtros passa-baixa ativos são uma opção muito melhor para muitas áreas do projeto de circuitos eletrônicos.

O QUE É UM FILTRO ATIVO

Existem filtros ativos e passivos que podem ser usados no projeto de circuitos eletrônicos. Como o nome indica, um filtro passivo é aquele que usa apenas componentes eletrônicos passivos: indutores, capacitores e resistores

Um filtro ativo é aquele que usa componentes eletrônicos ativos: amplificadores.

Frequentemente, os filtros ativos usam circuitos de amplificador operacional, pois estes se prestam à adição de componentes de filtro, especialmente envolvendo o loop de feedback negativo.

Ao usar uma abordagem de filtro ativo, pode-se obter melhor desempenho: o uso de um amplificador como um amplificador operacional evita que os estágios seguintes carreguem o filtro e prejudiquem seu desempenho.

Além disso, um filtro ativo pode ter pólos e zeros complexos sem a necessidade de usar indutores volumosos e caros, tornando o filtro relativamente fácil de implementar usando resistores e capacitores como componentes eletrônicos externos.

Uma vantagem adicional de um filtro ativo é que a forma da resposta, o Q ou fator de qualidade e a frequência podem muitas vezes ser ajustados com resistores variáveis de baixo custo. Em alguns circuitos de filtro ativo, um parâmetro pode ser ajustado sem afetar os outros.

CIRCUITO DE FILTRO PASSA-BAIXA ATIVO DE PÓLO ÚNICO

O circuito de amplificador operacional mais simples para um circuito de filtro passa-baixa simplesmente coloca um capacitor no resistor de realimentação. Isso tem o efeito, à medida que a frequência aumenta, de aumentar o nível de feedback à medida que a impedância reativa do capacitor diminui.

Esta forma de filtro muito simples é normalmente usada nos casos em que é necessária uma pequena quantidade de roll-off, e isso pode ser obtido usando apenas um componente eletrônico extra.

Filtros de amplificador operacional de passagem baixa de pólo único: configurações inversoras e não inversoras

O ponto de interrupção para este tipo simples de filtro pode ser calculado muito facilmente calculando a frequência na qual a reatância do capacitor é igual à resistência do resistor. Isso pode ser obtido usando a fórmula:

Onde:
Xc é a reatância capacitiva em ohms
Π é a letra grega e igual a 3,142
f é a frequência em Hertz
C é a capacitância em Farads

O ganho em banda para esses circuitos de amplificador operacional é calculado da maneira normal, ignorando o efeito do capacitor.

Embora esses circuitos de amplificador operacional sejam úteis para fornecer uma redução no ganho em altas frequências, eles fornecem apenas uma taxa final de roll off de 6 dB por oitava, ou seja, as metades da tensão de saída para cada duplicação de frequência. Este tipo de filtro é conhecido como filtro unipolar. Freqüentemente, é necessária uma taxa de rejeição muito maior e, para conseguir isso, é possível incorporar um filtro de desempenho mais alto no circuito de realimentação.

CIRCUITO DE AMPLIFICADOR OPERACIONAL DE FILTRO PASSA-BAIXA DE DOIS PÓLOS

Embora seja possível projetar uma ampla variedade de filtros com diferentes níveis de ganho e diferentes padrões de roll off usando um amplificador operacional e alguns componentes eletrônicos adicionais. O filtro é simples, oferece cálculos de projeto de circuito eletrônico único e fornece uma boa solução geral ‘infalível’.

O circuito do amplificador operacional fornece ganho de unidade e uma resposta Butterworth (a resposta mais plana na banda, mas não a mais rápida para obter o melhor roll off fora da banda).

Se for necessária uma resposta diferente, é possível realizar cálculos para isso, embora os cálculos do projeto do circuito eletrônico sejam um pouco mais complicados.

Circuito de filtro de amplificador operacional de baixa passagem
*usando um amplificador operacional, resistores de reboque e dois capacitores*

Os cálculos para os valores do circuito são muito diretos para a resposta Butterworth e o cenário de ganho unitário. O amortecimento crítico é necessário para o circuito e a relação entre os valores do resistor e do capacitor determina isso.

Ao escolher os valores dos componentes eletrônicos, certifique-se de que os valores do resistor fiquem na região entre 10 kΩ e 100 kΩ. Isso é aconselhável porque a impedância de saída do circuito aumenta com o aumento da frequência e os valores fora dessa região podem afetar o desempenho geral do circuito do amplificador operacional.

COMPONENTES ELETRÔNICOS PARA FILTROS ATIVOS

A escolha dos componentes eletrônicos utilizados em um filtro ativo é fundamental para o bom funcionamento do circuito.

A questão chave é que a largura de banda do filtro está correta. Alterações nos valores dos componentes eletrônicos como resultado de sua tolerância podem alterar a largura de banda. Em alguns casos, isso pode não ser crítico, mas em outros pode ser. Durante o projeto do circuito eletrônico, isso deve ser avaliado e os componentes escolhidos de acordo.

Atualmente, os resistores de filme metálico estão disponíveis em formato de dispositivo de montagem em superfície e com chumbo. Esses resistores não são apenas de baixo ruído, mas também podem ser comprados em formas de tolerância estreita. Normalmente, eles estão disponíveis como versões de 1%, 2% ou ocasionalmente 5%. Como geralmente há pouca diferença de custo, usar resistores de 2% é uma boa escolha.

Em termos de capacitores, capacitores eletrolíticos não são uma boa escolha. Não só eles são polarizados, mas sua tolerância é muito pobre. Normalmente, os capacitores eletrolíticos têm uma tolerância de -20% e +80%, portanto, não são precisos.

Os capacitores cerâmicos oferecem um bom nível de desempenho e normalmente estão disponíveis nas faixas exigidas. Eles também estão disponíveis como dispositivos de montagem em superfície e com chumbo. Dependendo do dielétrico real, capacitores de tolerância muito alta estão disponíveis, embora novamente a tolerância real dependa da aplicação.

Os capacitores de filme plástico são outra boa escolha, pois muitos tipos oferecem bons níveis de tolerância. No entanto, os capacitores de filme geralmente estão disponíveis apenas como dispositivos com chumbo e não como dispositivos de montagem em superfície.

Filtros passa-baixa de amplificador operacional são fáceis de projetar, especialmente quando um tipo de filtro Butterworth é usado como acima. Projetos mais sofisticados usando diferentes tipos de filtro também podem ser desenvolvidos, embora a matemática se torne mais complicada e as decisões precisem ser tomadas sobre o tipo ideal de resposta e filtro a ser usado. Para a maioria das aplicações, o Butterworth básico oferece excelente desempenho de filtro.

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