Filtro passa banda attivo: circuito, tipi, risposta in frequenza, fattore Q, vantaggi e sue applicazioni

IL filtro passa-banda consente ai segnali di fornire tra due frequenze particolari, anche se separa questi segnali ad altre frequenze. Questi tipi di filtri passa banda sono disponibili in vari tipi; parte del design del filtro passa-banda è realizzato con alimentazione esterna e componenti attivi come; transistor e circuiti integrati, chiamati BPF attivo. Allo stesso modo, alcuni filtri utilizzano qualsiasi fonte di alimentazione e componenti passivi come induttori e condensatori, chiamati BPF passivi. Questi filtri sono applicabili nei trasmettitori e ricevitori wireless.

Un BPF in un trasmettitore viene utilizzato per limitare la larghezza di banda del segnale di uscita al livello minimo richiesto e trasmettere i dati alla velocità e nella forma ideali. Allo stesso modo, questo filtro in un ricevitore consente di decodificare i segnali all'interno di un livello di frequenza preferito, evitando i segnali a frequenze non necessarie. Il rapporto S/N di un ricevitore è ottimizzato tramite un filtro passa banda. Questo articolo fornisce brevi informazioni su un filtro passa banda attivo .

Cos'è un filtro passa banda attivo?

Un tipo di filtro passa banda che utilizza componenti attivi come un amplificatore operazionale , insieme a resistori e condensatori per formare il filtro, è noto come filtro passa banda attivo. Questi filtri passa-banda amplificano il segnale di ingresso oltre al filtraggio, sebbene necessitino di una fonte di alimentazione esterna.

Questo filtro passa banda è progettato collegando in cascata un HPF, un amplificatore e un LPF come mostrato nella figura seguente. Il circuito dell'amplificatore tra HPF e LPF fornisce isolamento e fornisce un guadagno di tensione complessivo. I valori della frequenza di taglio di entrambi i filtri dovrebbero essere mantenuti con la minima variazione. Se questa variazione è estremamente piccola, allora esiste una possibilità di interazione tra gli stadi passa basso e passa alto. Pertanto è necessario un circuito di amplificazione. per avere i giusti livelli di queste frequenze di taglio.

Principio di funzionamento del filtro passa banda attivo

Il filtro passa banda attivo funziona attenuando le frequenze al di sopra o al di sotto di un intervallo di frequenze (ad esempio, la banda passante o la larghezza di banda del filtro). Qualsiasi segnale con una frequenza compresa nell'intervallo passa-banda passa semplicemente attraverso il filtro. Qualsiasi frequenza al di fuori della banda passante viene ridotta o attenuata.

Design del filtro passa banda attivo

Il circuito del filtro passa banda attivo è mostrato di seguito. Questo circuito può essere progettato collegando in cascata singoli filtri passivi passa-basso e passa-alto insieme. Fornisce un filtro di tipo “fattore di qualità” basso che contiene una banda passante ampia. Lo stadio primario del filtro passa banda attivo è lo stadio passa alto che utilizza il condensatore per bloccare qualsiasi polarizzazione CC dalla sorgente principale.

Questo progetto circuitale ha il vantaggio di generare una risposta in frequenza di banda passante asimmetrica abbastanza piatta attraverso una singola metà che indica la risposta passa basso mentre la metà rimanente indica una risposta passa alto.

Il punto d'angolo più alto 'ƒH' e il punto di interruzione della frequenza d'angolo inferiore 'ƒL' vengono calcolati come prima nei normali circuiti LPF e HPF del primo ordine.

È necessaria una ragionevole separazione tra i due punti di interruzione per evitare qualsiasi interazione tra gli stadi LPF e HPF. L'amplificatore aiuta a fornire l'isolamento tra i due stadi del filtro per descrivere il guadagno di tensione complessivo del circuito del filtro. Pertanto, la larghezza di banda del filtro è la disparità tra i punti più alti e quelli più bassi di -3 dB. La risposta in frequenza normalizzata e lo sfasamento di un BPF attivo saranno i seguenti.

Risposta in frequenza

Quando il suddetto circuito di filtro a sintonizzazione passiva funziona come un BPF, la larghezza di banda può essere piuttosto ampia. Questo potrebbe essere un problema se desideriamo separare le frequenze con una banda piccola. Il filtro passa banda attivo può anche essere progettato con un amplificatore operazionale invertente.

Pertanto, riorganizzando le posizioni dei resistori e dei condensatori nel filtro, possiamo generare un circuito di filtro molto migliore. Il punto di cut-off inferiore di -3 dB è specificato da 'ƒC1' per un BPF attivo mentre il punto di cut-off più alto di -3 dB è specificato da 'ƒC2'.

Il filtro sopra ha due frequenze centrali HPF e LPF. IL filtro passa alto la frequenza centrale dovrebbe essere inferiore rispetto alla frequenza centrale dell'LPF.

La frequenza centrale di BPF è la media geometrica delle frequenze di taglio superiori e inferiori come; fr2 = fHxfL.

Il guadagno del BPF attivo è di 20 log (Vout/Vin) dB/Decade.

La risposta in ampiezza è correlata alle risposte LPF e HPF. La curva di risposta dipende principalmente dall'ordine del filtro a cascata.

Fattore Q

La larghezza complessiva della banda passante effettiva tra i punti angolari superiori e inferiori di -3 dB del filtro passa banda attivo decide il fattore Q del circuito. Il valore del fattore Q è inferiore quindi la larghezza di banda del filtro è più ampia. Di conseguenza, il fattore Q è più alto e il filtro è più stretto.

A volte, il fattore Q del filtro passa banda attivo è indicato con il simbolo greco “α” ed è chiamato frequenza di picco alfa.

α = 1/Q

Poiché la 'Q' di un BPF attivo si riferisce alla 'nitidezza' della risposta del filtro attorno alla sua 'ƒr' (frequenza di risonanza centrale), può anche essere noto come fattore di smorzamento (o) coefficiente di smorzamento perché il filtro ha più smorzamento rispetto alla risposta più piatta del filtro. Il filtro ha uno smorzamento minore e la risposta del filtro è più nitida.

Il rapporto di smorzamento è indicato con il simbolo greco ‘ξ ‘

ξ = a/2

Il fattore di qualità di un filtro passa banda attivo è il rapporto tra ƒr (frequenza di risonanza) e BW (larghezza di banda) tra le frequenze superiori e inferiori -3dB.

Tipi di filtri passa banda attivi

Esistono due tipi di filtri passa banda attivi; filtro passa banda larga e filtro passa banda stretta che vengono discussi di seguito.

Filtro passa banda larga

Se il valore del fattore di qualità (Q) è inferiore a dieci, la banda passante è ampia e quindi ci fornisce la larghezza di banda maggiore. Quindi questo BPF è noto come filtro passa banda larga. In un filtro passa banda largo, la frequenza di taglio alta dovrebbe essere maggiore rispetto alla frequenza di taglio inferiore.

Innanzitutto, il segnale passa attraverso l'HPF, il segnale di uscita di questo filer tenderà all'infinito che viene fornito alla fine all'LPF. Questo LPF passa-basso il segnale a frequenza più alta.

Ogni volta che l'HPF viene collegato in cascata tramite LPF, è possibile ottenere il BPF semplice. Per comprendere questo filtro, l'ordine dei circuiti LPF e HPF dovrebbe essere simile.

Collegando a cascata un LPF e un HPF del primo ordine si ottiene il BPF del secondo ordine. Mettendo in cascata due LPF del primo ordine con due HPF si forma un BPF del quarto ordine.

A causa di questa cascata, il circuito fornisce un valore del fattore di bassa qualità. Il condensatore all'interno dell'HPF del primo ordine blocca qualsiasi polarizzazione CC dal segnale i/p.

In entrambe le bande di arresto, il guadagno diminuisce di ± 20 dB per decade nel caso del filtro di secondo ordine. LPF e HPF devono essere solo del primo ordine.

Allo stesso modo, ogni volta che i due filtri sono nel secondo ordine, l'attenuazione del guadagno su entrambe le bande di arresto è di circa ± 40 dB/decade.

Espressione:

L'espressione per il guadagno di tensione del filtro passa banda è data come:

Vout/Vin = Amax * (f/fL) / √(1+(f/fL)² (1+(f/fH)²

Viene ottenuto dai guadagni individuali sia di LPF che di HPF, quindi entrambi i guadagni del filtro vengono indicati come;

Guadagno di tensione per HPF

Vout/Vin = Amax1 * (f/fL) / √[1+(f/fL)²]

Guadagno di tensione per LPF

Vout / Vin = Amax2 /√[1+(f/fH)²]

Amax = Amax1 * Amax2

Dove 'Amax1' è il guadagno dello stadio HPF e 'Amax2; è il guadagno dello stadio LPF.

La risposta del filtro a banda larga è mostrata di seguito.

Filtro passa banda stretto

Se il valore del fattore di qualità è superiore a dieci, la banda passante sarà stretta e anche la larghezza di banda della banda passante sarà inferiore. Quindi questo filtro è noto come filtro passa banda stretta.

Questo filtro utilizza solo un componente attivo come l'amplificatore operazionale invece di due. L'amplificatore operazionale utilizzato in questo circuito è in una configurazione invertente. Il guadagno dell'amplificatore operazionale in questo filtro è massimo alla frequenza centrale 'fc'.

Di seguito è mostrato il circuito del filtro passa-banda stretto. L'ingresso viene fornito al terminale di ingresso invertente dell'amplificatore operazionale, quindi l'amplificatore operazionale è noto come configurazione invertente. Questo circuito BPF stretto fornisce una risposta BPF stretta.

Il guadagno di tensione di questo circuito di filtro è AV = – R2 / R1

Le frequenze di taglio di questo circuito di filtro sono;

fC1 = 1 / (2π*R1*C1)

fC2 = 1 / (2π*R2*C2)

Vantaggi e svantaggi

IL vantaggi di un filtro passa banda attivo include il seguente.

• Questo filtro aiuta a inviare o trasmettere un segnale della gamma di frequenza preferita, quindi aiuta a risparmiare energia.
• Questo filtro passa banda aiuta a filtrare i segnali tra due gamme di frequenza.

Gli svantaggi dei filtri passa banda attivi includono quanto segue.

• Un filtro passa banda attivo consente il passaggio solo di una gamma preferita di frequenze.
• Possono essere eccessivamente restrittivi, in particolare se utilizzati con una larghezza di banda ridotta. Ciò si traduce quindi nella perdita di un contenuto di frequenza significativo per rendere il suono vuoto o sottile.
• Questi filtri sono costosi.
• Questi filtri hanno un sistema di controllo complesso.
• Hanno una gamma di frequenza limitata.

Applicazioni

Le applicazioni dei filtri passa banda attivi includono quanto segue.

• Il filtro passa banda attivo viene utilizzato in molte applicazioni ottiche come; comunicazioni satellitari, telecomunicazioni e trasferimento dati nella modulazione della luce.
• Questi filtri vengono utilizzati nelle apparecchiature audio per isolare le frequenze nell'intervallo udibile da 20 Hz a 20 kHz.
• Il BPF attivo viene utilizzato nei sistemi di comunicazione wireless per filtrare segnali e rumori indesiderati per migliorare l'eccellenza della comunicazione.
• Questi filtri vengono utilizzati nella sintonizzazione e nel bloccaggio in modalità ad alta velocità dei laser ad anello EDF.
• Questo tipo di BPF viene utilizzato per livellare lo spettro o/p delle sorgenti super fluorescenti EDF.
• Questo filtro viene utilizzato nel trasmettitore e nel ricevitore del segnale in un sistema di comunicazione wireless.
• Questi sono utilizzati negli attuali sistemi audio come il sistema stereo, i sistemi di altoparlanti distribuiti, il sistema Dolby Music, ecc.
• Questo tipo di filtro viene utilizzato per il controllo della frequenza nei circuiti equalizzatori audio, LASER, LIDAR e sistemi di comunicazione SONAR.
• Viene utilizzato in dispositivi medici come l'ECG e nelle neuroscienze per raccogliere e analizzare dati.

Dove viene utilizzato il filtro passa banda attivo?

Il filtro passa banda attivo viene utilizzato nel campo delle telecomunicazioni e viene utilizzato anche nella gamma di frequenze audio da 0 kHz a 20 kHz per modem ed elaborazione vocale. Questi sono usati comunemente nei trasmettitori e ricevitori wireless

Qual è la differenza tra filtro passa banda attivo e passivo?

I filtri attivi funzionano con una fonte di alimentazione mentre i filtri passivi non necessitano di una fonte di alimentazione. L'uscita del filtro passivo cambia con il carico mentre il filtro attivo mantiene le sue prestazioni indipendentemente dal carico collegato.

Qual è la funzione di trasferimento di un filtro passa banda?

Il comportamento del filtro passa banda può essere descritto matematicamente con una funzione di trasferimento. Questa è una funzione complessa che collega i segnali di ingresso e di uscita del filtro. Quindi la T.F è data da H(ω) = Vout(ω) / Vin(ω).

Che cos'è una funzione di trasferimento del filtro?

La funzione di trasferimento del filtro è la trasformata Z della sua risposta all'impulso. Include intere equazioni quadratiche sia all'interno del numeratore che del denominatore. Fornisce la base per implementare le caratteristiche di realizzazione passa-basso, passa-alto, notch a frequenza singola e espulsione di banda.

Y(z) = H(z)X(z) =( h(1)+h(2)z−1+⋯+h(n+1)z−n)X(z).

Pertanto, questa è una panoramica degli attivi filtro passa banda, circuito, funzionamento , tipi e applicazioni. I filtri passa banda attivi sono componenti importanti all'interno dei circuiti elettronici per far passare selettivamente una certa gamma di frequenze attenuandone altre. Questi filtri offrono numerosi vantaggi come alta precisione e guadagno. I BPF attivi sono comunemente usati in sistemi di comunicazione nonché applicazioni basate sull'elaborazione del segnale ovunque siano necessarie stabilità e alta precisione, come nei ricevitori radio. Questi sono utilizzati in una varietà di applicazioni, audio, ingegneria biomedica e comunicazioni radio. Ecco una domanda per te: cos'è un filtro passa banda passivo?