Filtro passa alto attivo

In precedenza abbiamo descritto il filtro passa alto passivo e il filtro passa basso attivo, ora è il momento del filtro passa alto attivo. Esploriamo cos'è un filtro passa alto attivo.

Cos'è, circuito, formule, curva?

Come il filtro passa basso passivo, il filtro passa alto passivo funziona con componenti passivi, resistore e condensatore. Abbiamo imparato nel precedente tutorial sul filtro passa-alto passivo che funziona senza alcuna interruzione esterna o risposta attiva.

Se aggiungiamo un amplificatore attraverso il filtro passa alto passivo, possiamo facilmente creare un filtro passa alto attivo. Cambiando la configurazione dell'amplificatore possiamo anche formare diversi tipi di filtro passa alto, filtro passa alto invertito o non invertito o guadagno unitario attivo.

Per motivi di semplicità, efficacia del tempo e anche delle tecnologie in crescita nella progettazione di amplificatori operazionali, generalmente viene utilizzato un amplificatore operazionale per la progettazione di filtri attivi.

Nel filtro passa-alto passivo, la risposta in frequenza è infinita. Ma nello scenario pratico dipende molto dai componenti e da altri fattori, qui nel caso del filtro passa alto attivo, la larghezza di banda dell'amplificatore operazionale è il limite principale del filtro passa alto attivo. Ciò significa che la frequenza massima passerà a seconda del guadagno dell'amplificatore e delle caratteristiche ad anello aperto dell'amplificatore operazionale.

Esploriamo alcuni comuni amplificatori operazionali a circuito aperto del guadagno di tensione CC.

Op-amp	Larghezza di banda (dB)	Frequenza massima
LM258	100	1 MHz
uA741	100	1 MHz
RC4558D	35	3MHz
TL082	110	3MHz
LM324N	100	1 MHz

Questa è una piccola lista sull'amplificatore operazionale generico e sul guadagno di tensione. Inoltre, il guadagno di tensione dipende in gran parte dalla frequenza del segnale e dalla tensione di ingresso dell'amplificatore operazionale e da quanto guadagno viene applicato in quell'amplificatore operazionale.

Esploriamo ulteriormente e capiamo cosa ha di speciale: -

Ecco il design semplice del filtro passa alto: -

Questa è l'immagine del filtro passa-alto attivo. Qui la linea di violazione ci mostra il tradizionale filtro passivo RC passa alto visto nel tutorial precedente.

Frequenza di taglio e guadagno di tensione:

La formula della frequenza di taglio è la stessa utilizzata nel filtro passa alto passivo.

fc = 1 / 2πRC

Come descritto nel tutorial precedente, fc è la frequenza di taglio e R è il valore del resistore e C è il valore del condensatore.

I due resistori collegati nel nodo positivo dell'amplificatore operazionale sono resistori di feedback. Quando queste resistenze sono collegate nel nodo positivo dell'amplificatore operazionale, si parla di configurazione non invertente. Questi resistori sono responsabili dell'amplificazione o del guadagno.

Possiamo anche calcolare facilmente il guadagno dell'amplificatore usando le seguenti equazioni dove possiamo scegliere il valore della resistenza equivalente in base al guadagno o può essere viceversa: -

Guadagno amplificatore (ampiezza CC) (Af) = (1 + R3 / R2)

Curva di risposta in frequenza:

Vediamo quale sarà l'output del filtro passa alto attivo o del diagramma di Bode / curva di risposta in frequenza: -

Questa è la curva di guadagno dell'amplificatore operazionale e del filtro collegato attraverso l'amplificatore.

Questa curva verde mostra l'uscita amplificata del segnale e quella rossa mostra l'uscita senza amplificazione attraverso il filtro passa alto passivo.

Se vediamo la curva in modo più accurato, troveremo i seguenti punti all'interno di questo diagramma di bode: -

La curva rossa aumenta a 20dB / decade e nella regione di cutoff l'ampiezza è -3dB che è un margine di fase di 45 gradi.

Come discusso in precedenza, la risposta in frequenza massima di un amplificatore operazionale è strettamente collegata al suo guadagno o larghezza di banda (come chiamato guadagno ad anello aperto Av).

Nell'elenco fornito prima abbiamo visto un tipico amplificatore operazionale comune come uA741, LM324N ha un guadagno ad anello aperto massimo di 100 dB che si ridurrà a un tasso di roll-off di -20 dB per decennio se la frequenza di ingresso aumenta. La frequenza di ingresso massima supportata da LM324N, uA741 è 1 Mhz, che è la larghezza di banda o la frequenza del guadagno unitario. A questa frequenza il rispettivo amplificatore operazionale produrrà un guadagno di 0 dB o un guadagno unitario che diminuisce di 20 dB / decade.

Quindi non è infinito, dopo 1 MHz il guadagno diminuirà al ritmo di -20dB / decade. La larghezza di banda del filtro passa-alto attivo dipende fortemente dalla larghezza di banda dell'amplificatore operazionale.

Possiamo calcolare il guadagno di magnitudo convertendo il guadagno di tensione dell'amplificatore operazionale.

Il calcolo è il seguente: -

dB = 20log (Af) Af = Vin / Vout

Questo Af può essere il guadagno Dc che abbiamo descritto prima calcolando il valore del resistore o dividendo Vout per Vin.

Possiamo anche ottenere il guadagno di tensione dalla frequenza applicata al filtro (f) e dalla frequenza di taglio (fc). Derivare il guadagno di tensione da questi due è molto semplice usando questa formula =

Se mettiamo il valore di f e fc otterremo il guadagno di tensione desiderato attraverso il filtro.

Circuito del filtro dell'amplificatore invertente:

Possiamo anche costruire il filtro in formazione invertita.

Il margine di fase può essere ottenuto dalla seguente equazione.

Lo spostamento di fase è lo stesso del filtro passa-alto passivo. È +45 gradi alla frequenza di taglio di fc.

Ecco l'implementazione del circuito del filtro passa alto attivo invertito: -

È un filtro passa alto attivo in configurazione invertita. L'amplificatore operazionale è collegato inversamente. Nella sezione precedente l'ingresso era collegato attraverso il pin di ingresso positivo dell'amplificatore operazionale e il pin negativo dell'amplificatore operazionale viene utilizzato per realizzare il circuito di feedback. Qui il circuito si è invertito. Ingresso positivo collegato con riferimento a massa e il condensatore e il resistore di feedback collegati attraverso il pin di ingresso negativo dell'amplificatore operazionale. Questa è chiamata configurazione dell'amplificatore operazionale invertito e il segnale di uscita sarà invertito rispetto al segnale di ingresso.

Il resistore R1 agisce come un ruolo di filtro passivo e anche come un resistore di guadagno entrambi contemporaneamente.

Guadagno di unità o filtro passa alto attivo follower di tensione:

Fino ad ora il circuito qui descritto è utilizzato per il guadagno di tensione e per scopi di post amplificazione.

Possiamo farlo usando un amplificatore a guadagno unitario, il che significa che l'ampiezza o il guadagno di uscita sarà 1x. Vin = Vout.

Per non parlare, è anche una configurazione dell'amplificatore operazionale che spesso viene descritta come configurazione del seguace di tensione in cui l'amplificatore operazionale crea una replica esatta del segnale di ingresso.

Vediamo il progetto del circuito e come configurare l'amplificatore operazionale come inseguitore di tensione e rendere attivo il guadagno unitario Filtro passa alto: -

In questa immagine tutto è identico all'amplificatore di guadagno utilizzato nella prima figura. le resistenze di feedback dell'amplificatore operazionale vengono rimosse. Invece del resistore, il pin di ingresso negativo dell'amplificatore operazionale è collegato direttamente con l'amplificatore operazionale di uscita. Questa configurazione dell'amplificatore operazionale è chiamata configurazione del follower di tensione. Il guadagno è 1x. È un filtro passa alto attivo a guadagno unitario. Produrrà una replica esatta del segnale di ingresso.

Esempio pratico con calcolo

Progetteremo un circuito di filtro passa alto attivo in configurazione op-amp non invertente.

Specifiche: -

1. Il guadagno sarà 2x
2. La frequenza di taglio sarà 2 KHz

Calcoliamo il valore prima di realizzare il circuito: -

Guadagno amplificatore (ampiezza CC) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 2

R2 = 1k (Dobbiamo selezionare un valore; abbiamo selezionato 1k per ridurre la complessità del calcolo).

Mettendo insieme il valore otteniamo

(2) = (1 + R3 / 1)

Abbiamo calcolato che il valore del terzo resistore (R3) è 1k.

Ora dobbiamo calcolare il valore del resistore in base alla frequenza di taglio. Poiché il filtro passa-alto attivo e il filtro passa-alto passivo funzionano allo stesso modo, la formula di taglio della frequenza è la stessa di prima.

Controlliamo il valore del condensatore se la frequenza di taglio è 2KHz, abbiamo selezionato il valore del condensatore 0,01uF o 10nF.

fc = 1 / 2πRC

Mettendo insieme tutto il valore otteniamo: -

2000 = 1 / 2π * 10 * ^10-9

Risolvendo questa equitazione otteniamo che il valore del resistore sia 7,96 circa.

Viene selezionato il valore più vicino di questo resistore 8k Ohm.

Il prossimo passo è calcolare il guadagno. La formula del guadagno è la stessa del filtro passa alto passivo. La formula del guadagno o dell'ampiezza in dB è la seguente: -

Poiché il guadagno dell'amplificatore operazionale è 2x. Quindi l'Af è 2.

fc è la frequenza di taglio quindi il valore di fc è 2Khz o 2000Hz.

Ora cambiando la frequenza (f) otteniamo il guadagno.

Frequenza (f)	Guadagno di tensione (Af) (Vout / Vin)	Guadagno (dB) 20log (Vout / Vin)
100	.10	-20.01
250	.25	-12.11
500	.49	-6.28
750	.70	-3.07
1.000	.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

In questa tabella dai 100 Hz il guadagno viene aumentato sequenzialmente a un ritmo di 20 dB / decade, ma dopo aver raggiunto la frequenza di taglio il guadagno viene lentamente aumentato a 6,02 dB e rimane costante.

Una cosa per ricordare che il guadagno dell'amplificatore operazionale è 2x. Per questo motivo la frequenza di taglio è: da -3dB a 0dB (guadagno 1x) a + 3dB (guadagno 2x)

Ora, poiché abbiamo già calcolato i valori, ora è il momento di costruire il circuito. Aggiungiamo tutti insieme e costruiamo il circuito: -

Abbiamo costruito il circuito sulla base dei valori calcolati in precedenza. Forniremo 10Hz a 100KHz frequenza e 10 punti per decade all'ingresso del filtro passa alto attivo e analizzeremo ulteriormente per vedere se la frequenza di taglio è 2000Hz o non all'uscita dell'amplificatore

Questa è la curva di risposta in frequenza. La linea verde rappresenta l'uscita amplificata del filtro che è 2 x guadagni. E la linea rossa che rappresenta la risposta del filtro all'ingresso dell'amplificatore.

Impostiamo il cursore su 3dB della frequenza d'angolo e otteniamo 2.0106 KHz o 2 KHz.

Come descritto in precedenza, il guadagno del filtro passivo è -3dB ma con il guadagno 2x del circuito dell'amplificatore operazionale aggiunto all'uscita filtrata, il punto di taglio è ora 3dB come 3dB aggiunti due volte.

Collegamento a cascata e aggiunta di più filtri a un amplificatore operazionale

È possibile aggiungere più filtri su un amplificatore operazionale come il filtro passa alto attivo del secondo ordine. In tal caso, proprio come il filtro passivo, viene aggiunto un filtro RC aggiuntivo.

Vediamo come è costruito il circuito del filtro passa alto attivo del secondo ordine.

Questo è il filtro del secondo ordine. Nella figura possiamo vedere chiaramente i due filtri sommati insieme. Questo è il filtro passa alto del secondo ordine.

Come puoi vedere c'è un amplificatore operazionale. Il guadagno di tensione è lo stesso indicato in precedenza utilizzando due resistori. Poiché la formula del guadagno è la stessa, il guadagno di tensione è

Af = (1 + R2 / R1)

La frequenza di taglio è: -

Possiamo aggiungere un filtro attivo passa alto di ordine superiore. Ma c'è una regola.

Se vogliamo creare un filtro del terzo ordine, possiamo mettere in cascata il primo e il secondo filtro.

Come due filtri di secondo ordine creano un filtro di quarto ordine e questa somma viene aggiunta ogni volta.

Il filtro passa-alto attivo a cascata può essere eseguito come segue: -

Più l'amplificatore operazionale viene aggiunto, più viene aggiunto il guadagno. Vedere la figura sopra. I numeri scritti sull'amplificatore operazionale rappresentano la fase dell'ordine. Come 1 = fase del 1 ° ordine, 2 = fase del 2 ° ordine. Ogni volta che viene aggiunto lo stadio, viene aggiunta anche l'ampiezza del guadagno di 20 dB / decade per ogni stadio. Come per il primo stadio è 20dB / decade, il secondo stadio è 20dB + 20dB = 40dB per decade ecc. Ogni filtro per numeri pari è composto da filtri del secondo ordine, ogni numero dispari è composto dal primo e dal secondo posizione. Non ci sono limitazioni al numero di filtri che possono essere aggiunti, ma è l'accuratezza del filtro che diminuisce quando vengono aggiunti filtri aggiuntivi successivamente. Se il valore del filtro RC, ovvero il resistore e i condensatori sono gli stessi per ogni filtro, anche la frequenza di taglio sarà la stessa, il guadagno complessivo rimarrà uguale poiché i componenti di frequenza utilizzati sono gli stessi.

Applicazioni

Il filtro passa alto attivo può essere utilizzato in più punti in cui non è possibile utilizzare il filtro passa alto passivo a causa della limitazione del guadagno o della procedura di amplificazione. A parte questo, il filtro passa alto attivo può essere utilizzato nei seguenti luoghi: -

Il filtro passa alto è un circuito ampiamente utilizzato nell'elettronica.

Ecco alcune applicazioni: -

1. Equalizzazione degli acuti prima dell'amplificazione della potenza
2. Filtri relativi al video ad alta frequenza.
3. Oscilloscopio e generatore di funzioni.
4. Prima Altoparlante per rimuovere o ridurre il rumore a bassa frequenza.
5. Modifica della forma della frequenza a un'onda diversa da.
6. Filtri per l'aumento degli alti.