Neste post, discutimos de forma abrangente 10 tipos diferentes de circuitos de filtro ativo que podem ser usados para filtrar música e áudio com os níveis desejados de efeitos de graves e agudos. Também aprendemos sobre seus circuitos de funcionamento, tipos, características e aplicações práticas.
Contribuição de: Ken Madison
Em circuitos de processamento de sinal de áudio, os filtros são usados para eliminar frequências indesejadas, permitindo apenas as frequências necessárias. Existem filtros de áudio passa-alta, passa-baixa, passa-banda e entalhe ou rejeição de banda, assim como temos filtros para muitas outras frequências. Os filtros passivos de resistor-capacitor (RC) estão entre os filtros de áudio mais básicos.
Filtros RC
O projeto para um filtro passivo RC de entrada de resistor de seção L básico é mostrado na Figura 1-a, na qual o capacitor C1 funciona como um circuito aberto em frequências mais baixas e como um curto-circuito em frequências mais altas.
Consequentemente, este filtro passa-baixas aceita sinais de baixa frequência enquanto rejeita (atenua significativamente) sinais de alta frequência. Em uma frequência de corte (fc), a saída deste filtro diminui em 3 decibéis (dB), onde:
(1) fc = 1 /(2πRC)
Conforme demonstrado na Fig. 1-b, à medida que a frequência aumenta excedendo o limite, a frequência diminui a uma taxa de 6 dB/oitava (20 dB/década).
Como resultado, um filtro passa-baixa de 1 kHz corta um sinal de entrada de 4 kHz em 12 dB e um sinal de 10 kHz em 20 dB.
A Figura 2-a mostra um segundo filtro RC passivo fundamental, que é um filtro de entrada de capacitor de seção L. Em frequências mais baixas, o capacitor também funciona como um circuito aberto, enquanto em frequências altas, ele age como um curto-circuito. Como resultado, este filtro passa-alta permite que os sinais de alta frequência viajem enquanto rejeita os de baixa frequência.
Conforme calculado pela fórmula acima (1) implementada no filtro passa-baixa da Fig. 1-a, a saída desse filtro passa-alta é 3 dB menor na frequência de corte. À medida que a frequência é reduzida abaixo desse limite, ela rola a uma taxa de 6 dB/oitava, conforme ilustrado na Fig. 2-b. Como resultado, um filtro passa-alta de 1 kHz suprime o sinal em 12 dB a 100 Hz.
Filtros ativos
Filtros RC básicos não podem ser colocados em cascata, pois suas interconexões podem criar um impacto negativo na saída. No entanto, usando circuitos de realimentação com amplificadores operacionais, estes podem ser eficientemente em cascata.
Resistores e capacitores externos podem ser usados para criar filtros ativos construídos em torno de amplificadores operacionais, eliminando o uso de grandes indutores. Um diagrama de circuito do filtro Butterworth é indicado na Figura 3.
Este é um filtro passa-baixo de ganho unitário de segunda ordem com uma frequência de corte de 10 kHz. Na banda passante, o filtro Butterworth tem uma resposta de amplitude significativamente plana, juntamente com um tempo de acomodação modesto e um overshoot modesto. Acima de 10 kHz, a saída deste circuito diminui 12 dB a cada oitava. A 100 kHz, por exemplo, a saída pode ser 40 dB menor.
A frequência de corte do filtro Butterworth pode ser calculada usando a seguinte fórmula:
(2) fc = 1 /(2,83πRC)
Você pode alterar as configurações dos resistores e capacitores no filtro ativo para alterar a frequência de corte. Se o valor do resistor ou capacitor for conhecido, as variáveis nas fórmulas (1) ou (2) (conforme aplicável) podem ser ajustadas para determinar uma determinada frequência de corte.
A necessidade de que um dos valores do capacitor no projeto da Fig. 3 seja exatamente o dobro do valor do outro parece ser uma pequena desvantagem. (O capacitor C2 na Fig. 3 tem um valor que é duas vezes o valor de C1). Essa restrição geralmente requer o uso de valores de capacitor fora do padrão.
A Figura 4 mostra um filtro passa-baixa ativo diferente. É um filtro de segunda ordem com uma frequência de corte de 10 kHz que resolve o problema com o circuito da Fig. 3.
Os valores dos capacitores R4 e R5 são os mesmos. Em ambas as Figs., é usado o amplificador operacional IC 741 comum, que usa os resistores R1 e R2, 3 e 4 para oferecer um ganho de tensão de 4,1 dB. Estes devem corresponder aos valores usados na Fig. 4. A fórmula (1) pode ser usada para obter a frequência de corte para esses “componentes iguais”. filtro.
A Figura 5 ilustra o método de cascata desses filtros de “componente igual” para criar um filtro passa-baixa de quarta ordem com um rolloff de 24 dB/oitava.
O divisor resistivo de R1/R2 que determina o ganho neste circuito é 39 kilohms dividido por 5,87 kilohms, ou 6,644. O divisor de potencial R3/R4 é construído usando 39 kilohms/48,5 kilohms, resultando em um valor de 0,805. Isso fornece um ganho de tensão total de 8,3 dB para o circuito.
Para obter os valores R2 e R4 fora do padrão, você pode conectar alguns resistores padrão de tolerância de 5% em série para corresponder aos valores indicados. Um filtro passa-alta de segunda ordem, 100 Hz, com ganho unitário é mostrado na Figura 6.
R2 é um resistor com o dobro da resistência de R1.
A Figura 7 mostra uma variante de “componente igual” do filtro, em que R3 e R4 são os mesmos. Um filtro passa-alta de quarta ordem é mostrado na Figura 8. As freqüências de trabalho dos filtros nas Figs. 6 e 7, bem como aqueles em
Figs. 4 e 5 podem ser alteradas da mesma maneira que as frequências de trabalho do conceito da Fig. 2 podem ser alteradas. Você pode aumentar os valores do resistor e do capacitor para diminuir a frequência de corte, ou vice-versa.
A Figura 9 ilustra o método através do qual o circuito do filtro passa-alta da Figura 7 e o esquema do filtro passa-baixa da Figura 4 podem ser combinados em série para gerar um filtro passa-faixa de fala de 300 Hz a 3,4 kHz (com a parte apropriada reajustes de valor).
Todas as frequências que estão fora desta faixa de frequência são rejeitadas por 12dB/oitava. Para aumentar a frequência de corte de 100 Hz para 300 Hz no filtro passa-altas mostrado na Figura 7, os valores dos capacitores são 1/3 dos números originais. Multiplicamos os valores originais do resistor por 2,94 no filtro passa-baixa da Fig. 4 para diminuir a frequência de corte de 10 kHz para 3,4 kHz.
Filtros Ativos Ajustáveis
O filtro ativo mais personalizável é aquele que possui uma frequência de cruzamento que pode ser pronta e completamente ajustada em uma ampla faixa. Três diagramas de circuitos realistas de filtros ativos variáveis de segunda ordem são mostrados nas Figuras 10, 11 e 12.
O projeto da Fig. 10 é uma versão básica do filtro passa-alta da Fig. 6, porém sua frequência de corte pode ser ajustada entre 23,5 Hz e 700 Hz ajustando uniformemente os potenciômetros R3 e R4 correspondentes.
(Estes podem ser agrupados mecanicamente.) Como os resistores nas redes RC neste circuito contêm valores iguais (ao contrário daqueles na Fig. 6), essa configuração não produz realmente uma das características mais planas do filtro Butterworth. No entanto, oferece excelente qualidade de sinal. A versão “estática” desse filtro normalmente tem uma frequência de corte de 50 Hz.
O projeto do circuito da Fig. 11 é uma versão modificada do filtro passa-alta da Fig. 3, embora sua frequência de corte seja totalmente ajustável de 2,2 kHz a 24 kHz através do ajuste constante dos potenciômetros R3 e R4 emparelhados. (Estes também podem ser agrupados.) Esse filtro, como o da Fig. 10, não exibe a característica Butterworth mais plana.
Este design de filtro ativo é na verdade um excelente filtro de remoção de ruído de arranhões. A frequência de corte das versões “fixas” deste filtro é geralmente de 10 kHz. A Figura 12 representa o método no qual os filtros nas Figuras 10 e 11 podem ser acoplados para produzir um filtro passa-alta/passa-baixa ajustável e flexível para eliminar ruídos de ruído e ruído de áudio de voz.
As frequências de corte passa-baixas e passa-altas são completamente ajustáveis. A frequência de corte passa-alta pode ser ajustada de 23,5 Hz a 700 Hz alterando uniformemente os potenciômetros R6 e R7 combinados (ou agrupados). R8 e R9 também podem alterar a frequência passa-baixa entre 2,2 kHz e 24 kHz.
Circuitos de controle de tom
Os circuitos de controle de tom de áudio são talvez os circuitos de filtro ajustáveis mais comuns. Isso permite que a resposta de frequência da unidade seja ajustada para atender a necessidades ou sentimentos auditivos específicos. Eles também podem ser ajustados para anormalidades acústicas nos arredores.
Nos próximos parágrafos, alguns dos princípios e circuitos fundamentais de controle de tom serão discutidos antes de considerar os circuitos práticos de controle de tom.
Uma rede passiva básica de controle de tom é mostrada na Figura 13-a. Dentro da faixa de áudio de 20 a 20.000 Hz, este circuito pode aumentar ou diminuir (cortar) baixas frequências.
A direção de rotação do controle deslizante do potenciômetro para aumentar (para cima) e cortar é indicada pela seta vertical de duas pontas adjacente ao potenciômetro do aparador R3 (para baixo).
Os circuitos correspondentes são mostrados nas Figuras 13-b a 13-d quando o potenciômetro R3 é ajustado para o aumento mais alto, corte mais alto e plano, respectivamente. Uma vez que a frequência é ajustada em seu valor mínimo de graves, os capacitores C1 e C2 estão totalmente em circuito aberto. Como resultado, o circuito boost torna-se proporcional a um resistor de 10 kilohm dividido por um resistor de 101 kilohm, como pode ser visto na Fig. 13-b.
Apenas uma pequena quantidade de graves é atenuada. Em comparação, o circuito equivalente de corte da Fig. 13 -c é equivalente a um resistor de 110 kilohm dividido por um resistor de 1,0 kilohm. Os sinais de graves são atenuados em cerca de 40 decibéis como resultado disso. A Figura 13-d ilustra a configuração plana do potenciômetro R3.
Nesta configuração o elemento resistivo pode ser visto como 90 kilohms acima do slider do potenciômetro e 10 kilohms abaixo dele. Um resistor de 100 kilohm é dividido por um resistor de 11 kilohm para criar a configuração acima.
Em todas as frequências, este circuito gera cerca de 20 dB de atenuação. Devido a isso, o circuito é capaz de fornecer um aumento ou redução de graves máximo de cerca de 20 dB quando comparado a frequências planas.
Um projeto típico para uma configuração passiva de controle de tom agudo é mostrado na Figura 14-a. Dentro da faixa de frequência de 20 a 20.000 kHz, o sistema é capaz de amplificar ou diminuir com eficiência as frequências de áudio alto. Circuitos tecnicamente idênticos são mostrados nas Figuras 14-b a 13d durante o boost ótimo, a redução ótima e durante as condições de operação plana, respectivamente.
Quando R3 é movido em torno da posição plana, este circuito fornece cerca de 20 dB de atenuação de sinal e valores de agudos, aumento ou redução mais altos possíveis de 20 dB em comparação com o desempenho da região plana dos circuitos.
A Figura 15 ilustra o método através do qual os circuitos nas Figuras 13a e 14a podem ser interconectados para fornecer uma configuração abrangente de controle de tons graves e agudos passivos.
Para evitar interações indesejadas entre as diferentes partes do circuito, um resistor R5 de 10 kilohm foi introduzido na rede. A saída deste circuito pode ser alimentada na entrada de um amplificador de potência primário, enquanto a entrada pode ser obtida diretamente do controle de volume de um amplificador.
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