Filtri ideali, filtri passivi ed attivi


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Un filtro è un dispositivo od un circuito elettronico che consente il passaggio di segnali a frequenze od intervalli di frequenze determinate mentre blocca il passaggio di segnali a frequenze diverse. Un filtro ideale rappresenta un caso limite di questa definizione nella quale il passaggio dei segnali entro determinate frequenze, ovvero nella banda passante, avviene senza alcuna attenuazione mentre il blocco dei segnali su frequenze diverse, cioè nella banda di reiezione, avviene con attenuazione infinita. Tenendo presente questo comportamento sono identificabili cinque tipi fondamentali di filtri ognuno con caratteristiche peculiari ed in parte complementari:

Filtro passa-basso :

Lascia passare i segnali con frequenza da zero fino alla sua frequenza di taglio F0 e blocca tutte le frequenze superiori a questa.

Filtro passa-basso

Filtro passa-basso

Filtro passa-alto :

Blocca i segnali con frequenza inferiore alla sua frequenza di taglio F0 e lascia passare tutte le frequenze superiori a questa.

Filtro passa-alto

Filtro passa-alto

Filtro passa-banda :

Lascia passare i segnali con frequenza compresa tra le sue due frequenze di taglio inferiore FL e superiore FH mentre blocca tutte le frequenze esterne a questo intervallo.

Filtro passa-banda

Filtro passa-banda

Filtro elimina-banda (notch) :

Blocca i segnali con frequenza compresa tra le sue due frequenze di taglio inferiore FL e superiore FH mentre lascia passare tutte le frequenze esterne a questo intervallo.

Filtro elimina-banda

Filtro elimina-banda (notch)

Filtro passa-tutto :

Lascia passare i segnali di tutte le frequenze, la sua funzione è di produrre un ritardo costante indipendentemente dalla frequenza.

Filtro passa-tutto

Filtro passa-tutto

A seguire ad ogni descrizione vedete il grafico che mostra il comportamento del filtro, ovvero la sua risposta in frequenza. Questa rappresentazione assume per i filtri un ruolo primario per la quantità di informazioni che può fornire. Per agevolarne la lettura una pagina riporta quale esempio le principali varianti grafiche che si possono incontrare in questo sito ed in analoghe trattazioni.

Filtri passivi ed attivi :

I filtri possono venire realizzati secondo tre diverse tecnologie: in ordine di complessità circuitale crescente troviamo i filtri passivi composti da sole induttanze e capacità; i filtri attivi composti da resistenze e capacità nella rete di un amplificatore, solitamente di tipo operazionale, oppure in una rete di capacità commutate (SC); i filtri DSP composti da un microprocessore dedicato che esegue elaborazioni matematiche sui segnali nel dominio digitale. Queste pagine focalizzano la trattazione dei soli filtri attivi ma per meglio comprenderne le modalità applicative non si può prescindere dall'evidenziare i pregi ed i difetti di ogni tecnologia. A seguire potete osservare le diverse implementazioni di un filtro passa-basso di terzo ordine rispettivamente nella versione passiva, attiva con amplificatore operazionale ed attiva SC, quest'ultima per semplicità indicata come un blocco funzionale integrato. Da notare che i filtri DSP non sono presenti in quanto troppi sono i parametri che interagiscono nel definirne pro e contro rispetto soluzioni più classiche.

Per un insieme di peculiarità alle basse e medie frequenze, ovvero dalla continua alle decine di MHz, i filtri attivi sono attualmente la soluzione preferenziale in molte applicazioni anche di elevata complessità. In particolare modo quando si desidera ottenere una ben precisa risposta in frequenza poco o nulla dipendente da fattori esterni.

Tecnologia dei Filtri

Tecnologia dei Filtri

Il filtro passivo si caratterizza per i seguenti vantaggi: Campo di frequenze applicative vastissimo, dagli Hz alle centinaia di GHz. Assenza di distorsioni sul segnale, i componenti sono in prima approssimazione puramente lineari. Assenza di alimentazione, operatività garantita indipendentemente dall'applicazione.

Il filtro attivo con amplificatore operazionale si caratterizza per i seguenti vantaggi: Basso costo ed ingombro, grazie agli attuali dispositivi anche per circuiti complessi. Assenza di perdite d'inserzione, nella banda passante si può realizzare anche un guadagno positivo. Taratura limitata, grazie all'assenza di induttori notoriamente reperibili con elevate tolleranze sul valore nominale si possono realizzare circuiti anche complessi con minimi interventi di sintonizzazione. Insensibilità alle terminazioni, la risposta in frequenza del filtro dipende poco o nulla dall'impedenza della sorgente di segnale in ingresso e dall'impedenza del carico in uscita.

Il filtro attivo SC si caratterizza per i seguenti vantaggi: Facilità di sintonizzazione, tipicamente si può regolare la frequenza di taglio entro un intervallo di due decadi. Elevata integrazione, sono disponibili circuiti integrati con filtri di ordine elevato che necessitano di pochi componenti esterni. Assenza di taratura, spesso un progetto ben curato non richiede interventi di sintonizzazione pur realizzando filtri di ordine elevato.

Dall'insieme di queste peculiarità si evidenzia come per frequenze basse, dalla continua alle decine di MHz, i filtri attivi siano attualmente una soluzione preferenziale in molte applicazioni di media od elevata complessità, specie quando si desidera ottenere una ben precisa risposta in frequenza poco dipendente da fattori esterni. I filtri a capacità commutate in particolare sono ideali in campo audio raggiungendo un ottimo rapporto prezzo / prestazioni, va ricordato comunque che i residui del segnale di clock richiedono una accurata progettazione e sviluppo del circuito stampato affinchè ne vengano minimizzati gli effetti negativi.

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