Introduzione tecnica ai filtri


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Nelle pagini seguenti trovate schema, relazioni per il dimensionamento, curva di risposta dei diversi tipi di filtri per ordini crescenti. Nell'utilizzare queste informazioni tenete presente alcuni criteri di carattere pratico e di validità generale che ridurranno il tempo di sviluppo e vi consentiranno di raggiungere l'obiettivo che vi siete prefissati con maggiore efficacia. Naturalmente stante la varietà di risposte e tipologie di implementazione non è possibile fornire una dettagliata descrizione di tutti i filtri attivi con amplificatori operazionali, le sezioni che seguono trattano le forme più comuni dei circuiti. Il supporto matematico è volutamente ridotto per non appesantirne la descrizione. Dopo la fase di analisi delle caratteristiche e peculiarità delle diverse classi di circuiti, e quindi della scelta fatta in base alle vostre esigenze, la progettazione potrà essere svolta con un software di simulazione SPICE. L'utilizzo di questi programmi consente di simulare tutti gli aspetti dei filtri non limitatamente alla curva di risposta, è richiesta però l'introduzione di molti parametri e la conoscenza delle caratteristiche operative dei dispositivi. Una soluzione più semplice, adatta a circuiti di piccola e media complessità, consiste nell'impiego di programmi specifici per questa tipologia di reti con un input iniziale assai ridotto. Tra questa categoria primeggia FILTERCAD della Linear Tehnology che trovate descritto in questo sito. Con pochi passi il software vi permetterà di concretizzare una ampia gamma di progetti da utilizzare come proposti oppure quale base per ulteriori elaborazioni.

All'atto di procedere al dimensionamento dei componenti iniziate con il scegliere il valore dei condensatori e conseguentemente solo dopo aver compiuto questo determinare il valore delle resistenze. Questo procedimento, quando è attuabile, consente di avere maggiori possibilità che i calcoli restituiscano dei numeri che si avvicinano, con ridotto scarto, ai valori dei componenti standard reperibili sul mercato. Qualora i valori che risultano dal dimensionamento dei componenti sono lontani dagli standard è possibile procedere al collegamento in serie o parallelo per ottenere quanto desiderato. Pur essendo questa strada valida consigliamo di effettuare nuovamente i calcoli con diversi valori iniziali per verificare se il risultato con diversi abbinamenti porta a raggiungere un migliore compromesso.

Riguardo tipo e valori standard dei componenti consultate la sezione relativa. Questi alcuni criteri generale che consigliamo di adottare:

  • Evitare l'utilizzo di resistenze e reattanze inferiori ai 100 ohm o superiori ai 470 Kohm, questo per assicurare che le componenti parassite serie e parallelo possano alterare significativamente il valore reale della resistenza o del condensatore.

  • Per i condensatori in particolare è preferibile rientrare nell'intervallo tra 100 pF e 10 uF se il filtro deve operare a frequenze audio, va puntualizzato che per frequenze maggiori sull'ordine delle centinaia di KHz se non dei MHz si deve adottare valori inferiori.

  • Nei filtri operanti in frequenze sull'ordine delle centinaia di KHz o dei MHz, e qualora si impieghino condensatori inferiori ai 200 pF, si tenga presente che probabilmente può essere utile in fase di realizzazione prevedere una taratura che compensi le capacità parassite dei dispositivi e dello stesso circuito stampato.

Molti dei circuiti proposti presentano al proprio ingresso un componente in serie, spesso una resistenza, che va dimensionato assieme agli altri elementi per una specifica curva di risposta del filtro. La sorgente di segnale, lo stadio precedente ad esempio, con la sua impedenza caratteristica andrà però ad aggiungersi a tale componente modificandone il valore efficace totale. Questo può comportare frequenze di taglio diverse da quanto i calcoli mostrano oppure una curva di risposta con un diverso andamento attorno alla F0 con una alterazione del ripple in questo segmento.

Buffer pre-filtro

Buffer pre-filtro

La soluzione consiste nell'anteporre al filtro un buffer con amplificatore operazionale, la sua uscita a bassa impedenza assicurerà l'ottimale funzionamento del filtro e vi lascerà ampia libertà di utilizzarlo in ogni applicazione indipendentemente dal circuito o dal componente che fornirà il segnale che andrete a trattare. Considerando inoltre che in più occasioni si utilizzeranno dispositivi operazionali in circuiti integrati doppi o quadrupli è possibile che una sezione rimanga inutilizzata fornendovi il buffer a costo zero.

Quale esempio si consideri il filtro passa-banda che vedete qui sipra nel quale R1 è posta in serie con l'ingresso, con i possibili inconvenienti poc'anzi citati. Lo stesso filtro preceduto dal buffer ne garantisce il funzionamento ottimale con una minima complicazione circuitale.

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