Multi-filtro ativo (ART365)

Filtros ativos podem ser usados em muitos tipos de equipamentos. No entanto, o ideal de um filtro ativo para uma bancada de desenvolvimento é a possibilidade dele ser ajustado numa ampla faixa de frequências e ainda ter características que possam ser comutadas. O filtro que descrevemos neste artigo apresenta estas características e opera numa faixa contínua de 20 Hz a 20 kHz.

Descrevemos neste artigo um filtro que pode ter suas características comutadas e alteradas o que o torna ideal para trabalhos de bancada ou mesmo para testes.

O filtro, dependendo da posição de uma primeira chave comutadora pode funcionar como passa-altas ou como passa-baixas, com as características mostradas na figura 1.

A frequência (f) pode ser ajustada entre 20 Hz e 20 kHz.

Como passa-altas o filtro deixa passar somente as frequências que estejam acima de um determinado valor, e que no nosso caso podem estar entre 20 Hz e 20 kHz.

Como passa-baixas, somente as frequências inferiores a este valor é que passam pelo circuito recebendo uma certa amplificação.

Uma segunda chave (S3) determina a característica do filtro. Na posição (a) temos um ganho unitário para o primeiro operacional que leva o filtro a ter uma característica de Bessel.

Com a chave na posição B o ganho do operacional CI-1a se torna 1,59 o que leva o filtro a ter uma característica de Butterworth.

A alimentação do circuito deve ser feita com fonte simétrica de 6 a 12 volts tipicamente e sua baixa impedância de saída permite que o sinal seja aplicado na maioria dos circuitos de áudio comuns que devam ser analisados.

Características:

* Tensão de alimentação: 6 a 12V simétrica

* Corrente consumida típica: 10 mA

* Faixa de frequências: 20 Hz a 20 kHz

* Características: Bessel e Butterworth

* Impedância de entrada: 150 k ? (tip)

* Impedância de saída: 150 ? (tip)

COMO FUNCIONA

São usados dois amplificadores operacionais que tanto podem ser dois 741 como um duplo 741 tal como o MC1458. As características destes amplificadores é que determinam o limite superior da faixa de frequências em que o filtro pode operar.

Com operacionais de características que alcancem frequências mais elevadas, o limite de 20 kHz pode ser ampliado facilmente, bastando para isso acrescentar uma quarta faixa à chave seletora de frequências (S2).

O primeiro amplificador operacional (CI-1a) opera na forma convencional com o sinal aplicado à entrada não inversora e o ganho determinado pelo resistor de realimentação e o resistor ligado da entrada inversora à terra.

Neste ponto esse ganho pode ser programado por uma chave (S3). Numa posição o resistor à terra é eliminado e desta forma a relação entre o resistor de realimentação e a resistência à terra tende à zero com o que o ganho se torna unitário.

Na outra posição da chave, é colocado no circuito um resistor de 150k que leva o ganho a aproximadamente 1,59 que é o valor exigido para a característica de Bessel. Na verdade, o valor correto deste resistor para tal característica seria 170 k ? que poderia ser obedecido numa aplicação mais crítica com componentes de precisão.

A função passa-altas ou passa-baixas é obtida com a comutação da rede de realimentação (capacitores e resistores) de modo que eles modifiquem a ação do circuito.

A frequência de corte do circuito, tanto nas funções passa-altas como passa-baixas é dada pelo potenciômetro P1 em conjunto com resistor em série e mais os capacitores de C1 a C3 que são comutados pela chave S2.

Cada capacitor permite que o potenciômetro varra uma faixa de frequências com uma relação de 1 para 10 de modo que, com três capacitores conseguimos uma relação de 1 para 1 000 o que nos leva à faixa completa de 20 Hz a 20 000 Hz.

O segundo operacional funciona como um buffer não inversor com ganho que também depende da posição da chave S3 e entrega seu sinal à saída em uma condição de baixa impedância.

A fonte de alimentação do circuito deve ser simétrica e para aplicações mais críticas os resistores que determinam os ganhos dos operacionais devem ser de precisão.

MONTAGEM

Na figura 2 temos o circuito completo do multi-filtro, sem a fonte de alimentação.

Diagrama do multi-filtro ativo.

Sua montagem numa placa de circuito impresso é mostrada na figura 3.

Placa do multi-filtro ativo.

Uma fonte de alimentação simétrica simples é dada na figura 4, se bem que o baixo consumo de corrente permita que pilhas ou mesmo baterias sejam usadas.

Fonte simétrica para o multi-filtro.

Para o circuito integrado, damos a placa com um duplo operacional de modo a facilitar a montagem. De preferência, este circuito integrado deve ser montado em soquete apropriado.

Os resistores são comuns com 5% ou mais de tolerância para as aplicações que não exijam precisão. Os capacitores podem ser de poliéster ou cerâmicos, ou ainda tipos de maior estabilidade (NP0) para aplicações mais críticas.

Para as chaves comutadores o leitor tem muitas opções, já que elas não são críticas.

Todo o conjunto, inclusive fonte de alimentação, cabe perfeitamente numa pequena caixa.

Para entrada e saída podem ser usados bornes ou jaques, já que as frequências relativamente baixas não exigem conectores especiais.

Como o filtro pode ter suas características estendidas para operação em frequências mais altas, dependendo de quanto seja este limite superior pode ser necessário usar conectores apropriados de entrada e saída além de re-estudar o layout da placa.

PROVA E USO

A prova de funcionamento e estabelecimento de escalas para o potenciômetro pode ser feita com base num osciloscópio e um gerador de áudio ou ainda um gerador de áudio e um multímetro, conforme mostra a figura 5.

Testando o multi-filtro

Nos dois casos, o filtro é ajustado e varrendo-se a frequência de entrada, verifica-se no osciloscópio ou no multímetro a intensidade do sinal de saída, com atenção para o ponto em que ela sofre a transição (aumenta ou diminui) o que deve ocorrer na frequência de transição ajustada.

Uma vez comprovado o funcionamento e feita a escala para o potenciômetro pode-se usar o filtro.

Numa aplicação mais crítica, o ajuste prévio pode ser feito com o osciloscópio ou multímetro, o gerador de sinais e um frequencímetro para se ter a indicação exata da transição.