10 Filtros Passa-Banda ou Passa-Faixa (ART1820)

Escrito por Newton C Braga

Os filtros passa-faixa ou passa-banda (band-pass) são utilizados em diversos tipos de aplicações que envolvem a seleção de sinais de determinadas frequências. Eles podem ser usados em telecom, eletrônica médica, aplicações de consumo e industriais. Conforme já exploramos nos dois artigos anteriores dessa série, em que tratamos dos filtros passa-baixas e passa-altas, uma boa forma de se implementar filtros ativos é com a utilização de amplificadores operacionais. Nesse artigo apresentamos ao leitor 10 circuitos de filtros passa-faixas selecionados a partir de documentação dos próprios fabricantes dos amplificadores operacionais.

 

Os filtros passa-faixa ou passa-banda, conforme mostra a figura 1, deixam passar os sinais que estão dentro de uma determinada faixa de frequência, rejeitando os demais.

 

 

   Figura 1 – Curva de resposta de filtros passa faixas
Figura 1 – Curva de resposta de filtros passa faixas

 

 

A principal qualidade de um filtro desse tipo é a sua seletividade, dada pelo fator de qualidade ou fator Q.

 

Um fator Q elevado significa que o filtro é capaz de rejeitar sinais numa faixa bastante estreita.

 

Esses filtros quando operam numa faixa muito estreita de frequências também podem ser denominados filtros sintonizados.

 

As aplicações para tais filtros são as mais diversas, indo desde o reconhecimento de um sinal de uma única frequência num sistema de controle remoto, até a seleção de uma faixa completa de sinais, por exemplo, num sistema de telefonia ou de telecomunicações.

 

Os filtros dados a seguir usam amplificadores operacionais comuns, podendo ser modificados à vontade conforme a aplicação.

 

 

Filtro de 500 Hz a 1500 Hz

O primeiro circuito que apresentamos, mostrado na figura 2, utiliza um amplificador operacional básico e tem uma faixa passante de 1 000 Hz, com frequência centralizada em 1 kHz.

 

 

   Figura 2 – Filtro com um 741
Figura 2 – Filtro com um 741

 

 

A frequência central é determinada pelos capacitores e pelos resistores R1/R2 que podem ser alterados, mantendo-se a proporção de valores para uma operação em outra faixa.

 

A fonte de alimentação deve ser simétrica e outros amplificadores operacionais podem ser usados em configuração semelhante.

 

Lembramos apenas que esse tipo de circuito, quando usando amplificadores operacionais comuns se destinam a aplicações que envolvam sinais de baixas frequências, no máximo de algumas centenas de quilohertz.

 

Também é importante ressaltar que nas aplicações que envolvam sinais de áudio, o máximo cuidado deve ser tomado com blindagens nos cabos e entrada (alta impedância), para que não ocorra a captação de zumbidos.

 

Nas aplicações de altas frequências devem ser previstos capacitores de desacoplamento (normalmente cerâmicos de 100 nF) junto aos pinos de alimentação do circuito integrado.

 

 

Filtro de 12 dB Por Oitava

 

Na figura 3 temos um filtro passa faixas de 500 Hz a 1 kHz usando dois amplificadores operacionais.

 

   Figura 3 – Filtro com dois amplificadores operacionais
Figura 3 – Filtro com dois amplificadores operacionais

 

 

Esse filtro de segunda ordem tem sua frequência central de 1 kHz determinada pelos capacitores e resistores.

 

Esses componentes podem ser alterados para permitir a operação do filtro em outras faixas de frequências.

 

A fonte de alimentação deve ser simétrica e praticamente qualquer amplificador operacional pode ser usado na mesma configuração, observando-se os cuidados e restrições normalmente indicados para este tipo de circuito.

 

 

Filtro de 1 kHz com Q=5

 

O fator de qualidade do filtro de 1 kHz mostrado na figura 4 é 5.

 

Isso dá uma faixa passante de aproximadamente 1 kHz em torno da frequência central.

 

 

   Figura 4 – Filtro com fator Q = 5
Figura 4 – Filtro com fator Q = 5

 

 

O circuito é sugerido pela Texas Instruments em seu manual de aplicações lineares, fazendo uso de um amplificador operacional com transistor de efeito de campo na entrada, o que lhe dota de uma elevada impedância de entrada.

 

Amplificadores operacionais equivalentes podem ser usados e a fonte de alimentação deve ser simétrica.

 

Alterações nos capacitores e resistores permitem a operação em outras faixas de frequências.

 

As proporções entre os componentes alterados devem ser mantidas.

 

 

Filtro de 1 kHz

 

O filtro mostrado na figura 5 tem a mesma configuração do anterior e também é centralizado na mesma frequência.

 

No entanto, os valores diferentes dos componentes lhe dotam de um fator Q menor 5 e uma banda passante diferente.

 

 

   Figura 5 – Filtro de 1 kHz com fator Q menor que o anterior
Figura 5 – Filtro de 1 kHz com fator Q menor que o anterior

 

 

Da mesma forma, sua impedância de entrada é mais alta e amplificadores operacionais equivalentes podem ser usados.

 

Lembramos que o TLC271 é um operacional da Texas Instruments com transistor de efeito de campo na entrada.

 

É a Texas que sugere esse circuito em seu manual de aplicações lineares.

 

A fonte de alimentação deve ser simétrica e trabalhando com sinais de áudio é preciso tomar cuidado com a blindagem das entradas e saídas dos sinais.

 

 

Filtro de Segunda Ordem National

 

A National Semiconductor (agora Texas Instruments) é quem sugere o circuito mostrado na figura 6, com os elementos a serem calculados pela fórmula dada junto ao diagrama.

 

 

    Figura 6 – Filtro de segunda ordem
Figura 6 – Filtro de segunda ordem

 

 

Com dois amplificadores operacionais LM102 o circuito tem uma excelente seletividade na faixa sintonizada, podendo operar como um filtro sintonizado para baixas frequências.

 

As fontes de alimentação para os dois amplificadores operacionais devem ser simétricas.

 

Amplificadores equivalentes podem ser usados, utilizando-se tensões de alimentação conforme as exigidas para cada caso.

 

 

Filtro Sintonizado National

 

O filtro que mostramos na figura 7 é semelhante ao anterior na configuração básica, mas como usa apenas um amplificador operacional é menos seletivo.

 

 

   Figura 7 – Filtro sintonizado
Figura 7 – Filtro sintonizado

 

 

A frequência central ou de sintonia é determinada pelos valores dos componentes usados conforme fórmula junto ao diagrama.

 

Lembramos que esse tipo de circuito tem uma frequência máxima limitada pelas características do operacional, ficando normalmente em torno de algumas centenas de quilohertz.

 

A fonte de alimentação é simétrica e circuitos equivalentes podem ser utilizados.

 

Quem sugere esse circuito é também a National Semiconductor em seu manual de aplicações lineares.

 

 

Filtro de 1 kHz com Q = 10

 O circuito apresentado na figura 8, que tem a configuração já conhecida explorada neste artigo com um amplificador operacional, tem sua frequência centralizada em 1 kHz e um ajuste adicional feito pelo potenciômetro na entrada.

  

   Figura 8 – Filtro com Q =10
Figura 8 – Filtro com Q =10

 

 A fonte de alimentação deve ser simétrica e o fator de qualidade ou seletividade é 10.

 Observe que esse circuito tem um resistor de compensação externo.

 Amplificadores equivalentes podem ser utilizados, com alimentação de acordo com as características desse componente.

 

 

Filtro de 30 kHz

 Na figura 9 apresentamos um filtro de feedback (realimentação) múltipla para 30 kHz, sugerido pela Motorola, que é o fabricante do amplificador operacional utilizado.

  

   Figura 9 – Filtro de 30 kHz
Figura 9 – Filtro de 30 kHz

 

 

Junto ao diagrama temos as fórmulas que permitem calcular os componentes para as características desejadas para o circuito.

 Observe a necessidade de se ligar a entrada não inversora num divisor de referência que forneça uma tensão que seja 40% da tensão usada na alimentação.

 Observamos que esse circuito também não se destina a aplicações com frequências que estejam muito acima do valor indicado.

 Para altas frequências devem ser utilizados amplificadores operacionais com características próprias.

  

Filtro de 1 kHz com Dois Operacionais

 O circuito mostrado na figura 10 utiliza dois amplificadores operacionais de transcondutância, tendo sido sugerido pela National Semiconductor em seu manual de aplicações lineares.

  

   Figura 10 – Filtro de 1 kHz com dois operacionais
Figura 10 – Filtro de 1 kHz com dois operacionais

 

 A frequência central de circuito de boa seletividade está em torno de 1 kHz, dependendo da tolerância dos componentes usados.

 Observe a necessidade de polarização com tensão Vs nas entradas não inversoras.

 Essa tensão pode ser obtida de um divisor resistivos formado por dois resistores de 100 k ohms ligados em série.

 A fonte de alimentação deve ser simétrica e amplificadores operacionais comuns não devem ser utilizados nesta configuração.

 

 

Filtro Com Dois Operacionais Motorola

 O circuito mostrado na figura 11 também está sintonizado para uma frequência de 1 kHz mas tem uma configuração um pouco diferente da anterior pelos valores dos componentes.

 

Figura 11 – Filtro de 1 kHz com dois operacionais
Figura 11 – Filtro de 1 kHz com dois operacionais

 

 Os amplificadores operacionais também são diferentes, tendo características próprias para este circuito.

 A fonte de alimentação deve ser simétrica e o fabricante não fornece informações sobre a faixa passante e seletividade do circuito, além de outras características.

 

 

Conclusão

Conforme os leitores devem ter percebido pelas configurações mostradas elas são bastante semelhantes, variando apenas poucos elementos e os valores dos componentes usados.

 A partir desses circuitos o leitor não terá dificuldade de fazer adaptações para obter o desempenho desejado numa aplicação.

 Sugerimos que o trabalho de se projetar um filtro com base nessas configurações seja feito com programas de simulação como o MultiSim que, com a ajuda do Bode Plotter pode ser muito útil para definir as propriedades finais de um filtro em projeto.