Design de filtro de entalhe:um filtro de banda estreita para atenuação de ruído específica

Ruído e interferência são comuns ao lidar com dispositivos elétricos porque circuitos diferentes produzem frequências de sinal variadas que se chocam. Tais problemas são predominantes em dispositivos de comunicação, que são facilmente afetados por linhas de energia. Se você estiver enfrentando esses problemas, existe uma maneira de filtrar as frequências indesejadas usando um design de filtro de entalhe. Existem diferentes tipos de filtros de entalhe, e cada um tem um design de circuito exclusivo que requer componentes específicos para construir.

Neste artigo, vamos analisá-los em detalhes para permitir que você construa o circuito correto.

O que é um filtro de entalhe?

Também conhecido como filtro de rejeição de banda ou filtro de parada de banda, um filtro de entalhe é um dispositivo que cria um alto nível de atenuação em um entalhe estreito. Ele rejeita essa banda de frequências, mas permite que todas as outras abaixo ou acima da faixa bloqueada transmitam.

Gráfico mostrando a resposta de frequência de um filtro de áudio de 50Hz. Observe a forma em V estreita das frequências bloqueadas.

Fonte:Wikimedia Commons.

O dispositivo é útil para filtrar ruídos específicos, como o zumbido de 60Hz proveniente de uma fonte de alimentação CA.

Características do filtro de entalhe

Os filtros de entalhe têm três atributos:

• Largura de banda estreita (stopband)
• Grande profundidade de atenuação
• Alta Q

Para alcançar Q alto, você precisa de uma profundidade de atenuação quase infinita e um amplificador operacional de alto ganho no circuito.

Tipos de filtro de entalhe

Os designs de filtro de entalhe têm três componentes. Um filtro passa-baixa atenua as altas frequências, um filtro passa-altas bloqueia as baixas frequências e um amplificador somador combina os resultados.

No entanto, existem diferentes tipos de filtro de entalhe, e cada um tem um design de circuito exclusivo. Eles incluem:

Filtro de entalhe ativo

Um diagrama de circuito de filtro de entalhe ativo

A parte verde forma o filtro passa-baixa neste filtro ativo, enquanto a parte azul forma o filtro passa-alta. Estes são resumidos pelo op-amp (componentes laranja).

Filtro de entalhe passivo

Ao contrário de um filtro notch ativo, este tipo possui apenas componentes passivos. Falta amplificadores, que formam a parte ativa do circuito.

Diagrama de circuito do filtro de entalhe passivo mostrando os filtros passa baixa e alta em configurações T

As partes laranja formam a seção do filtro passa-baixa no diagrama, enquanto os componentes azuis formam o filtro passa-alta.

Filtro de entalhe RLC

Como o nome sugere, um filtro de entalhe RLC é um tipo passivo porque o circuito possui apenas um resistor (R), indutor (L) e capacitor (C).

Um filtro de entalhe RLC

Filtro Butterworth Notch

Um filtro notch Butterworth produz uma resposta o mais plana possível, tornando-o confiável e altamente preciso. A maioria dos equipamentos médicos, como ECGs, possui o dispositivo.

Filtro passa-baixa Butterworth de 4ª ordem

Filtro de entalhe FM

Filtros de entalhe FM ajudam a rejeitar sinais FM fortes que causam saturação do receptor. A modulação de frequência na mesma banda aumentou, principalmente devido às transmissões de áudio localizadas, portanto, esse dispositivo é crucial para reduzir o ruído.

Um filtro de entalhe VHF FM

Os outros tipos incluem filtros de notch óptico, RF e inverso. Pode haver mais, mas todos têm um filtro notch ativo ou passivo como circuito subjacente. A única maneira de diferenciar entre os dois é se o projeto do circuito tem um componente ativo (circuito amplificador) ou não.

Exemplo de design de filtro de entalhe

O design básico de um filtro notch

Como dito anteriormente, um filtro notch tem três componentes principais:um filtro passa-baixa, um filtro passa-alta e um amplificador. Combinados, os três atenuam uma faixa de frequência estreita e específica.

Resposta do gráfico mostrando a estreita banda de parada V de um filtro de entalhe

Fonte:Wikimedia Commons.

A topologia de filtro de entalhe mais comum é o projeto básico de filtro de entalhe em T duplo. É uma combinação de dois ramos RC.

Um circuito básico de filtro de entalhe em T duplo

A configuração T superior (em vermelho) é o filtro passa-baixa, enquanto a T inferior (em verde) é o filtro passa-alta.

No entanto, se você deseja atingir um nível mais estreito de rejeição com um alto nível de atenuação, é necessário introduzir um amplificador operacional.

Um filtro de entalhe duplo T com um amplificador operacional. Os dois resistores em laranja formam o divisor de tensão

O circuito ainda tem um grande problema. Aumenta o ganho após a atenuação V na curva de resposta. Portanto, você precisa introduzir outro amplificador operacional para evitar que o circuito altere a banda passante.

Design de filtro notch com dois amplificadores operacionais

Exemplo de design

Digamos que queremos projetar dois amplificadores operacionais com uma frequência de entalhe de 1kHz e uma largura de banda de 3dB de 100Hz. Considere o valor dos capacitores do filtro passa-alta como 0,1uF.

Podemos usar a fórmula para obter a frequência do filtro notch, que é:

Portanto, podemos projetar o filtro de entalhe ativo para uma profundidade de entalhe de 20dB da seguinte forma:

Um filtro de entalhe de dois amplificadores operacionais para uma profundidade de entalhe de 20dB

Projete um filtro de entalhe do tipo RLC

Outro exemplo que vale a pena observar é o filtro notch RLC. Em vez de ter um design em T duplo com seis componentes, este tem apenas três:um resistor, um indutor e um capacitor.

Se a tarefa é projetar um circuito com 23 kHz e 25 kHz como frequências de corte, veja como fazer isso.

Um filtro de corte RLC para frequências de corte de 23 kHz e 25 kHz

Função de transferência de filtro de entalhe

BW é a largura de banda.

W_Z é a frequência circular zero (frequência de corte), enquanto W_P é a frequência circular do pólo. W_P determina o tipo/características do filtro, e há três possibilidades.

• Se a frequência circular do pólo for maior que a frequência circular zero (W_P>W_Z ), então é um filtro de entalhe passa-alta
• Se a frequência circular do pólo for menor que a frequência circular zero (W_P Z ), então é um filtro de entalhe passa-baixa
• No entanto, se os dois forem iguais, você terá um filtro de entalhe padrão

Portanto, você pode reescrever a fórmula de um filtro de entalhe padrão como:

W_C é a largura da banda rejeitada, enquanto W₀ é a frequência rejeitada (central).

Aplicativos de filtro de entalhe

• Sistemas de comunicação:há uma alta probabilidade de interferência do sinal de mensagem por ruídos harmônicos (especialmente por linhas de energia), e os filtros de entalhe ajudam a remover essa faixa de frequências.
• Aplicativos de áudio (aplicativos acústicos):ruídos de zumbido podem distorcer ou criar picos agudos em dispositivos de engenharia de áudio, como amplificadores e sistemas de PA, mas os filtros de entalhe podem eliminar essas frequências.
• Engenharia médica:a interferência na linha de energia pode atrapalhar as leituras de EEG e ECG. Os filtros de entalhe ajudam a eliminar esse ruído da linha de energia dos sinais biomédicos.
• Serviços de Internet:a transmissão da Internet por linhas telefônicas, como DSL, é suscetível a interferências indesejadas, e a única maneira de lidar com isso é um filtro de entalhe como redutor de ruído de linha.
• Sinal digital e processamento de imagem
• Aplicativos ópticos

Resumo

Os filtros de entalhe são dispositivos úteis em várias aplicações, principalmente porque podem bloquear interferências causadas por fontes de alimentação CA.

Se você deseja construir este dispositivo, as informações acima e os diagramas de circuito são suficientes para guiá-lo pelo processo.

No entanto, você precisa primeiro comprar os componentes discretos necessários para esse projeto, e temos tudo o que você precisa. Entre em contato conosco para obter ofertas acessíveis em PCBs autênticos, resistores, capacitores e todas as peças necessárias para configurar o filtro.