1
1
Filtros
Electrónica 3 – 2005/06
José Machado da Silva
Vítor Grade Tavares
Electrónica 3 – 2005/06 2
Filtros
n Sumário
q Introdução
q Funções de aproximação de filtros
n Transformação de frequências
n Aproximações de Butterworth, Chebychev, Bessel, elípticas
q Síntese - implementação de filtros TC/AC
n Passivos
n Activos
q Implementação de filtros TD/AC
n Filtros de capacidades comutadas
2
Electrónica 3 – 2005/06 3
Filtros
n Exemplo
q Determinar, usando um polinómio de Butterworth, a função de
transferência de um filtro passa-banda que satisfaça os requisitos de
filtragem especificados na figura seguinte.
2MHz 8MHz
0,5MHz 16MHz
-3 dB
-20 dB
f0
Resolução:
- Achar frequência central
simétricas
são
não
limite
s
frequência
as
MHz
MHz
5
,
2
4
2
1
'
2
1
0
0 =
=
=
=
c
c
p
p
f
f
f
f
f
f
ΩC
1 Ω
log
-3 dB
-20 dB
f
log
- Achar a frequência limite da banda
de rejeição (ΩC)
fp2
fp1
fc1 fc2
Electrónica 3 – 2005/06 4
Filtros
n Resolução (cont.)
Passa-baixo normalizado
Passa-
banda
)
(ω
s
)
(
,
. 1
2
2
0
2
2
2
p
p
pb
o
pb
B
s
s
S
ω
ω
ω
ω
ω
ω
−
−
=
Ω
+
=
2
1 , p
p ω
ω 1
=
Ω pb
2
1, C
C ω
ω
1
2
1
2
p
p
c
c
C
ω
ω
ω
ω
−
−
=
Ω
3
51
,
2
5
,
2
log
2
1
10
log
2
5
,
2
2
2
25
,
5
2
10
20
2
0
0
2
1
2
0
2
1
0
0
1
1
2
0
1
=
⇒
=








−
≥
×
=
×
−
−
=
Ω
×
=
×
−
−
=
Ω
−
−
n
n
f
f
f
f
f
f
f
f
f
f
f
f
f
f
c
c
p
p
c
c
c
p
p
c
π
π
π
π
Usar a
menor
Ω
log
-3 dB
-20 dB
ΩC
1
( )( )
3
3
3
0
2
2
2
0
0
3
2
2
1
1
1
2
1
2
1
1
2
2
1
1
1
1
1
)
(






+
+






+
+






+
+
=
+
+
+
=
+
+
+
=
s
s
B
s
s
B
s
s
B
S
S
S
S
S
S
S
H
b
b
b
b
b
b
b
ω
ω
ω
3
Electrónica 3 – 2005/06 5
Filtros
n Conversão passa-baixo -> passa-banda
q No passa-baixo normalizado uma
indutância tem como reactância:
q e um condensador uma admitância:
q Invertendo a normalização, a indutância
converte-se num LC s érie:
q e a capacidade num LC paralelo
λ
λ
λ b
S
j
X =
Ω
=
λ
λ
λ
ω
λ
λ
x
s
x
s
s
s
x
sB
s
Sb
∆
+
∆
=






+
∆
=
+
=
1
1
1
2
0
2
λ
L C
γ
γ
γ
γ
b
S
j
Y
X
1
1
1
=
Ω
=
=
γ
γ
γ
γ
ω
γ
γ
x
s
x
s
s
s
x
sB
s
Sb
∆
+
∆
=






+
∆
=
+
=
1
1
1
2
0
2
L
C
Electrónica 3 – 2005/06 6
Filtros
n Normalização de componentes
passivos
q unidade de indutância
q unidade de capacidade
q valor normalizado da
indutância
q valor normalizado da
capacidade
;
1
;
p
c
u
p
c
u
R
C
R
L
ω
ω
=
=
;
;
u
u
C
C
L
L
=
=
γ
λ
u
u
u
u
C
L
C
C
L
L
L
L
2
2
1
1
2
2
1
1
;
;
γ
γ
λ
λ
=
=
=
=
4
Electrónica 3 – 2005/06 7
Filtros – circuitos ressonantes 2ªordem
n Circuito ressonante LC
C L
• Pólos D(s)= 0 => estrutura
natural corresponde Xi(s)= 0
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
s
X
s
X
s
D
s
N
s
H
i
o
=
=
Polinómios
C L
I
C
L
V
+
-
C
L
V
+
-
I= 0 V= 0 V= 0
Electrónica 3 – 2005/06 8
Filtros – circuitos ressonantes 2ªordem
n Circuito ressonante LC
C L
Zeq
∞
=
+
−
=
+
=
=
=
)
(
)
( 2
2
2
2
ω
ω
ω
ω
ω ω
ω
ω
j
Z
c
j
s
c
s
s
Z eq
o
j
s
o
eq
o
LC
o
1
=
ω
Frequência de
ressonância
C
Zin Zo
L
∞
=
=
=
+
−
=
=
=
)
(
)
(
)
(
0
)
(
)
(
2
2
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
j
Z
j
Z
j
Z
j
Z
L
j
j
Z
o
eq
o
in
o
in
o
o
5
Electrónica 3 – 2005/06 9
Filtros – circuitos ressonantes 2ªordem
n Circuito ressonante RLC
C
R L
RC
Q
LC
Q
s
s
LC
RC
s
s
s
D
o
o
o
ω
ω
ω
ω
=
=
+
+
=
+
+
=
1
1
1
)
( 2
0
2
2
A B
C
• Síntese de filtros PB, PA, PBanda e RB mediante divisores de tensão:
2
1
2
)
(
)
(
)
(
Z
Z
Z
s
V
s
V
s
H
i
o
+
=
=
Z2
Z1
Vi(jw) Vo(jw)
Electrónica 3 – 2005/06 10
Filtros – passivos
n Filtro Passa-baixo (PB) sem freq de “notch” implica 2 zeros
no infinito.
Os zeros são quando .
Estes são os únicos zeros.
0
2
1
→
∧
∞
→ Z
Z ∞
→
s
C
R
L
B
C
Vi(jω)
Vo(jω)
A
Z2
Z1
LC
s
RC
s
LC
s
Q
s
s
H
o
o
o
1
1
1
)
(
2
2
2
2
+
+
=
+
+
=
ω
ω
ω
XC
XL
Sugestão:
Obter expressão de Q
6
Electrónica 3 – 2005/06 11
Filtros – passivos
n Filtro Passa-alto (PA) sem freq de “notch” implica 2 zeros em
zero.
0
2
1
→
∧
∞
→ Z
Z 0
→
s
XC XL
C
R
L
B
C
Vi(jω)
Vo(jω)
A
Z2
Z1
LC
s
RC
s
s
s
Q
s
s
s
H
o
o
1
1
)
(
2
2
2
2
2
+
+
=
=
+
+
=
ω
ω
Os zeros são quando .
Estes são os únicos zeros.
Sugestão:
Obter expressão de Q
Electrónica 3 – 2005/06 12
Filtros – passivos
n Filtro Passa-baixo (PB) com freq de “notch” implica 2 zeros finitos no
eixo jω.
Para o LC paralelo então para
o
eq
Z ω
ω =
∞
=
⇒ ;
R
B
C
Vi(jω)
Vo(jω)
A
Z2
Z1
2
2
2
2
'
'
)
(
o
o
n
s
Q
s
s
C
C
C
s
H
ω
ω
ω
+
+
+
+
=
∞
→
1
Z
o
n
n
zero j
s
ω
ω
ω
>
±
=
L//C’
C
L
C’
o
n
n
o
C
L
L
C
C
ω
ω
ω
ω
>







×
=
×
+
=
'
'
1
)
(
1
0 dB
7
Electrónica 3 – 2005/06 13
Filtros – passivos
n Filtro Passa-alto (PA) com freq de “notch” implica 2 zeros finitos.
Para o LC paralelo então para
2
2
2
2
'
)
(
o
o
n
s
Q
s
s
L
L
L
s
H
ω
ω
ω
+
+
+
+
=
C
R
L’
B
C
Vi(jω)
Vo(jω)
A
Z2
Z1
L
o
eq
Z ω
ω =
∞
=
⇒ ; ∞
→
1
Z
L’//C
o
n
n
o
C
L
C
L
L
ω
ω
ω
ω
<







×
=
×
=
'
'
1
//
1
o
n
n
zero j
s
ω
ω
ω
<
±
=
SPICE
aborta a
simulação
0 dB
Electrónica 3 – 2005/06 14
Filtros – passivos
n Filtro Passa-banda (P-B) implica 1 zero finito (zero) e outro infinito.
Dois zeros impostos por Z2,
R
B
C
Vi(jω)
Vo(jω)
A
Z2
Z1
L
C
C
s
L
s ⇒
∞
→
⇒
→ ;
0
LC
s
RC
s
s
RC
s
Q
s
s
Q
s
H
o
o
o
1
1
1
)
(
2
2
2
+
+
=
=
+
+
=
ω
ω
ω
-3 dB
RC
Q
BW
1
0
=
=
ω
0 dB
8
Electrónica 3 – 2005/06 15
Filtros – passivos
n Filtro rejeita-banda (RB) implica 2 zeros finitos em ±jωo.
C
L
j
s n //
⇒
±
→ ω
LC
s
RC
s
LC
s
s
Q
s
s
s
H
o
o
o
1
1
1
)
(
2
2
2
2
2
2
+
+
+
=
=
+
+
+
=
ω
ω
ω
C
R
L
B
C
Vi(jω)
Vo(jω)
Z2
Z1
Dois zeros impostos por Z1,
-3 dB
RC
Q
BW
1
0
=
=
ω
0 dB
Electrónica 3 – 2005/06 16
Filtros passivos – síntese
n Passa-baixo
λ1
Vi(jω)
Vo(jω)
γ2 γ4 γn
λ3 λn-1
Vi(jω) Vo(jω)
γ1
γ3 γn-1
λ2
λn
Y22
I2
V2
V1
I1
Qualquer que seja a
ordem do filtro:
)
(
)
(
)
(
;
)
(
)
(
1
)
(
;
1
)
(
;
2
1
2
2
22
2
2
2
1
22
1
2
2
22
1
2
2
22
1
2
2
2
2
0
2
2
22
0
2
1
1
1
s
sD
s
D
s
Y
s
D
s
sD
s
H
Y
Y
V
V
s
H
V
Y
YV
V
V
Y
YV
I
I
I
V
V
I
Y
V
I
Y
V
V
=
+
=
+
−
=
=
+
=
−
⇒



+
=
−
=
−
=








=








=
=
=
ρ
C
C
R
R
=
ρ C
C
R
R
=
ρ
Neste caso
fez-se Y=Y12
9
Electrónica 3 – 2005/06 17
Filtros passivos – síntese
n Passa-baixo
s
s
s
s
s
s
Y
n
n
n
1
2
3
2
1
22
1
1
...
1
1
1
λ
γ
λ
γ
λ
γ
+
+
+
+
+
=
−
−
λ1
γ2 γ4 γn
λ3 λn-1 I2
V2
V1
I1
Y22
4
3
2
613
,
2
414
,
3
613
,
2
1
1
)
(
s
s
s
s
s
H
+
+
+
+
=
s
s
s
s
s
s
s
s
Y
531
,
1
1
577
,
1
1
082
,
1
1
383
,
0
1
414
,
2
613
,
2
613
,
2
1
383
,
0
2
3
22
+
+
+
=
+
+
+
=
Electrónica 3 – 2005/06 18
Filtros passivos – síntese
n Valores normalizados
0,309
0,894
1,381
1,694
1,546
5
0,383
1,082
1,577
1,531
4
0,5
1,333
1,5
3
0,707
1,4142
2
γ6
/λ6
γ5
/λ5
γ4
/λ4
γ3
/λ3
γ2
/λ2
γ1
/λ1
n
λ1
Vi(jω)
Vo(jω)
γ2 γ4 γn
λ3 λn-1
Y22
I2
V2
C
C
R
R
=
ρ
ρ=1
Vi fonte de impedância
interna nula
0,8023
2,6131
1,2477
2,7754
1,1955
1,8898
6
2,4565
0,7536
4,366
0,8096
3,4129
5
0,8420
2,7095
1,2336
1,9774
4
2,556
0,7589
3,4345
3
0,9047
2,0941
2
γ6
/λ6
γ5
/λ5
γ4
/λ4
γ3
/λ3
γ2
/λ2
γ1
/λ1
n
Chebychev – ripple=0,3dB
Butterworth
10
Electrónica 3 – 2005/06 19
Filtros passivos – síntese
n Operações de transformação
Rejeição de
banda
Passa-
banda
Passa-alto
Passa-baixo
Passa-baixo
normalizado
λ
γ
γ
ω
2
0
c
BR
c
BR
γ
c
p
R
γω
1
c
R
B
γ
1
c
R
B 1
2
0
ω
γ
c
BR
λ
1
2
0
ω
λ c
BR
c
R
B
λ
c
R
B 1
2
0
λω
c
p
R
×
ω
λ
c
p R
1
1
λω
c
p R
1
ω
γ
Electrónica 3 – 2005/06 20
Filtros – passivos
n Exemplo
q Determinar, os valores dos componentes do filtro passa-banda que
satisfaça os requisitos de filtragem especificados na figura seguinte, para
uma resistência de carga de 1kΩ.
2MHz 8MHz
0,5MHz 16MHz
-3 dB
-20 dB
f0
f
log
fp2
fp1
fc1 fc2
λ1=1,5
Vi(jω) Vo(jω)
γ2=1,333
C
C
R
R
=
ρ
λ3=0,5
L1
Vi(jω) Vo(jω)
C2
Ω
= k
RC 1
C1
L3
C3
L2
11
Electrónica 3 – 2005/06 21
Filtros – passivos
n
L1
Vi(jω) Vo(jω)
C2
Ω
= k
RC 1
C1
L3
C3
L2
( )
( )
( )







=
Ω
×
=
=
Ω
×
=







=
Ω
×
=
=
Ω
×
=







=
Ω
×
=
=
Ω
×
=
pF
k
MHz
MHz
C
H
k
MHz
L
pF
k
MHz
C
H
k
MHz
MHz
L
pF
k
MHz
MHz
C
H
k
MHz
L
4
,
119
1
1
5
,
0
.
4
2
6
2
3
,
13
1
6
2
5
,
0
4
,
35
1
1
6
2
333
,
1
8
,
44
1
333
,
1
.
4
2
6
2
8
,
39
1
1
5
,
1
.
4
2
6
2
8
,
39
1
6
2
5
,
1
2
3
3
2
2
2
2
1
1
π
π
µ
π
π
µ
π
π
π
π
µ
π
500kHz 2MHz 8MHz 16MHz
Electrónica 3 – 2005/06 22
Filtros passivos – síntese
n Perdas nos elementos passivos
C
L
RL
GC
L
L
R
L
Q
ω
=
c
L
G
C
Q
ω
=
• Perdas elevadas
• Para baixas freq. o tamanho e peso
tornam-se bastante elevados.
• A não linearidade nos materiais
ferromagnéticos origina harm ónicos.
• Indutores irradiam e captam ondas
electromagnéticas => ruído.
1000
<
L
Q • Baixas perdas
• Melhor comportamento
no que respeita aos restantes
aspectos.
000
.
10
<
C
Q
Indutâncias Condensadores
12
Electrónica 3 – 2005/06 23
Filtros activos
n Eliminar as indutâncias.
n Resultam, em geral, em circuitos de menores dimensões que
o equivalente RLC.
n Permitem ganho >1
n Soluções:
q Substituir as indutâncias de uma malha RLC por um circuito
baseado em AmpOp-RC, que apresente uma impedância de
entrada indutiva.
q Síntese do sistema de equações diferenciais de primeira ordem
(variáveis de estado), recorrendo a integradores de Miller.
q Síntese de “biquads” recorrendo a um único amplificador com
realimentação. São filtros com aplicabilidade em situações onde
Q<10.
Electrónica 3 – 2005/06 24
Filtros activos 2ª ordem – giradores (gyrators)
n O girador
n Indutância





=
−
=


 −





=
−
=
=
=
1
2
2
1
21
12
22
11
,
0
,
0
AYV
I
V
A
Y
I
A
AY
Y
A
Y
Y
Y
Y
positiva
real
admitância
-
Y
positivo
real
nº
Y, A
I1 I2 V2
V1
Quadripólo activo para o qual:
Y, A
I1 I2
V2
V1
indutância
⇒
=
−
=










−
=
=
−
=
ω
ω
2
2
2
1
1
2
2
1
2
2
1
1
Y
C
j
V
I
AY
Y
A
I
V
CV
j
I
AYV
I
V
A
Y
I
13
Electrónica 3 – 2005/06 25
Filtros activos 2ª ordem – giradores
n Realização do girador
+
-
I1
V1
I2
V2
R1
R2
R3
R4
( )







=
=
−
=
=







=
−
=
=
+






−
=
=
−



+
=







−
+
=
−
=
−
=
0
;
1
1
;
1
1
22
4
21
1
12
1
11
4
1
2
1
2
1
1
1
1
3
1
2
3
1
2
4
2
2
1
3
1
2
4
2
2
3
0
2
4
2
2
2
0
2
1
2
1
1
Y
R
Y
R
Y
R
Y
R
V
I
R
V
R
V
I
V
R
R
R
R
R
R
R
V
V
V
R
R
R
R
V
I
R
V
V
R
V
I
R
V
V
R
V
V
I
4
2
3
1 R
R
R
R
se
;
Y, A
I1 I2 V2
V1
R1







=
=
4
1
4
1
1
R
R
A
R
R
Y
V0
Electrónica 3 – 2005/06 26
Filtros activos 2ª ordem – giradores
n Realização do girador
+
-
I1
V1
I2
V2
R1
R0
R0
R1
+
-
R
R
R1
Ri=-R1
14
Electrónica 3 – 2005/06 27
Filtros activos 2ª ordem – giradores
n Girador –> Conversor de impedância
+
-
+
-
Z4
Z3
Z2
Z1
Z5
A
Zeq
A
4
2
5
3
1
Z
Z
Z
Z
Z
Zeq
=
Electrónica 3 – 2005/06 28
Filtros activos 2ª ordem – giradores
n
+
-
+
-
+
-
+
-
4
2
5
3
1
R
C
R
R
R
L
L
j
Zeq
=
= ω
A
B
3
5
1
4
2
2
2
1
1
R
C
C
R
R
D
D
D
s
Z
j
s
eq
=
−
=
=
= ω
ω
R1
C2
R3
R4
R5
C1
R2
R3
R4
C5
B
A
15
Electrónica 3 – 2005/06 29
Filtros activos 2ª ordem – giradores
n Passa-alto
Y, A
I1
V2
V1
+
-
V2
C
C R









=
=
=








+
+








=
2
1
2
1
)
( 2
2
RY
m
C
Y
A
j
jm
j
A
j
H c
c
c
c
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
Electrónica 3 – 2005/06 30
Filtros activos 2ª ordem – giradores
n Quando a indutância é flutuante não é adequado usar o
conversor de impedâncias
n Para se usar o conversor de impedâncias nestas
circunstâncias, divide-se cada componente do circuito por s.
C
s
s
C
L
s
sL
L
sR
s
R
R
sC
2
1
1
1
1
=
→
=
→
=
→ −
Capacidade de valor R-1
Resistência de valor L
Elemento D de valor C
• Nem todas as topologias
se podem implementar
usando esta técnica.
16
Electrónica 3 – 2005/06 31
Filtros activos 2ª ordem - variáveis de estado
n Filtros de variável de estado e biquads (biquadráticos)
q baseiam-se no integrador de Miller.
q permitem mais do que uma resposta simultaneamente.
q são pouco sensíveis às não idealidades dos componentes.
q são em geral fáceis de ajustar.
Electrónica 3 – 2005/06 32
Filtros activos 2ª ordem - variáveis de estado
n Elementos básicos
+
-
° Integrador ideal
R1
C
C
R
o
1
1
=
ω
+
-
Σ
° Somador
+
-
R1
C
RC
o
1
=
ω
R
sRC
R
R
s
A
+
−
=
+ 1
1
1
0
ω
s
o
ω
−
° Integrador com perdas
17
Electrónica 3 – 2005/06 33
Filtros activos 2ª ordem - variáveis de estado
n Computação analógica – resolução de equações diferenciais
com circuitos analógicos
)
(
)
(
)
(
2
2
s
D
s
N
s
H
x
cy
dt
dy
b
dt
y
d
a =
→
=
+
+
oPA
o
o
oPA
o
i
oPA
i
oPA
o
o
V
s
s
V
s
Q
AV
V
V
V
s
Q
s
As
s
H
ω
ω
ω
ω
ω
−
−
=
⇔
=
+
+
=
1
)
(
2
2
2
s
o
ω
−
Σ
oPA
o
V
S
ω
− oPA
o
o
V
s
s
ω
ω
oPA
V
-1
Q
1
A
i
V
(Realização de Kelvin)
s
o
ω
−
Passa-Banda (VoP-B) Passa-Baixo (VoPB)
Passa-Alto (VoPA)
Electrónica 3 – 2005/06 34
Filtros activos 2ª ordem - variáveis de estado
n
+
-
R
C
+
-
aR
C
+
-
R/c
R
R
R
oPA
o
V
s
ω
−
oPA
o
o
V
s
s
ω
ω
oPA
V
VoPA
VoPBanda
VoPB
+
-
bR
R





=
=
=





=
=
−
=





=
=
=








+
+








=








+
+
=








+
+
=
b
ac
Q
a
c
RC
A
b
ac
Q
a
c
RC
b
A
b
ac
Q
a
c
RC
c
A
j
Q
j
j
A
j
H
j
Q
j
Q
j
A
j
H
j
Q
j
A
j
H
c
c
c
c
c
c
PA
c
c
c
PBd
c
c
PB
;
1
1
;
1
1
;
1
1
1
)
(
;
1
)
(
;
1
1
)
( 2
2
2
2
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
18
Electrónica 3 – 2005/06 35
Filtros activos 2ª ordem - variáveis de estado
n Kerwin-Huelsman-Newcomb
+
-
R
C
+
-
R
C
+
-
R1
Rf
R2
R3








−
=








+
=
=
Q
A
R
R
Q
R
Rf 1
2
;
1
2
1
;
1
2
3
1
oPA
o
V
s
ω
−
oPA
o
o
V
s
s
ω
ω
oPA
V
VoPA
VoPBanda
VoPB
RC
o
1
=
ω
(Ganho)
Electrónica 3 – 2005/06 36
Filtros activos 2ª ordem - variáveis de estado
n Filtro com “notch”
+
-
VoPA
VoP-Bd
VoPB Vo
RB
RL
RF
( ) ( ) ( )
L
H
o
n
o
o
o
L
F
o
B
F
H
F
i
o
R
R
s
Q
s
R
R
s
R
R
s
R
R
A
V
V
ω
ω
ω
ω
ω
ω
=
+
+
+
−
−
=
2
2
2
2
/
/
/
RH
19
Electrónica 3 – 2005/06 37
Filtros activos 2ª ordem - variáveis de estado
n Filtro Biquad Tow-Thomas (ou Filtro Ressonante)
+
-
R’
+
-
R
C
+
-
R
R2
R1
oPA
o
V
s
ω
−
oPA
V
VoP-B
VoPB
-VoPB
C
R’
R
R
Q
K
R
R
K
R
R
PBanda
PB
2
1
2
1
=
=
−
=
RC
o
1
=
ω
° Ajuste Ortogonal:
• Ajustar R para ωo
• Ajustar R2 para Q
• Ajusta R1 para o ganho do PA ou P-B
Electrónica 3 – 2005/06 38
Filtros activos 2ª ordem - variáveis de estado
n Filtro Biquad Tow-Thomas com “notch”
+
-
R’
+
-
R
C
+
-
R
R2
R1
oPA
o
V
s
ω
−
oPA
V
Vo
C
R’
R3 R4
2
2
3
4
'
1
1
2 1
)
(
o
o
o
o
s
Q
s
CR
R
R
CR
s
C
C
s
s
H
ω
ω
ω
ω
+
+
+








−
+






=
Vi
C1
-VoPB
20
Electrónica 3 – 2005/06 39
Filtros activos 2ª ordem - variáveis de estado
n Filtro Biquad Tow-Thomas:
q Todos os amplificadores em modo inversor:
§ Mais fácil compensar os offsets.
§ Não há limitações de modo comum (importante se
compensarmos o amplificador em “feedforward” => boa
largura de banda).
q Com cuidado conseguem-se Qs na ordem das centenas.
Electrónica 3 – 2005/06 40
Filtros activos 2ª ordem – um AmpOp
n Síntese de “biquads” recorrendo-se a um único amplificador
com realimentação.
n Usados quando Q<10
+
-
Q’
Q
I’2
I2
V2
V1
21
21
1
2
2
2
22
1
21
2
22
2
21
2
'
'
0
'
'
'
Y
Y
V
V
H
I
I
V
V
Y
V
Y
I
V
Y
V
Y
I
−
=
=
=
=
+
=
+
=
Seleccionando os quadripólos Q e Q’ é possível sintetizar uma função
de transferência
V
21
Electrónica 3 – 2005/06 41
Filtros activos 2ª ordem – um AmpOp
n Passa-baixo
q Q:
q Q’
1
1
1
0
2
1
2
21
2
1
1
1
1
1
RC
j
R
RC
j
R
R
RC
j
R
R
V
I
Y
V
ω
ω
ω
+
−
=
+
+
+
−
=








=
=
R R
C1
R
C2
R
C1
1 2
1
2
1
2
2
2
0
2
1
2
21
2
)
(
2
1
1
'
RC
j
C
C
R
j
RC
j
R
V
I
Y
V
ω
ω
ω
+
+
+
−
=
=








=
=
2
1
2
1
0
2
0
0
2
1
;
1
;
1
;
1
C
C
Q
C
C
R
A
j
Q
j
A
H =
=
−
=








+
+
= ω
ω
ω
ω
ω
V2
V1
Electrónica 3 – 2005/06 42
Filtros activos 2ª ordem – um AmpOp
n Passa-alto
q Q’
q Q
R1
R2
C
1 2
C
R1
C C 1
2
2
1
0
2
0
0
2
0
2
1
;
1
;
1
;
1
R
R
Q
R
R
C
A
j
Q
j
j
A
H
=
=
−
=








+
+








=
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
22
Electrónica 3 – 2005/06 43
Filtros activos 2ª ordem – um AmpOp
n Passa-banda
q Q’
q Q
( )
C
R
j
R
R
R
C
j
C
R
j
C
j
C
R
j
R
C
j
C
R
j
R
R
V
I
Y
V
1
2
2
1
2
2
1
1
1
1
1
2
0
2
1
2
21
2
1
)
(
2
1
1
1
1
1
'
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
+
+
+
−
=
+
+
+
−
−
=








=
=
R1
C
1 2
C
C 2R1
R2
( )
C
R
j
R
C
R
j
C
j
R
V
I
Y
V 1
2
2
1
0
2
1
2
21
2
1
1
2
1
ω
ω
ω
+
−
=
+
−
=








=
=
1
2
2
1
0
1
2
2
0
0
0
2
1
;
1
;
2
;
1
R
R
Q
R
R
C
R
R
A
j
jQ
jQ
A
H =
=
−
=








+
+
= ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
V2
V1
Electrónica 3 – 2005/06 44
Filtros activos 2ª ordem – um AmpOp
n Rejeita-banda
q Q
q Q’
R R
2C
1 2
V2
V1
C
C
R/2
R/2
C
1 2
C
2R
( )
( )
1
;
1
;
1
1
1
1
1
0
2
0
0
2
0
2
2
=
=
−
=








+
+








+
=
+
+
+
−
=
Q
RC
A
j
Q
j
j
A
RC
j
RC
j
RC
j
H
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
( )
( )
( )
( )
RC
j
R
RC
j
RC
j
Y
RC
j
R
RC
j
Y
ω
ω
ω
ω
ω
+
+
+
−
=
+
+
−
=
1
2
1
'
1
2
1
2
21
2
21
23
Electrónica 3 – 2005/06 45
Filtros activos 2ª ordem – um AmpOp
n
+
-
a b
Circuito
RC
• Síntese do circuito RC na malha de
realimentação por forma a realizar
um par de pólos complexos com ωo e Q
• Injectar o sinal de entrada num nó para
realizar os zeros.
)
(
)
(
)
(
)
(
s
D
s
AN
A
s
t
A
V
V
s
L
b
a
=
=
=
• Ganho da malha:
• Equação característica: 0
)
(
)
(
1
)
(
)
(
0
)
(
1 =
⇒
−
=
⇔
=
+
∞
→ s
D
s
N
A
s
D
s
N
s
L
A
• Os pólos do filtro são os zeros de t(s)
A
Electrónica 3 – 2005/06 46
Filtros activos 2ª ordem – um AmpOp
n Ponte em T
R2
C3
R1
C4
a b
....
1
1
1
1
)
( 2
1
4
3
4
2
1
2
R
R
C
C
C
R
R
s
s
V
V
s
t
b
a
+








+
+
=
=
R4
R3
C2
a b
....
1
1
1
1
)
( 4
3
2
1
3
2
1
2
R
R
C
C
R
C
C
s
s
V
V
s
t
b
a
+








+
+
=
=
C1
24
Electrónica 3 – 2005/06 47
Filtros activos 2ª ordem – um AmpOp
n Passa-baixo
+
-
C
a b
C
vo(t)
vi(t)
R4
0
1
1
2
4
3
2
3
2
=
+
+
R
R
C
R
C
s
s
• Equação característica
2
2
2
2
o
o
o
i
o
Q
s
s
Q
s
Q
V
V
ω
ω
ω
+
+
−
=
Ganho pode ser elevado
4
3
4
3
1
2
1
R
R
C
R
R
Q
o =
=
ω
R3
Electrónica 3 – 2005/06 48
Filtros activos 2ª ordem – um AmpOp
n Filtro Passa-Banda com atenuação.
+
-
R4
R3
C2
a b
C1
vo(t)
vi(t)
R5
• Com R5//R4=R’4:
Equação característica
2
2
2
4
5
4
2
o
o
o
i
o
w
Q
w
s
s
Q
w
s
Q
R
R
R
V
V
+
+
×
+
−
=
0
'
1
1
2
4
3
2
3
2
=
+
+
R
R
C
R
C
s
s
Ganho atenuado
( )
( )
5
4
3
5
4
3
//
1
//
2
1
R
R
R
C
w
R
R
R
Q
o
=
=

Filtros3 .pdf

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    1 1 Filtros Electrónica 3 –2005/06 José Machado da Silva Vítor Grade Tavares Electrónica 3 – 2005/06 2 Filtros n Sumário q Introdução q Funções de aproximação de filtros n Transformação de frequências n Aproximações de Butterworth, Chebychev, Bessel, elípticas q Síntese - implementação de filtros TC/AC n Passivos n Activos q Implementação de filtros TD/AC n Filtros de capacidades comutadas
  • 2.
    2 Electrónica 3 –2005/06 3 Filtros n Exemplo q Determinar, usando um polinómio de Butterworth, a função de transferência de um filtro passa-banda que satisfaça os requisitos de filtragem especificados na figura seguinte. 2MHz 8MHz 0,5MHz 16MHz -3 dB -20 dB f0 Resolução: - Achar frequência central simétricas são não limite s frequência as MHz MHz 5 , 2 4 2 1 ' 2 1 0 0 = = = = c c p p f f f f f f ΩC 1 Ω log -3 dB -20 dB f log - Achar a frequência limite da banda de rejeição (ΩC) fp2 fp1 fc1 fc2 Electrónica 3 – 2005/06 4 Filtros n Resolução (cont.) Passa-baixo normalizado Passa- banda ) (ω s ) ( , . 1 2 2 0 2 2 2 p p pb o pb B s s S ω ω ω ω ω ω − − = Ω + = 2 1 , p p ω ω 1 = Ω pb 2 1, C C ω ω 1 2 1 2 p p c c C ω ω ω ω − − = Ω 3 51 , 2 5 , 2 log 2 1 10 log 2 5 , 2 2 2 25 , 5 2 10 20 2 0 0 2 1 2 0 2 1 0 0 1 1 2 0 1 = ⇒ =         − ≥ × = × − − = Ω × = × − − = Ω − − n n f f f f f f f f f f f f f f c c p p c c c p p c π π π π Usar a menor Ω log -3 dB -20 dB ΩC 1 ( )( ) 3 3 3 0 2 2 2 0 0 3 2 2 1 1 1 2 1 2 1 1 2 2 1 1 1 1 1 ) (       + +       + +       + + = + + + = + + + = s s B s s B s s B S S S S S S S H b b b b b b b ω ω ω
  • 3.
    3 Electrónica 3 –2005/06 5 Filtros n Conversão passa-baixo -> passa-banda q No passa-baixo normalizado uma indutância tem como reactância: q e um condensador uma admitância: q Invertendo a normalização, a indutância converte-se num LC s érie: q e a capacidade num LC paralelo λ λ λ b S j X = Ω = λ λ λ ω λ λ x s x s s s x sB s Sb ∆ + ∆ =       + ∆ = + = 1 1 1 2 0 2 λ L C γ γ γ γ b S j Y X 1 1 1 = Ω = = γ γ γ γ ω γ γ x s x s s s x sB s Sb ∆ + ∆ =       + ∆ = + = 1 1 1 2 0 2 L C Electrónica 3 – 2005/06 6 Filtros n Normalização de componentes passivos q unidade de indutância q unidade de capacidade q valor normalizado da indutância q valor normalizado da capacidade ; 1 ; p c u p c u R C R L ω ω = = ; ; u u C C L L = = γ λ u u u u C L C C L L L L 2 2 1 1 2 2 1 1 ; ; γ γ λ λ = = = =
  • 4.
    4 Electrónica 3 –2005/06 7 Filtros – circuitos ressonantes 2ªordem n Circuito ressonante LC C L • Pólos D(s)= 0 => estrutura natural corresponde Xi(s)= 0 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( s X s X s D s N s H i o = = Polinómios C L I C L V + - C L V + - I= 0 V= 0 V= 0 Electrónica 3 – 2005/06 8 Filtros – circuitos ressonantes 2ªordem n Circuito ressonante LC C L Zeq ∞ = + − = + = = = ) ( ) ( 2 2 2 2 ω ω ω ω ω ω ω ω j Z c j s c s s Z eq o j s o eq o LC o 1 = ω Frequência de ressonância C Zin Zo L ∞ = = = + − = = = ) ( ) ( ) ( 0 ) ( ) ( 2 2 ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω j Z j Z j Z j Z L j j Z o eq o in o in o o
  • 5.
    5 Electrónica 3 –2005/06 9 Filtros – circuitos ressonantes 2ªordem n Circuito ressonante RLC C R L RC Q LC Q s s LC RC s s s D o o o ω ω ω ω = = + + = + + = 1 1 1 ) ( 2 0 2 2 A B C • Síntese de filtros PB, PA, PBanda e RB mediante divisores de tensão: 2 1 2 ) ( ) ( ) ( Z Z Z s V s V s H i o + = = Z2 Z1 Vi(jw) Vo(jw) Electrónica 3 – 2005/06 10 Filtros – passivos n Filtro Passa-baixo (PB) sem freq de “notch” implica 2 zeros no infinito. Os zeros são quando . Estes são os únicos zeros. 0 2 1 → ∧ ∞ → Z Z ∞ → s C R L B C Vi(jω) Vo(jω) A Z2 Z1 LC s RC s LC s Q s s H o o o 1 1 1 ) ( 2 2 2 2 + + = + + = ω ω ω XC XL Sugestão: Obter expressão de Q
  • 6.
    6 Electrónica 3 –2005/06 11 Filtros – passivos n Filtro Passa-alto (PA) sem freq de “notch” implica 2 zeros em zero. 0 2 1 → ∧ ∞ → Z Z 0 → s XC XL C R L B C Vi(jω) Vo(jω) A Z2 Z1 LC s RC s s s Q s s s H o o 1 1 ) ( 2 2 2 2 2 + + = = + + = ω ω Os zeros são quando . Estes são os únicos zeros. Sugestão: Obter expressão de Q Electrónica 3 – 2005/06 12 Filtros – passivos n Filtro Passa-baixo (PB) com freq de “notch” implica 2 zeros finitos no eixo jω. Para o LC paralelo então para o eq Z ω ω = ∞ = ⇒ ; R B C Vi(jω) Vo(jω) A Z2 Z1 2 2 2 2 ' ' ) ( o o n s Q s s C C C s H ω ω ω + + + + = ∞ → 1 Z o n n zero j s ω ω ω > ± = L//C’ C L C’ o n n o C L L C C ω ω ω ω >        × = × + = ' ' 1 ) ( 1 0 dB
  • 7.
    7 Electrónica 3 –2005/06 13 Filtros – passivos n Filtro Passa-alto (PA) com freq de “notch” implica 2 zeros finitos. Para o LC paralelo então para 2 2 2 2 ' ) ( o o n s Q s s L L L s H ω ω ω + + + + = C R L’ B C Vi(jω) Vo(jω) A Z2 Z1 L o eq Z ω ω = ∞ = ⇒ ; ∞ → 1 Z L’//C o n n o C L C L L ω ω ω ω <        × = × = ' ' 1 // 1 o n n zero j s ω ω ω < ± = SPICE aborta a simulação 0 dB Electrónica 3 – 2005/06 14 Filtros – passivos n Filtro Passa-banda (P-B) implica 1 zero finito (zero) e outro infinito. Dois zeros impostos por Z2, R B C Vi(jω) Vo(jω) A Z2 Z1 L C C s L s ⇒ ∞ → ⇒ → ; 0 LC s RC s s RC s Q s s Q s H o o o 1 1 1 ) ( 2 2 2 + + = = + + = ω ω ω -3 dB RC Q BW 1 0 = = ω 0 dB
  • 8.
    8 Electrónica 3 –2005/06 15 Filtros – passivos n Filtro rejeita-banda (RB) implica 2 zeros finitos em ±jωo. C L j s n // ⇒ ± → ω LC s RC s LC s s Q s s s H o o o 1 1 1 ) ( 2 2 2 2 2 2 + + + = = + + + = ω ω ω C R L B C Vi(jω) Vo(jω) Z2 Z1 Dois zeros impostos por Z1, -3 dB RC Q BW 1 0 = = ω 0 dB Electrónica 3 – 2005/06 16 Filtros passivos – síntese n Passa-baixo λ1 Vi(jω) Vo(jω) γ2 γ4 γn λ3 λn-1 Vi(jω) Vo(jω) γ1 γ3 γn-1 λ2 λn Y22 I2 V2 V1 I1 Qualquer que seja a ordem do filtro: ) ( ) ( ) ( ; ) ( ) ( 1 ) ( ; 1 ) ( ; 2 1 2 2 22 2 2 2 1 22 1 2 2 22 1 2 2 22 1 2 2 2 2 0 2 2 22 0 2 1 1 1 s sD s D s Y s D s sD s H Y Y V V s H V Y YV V V Y YV I I I V V I Y V I Y V V = + = + − = = + = − ⇒    + = − = − =         =         = = = ρ C C R R = ρ C C R R = ρ Neste caso fez-se Y=Y12
  • 9.
    9 Electrónica 3 –2005/06 17 Filtros passivos – síntese n Passa-baixo s s s s s s Y n n n 1 2 3 2 1 22 1 1 ... 1 1 1 λ γ λ γ λ γ + + + + + = − − λ1 γ2 γ4 γn λ3 λn-1 I2 V2 V1 I1 Y22 4 3 2 613 , 2 414 , 3 613 , 2 1 1 ) ( s s s s s H + + + + = s s s s s s s s Y 531 , 1 1 577 , 1 1 082 , 1 1 383 , 0 1 414 , 2 613 , 2 613 , 2 1 383 , 0 2 3 22 + + + = + + + = Electrónica 3 – 2005/06 18 Filtros passivos – síntese n Valores normalizados 0,309 0,894 1,381 1,694 1,546 5 0,383 1,082 1,577 1,531 4 0,5 1,333 1,5 3 0,707 1,4142 2 γ6 /λ6 γ5 /λ5 γ4 /λ4 γ3 /λ3 γ2 /λ2 γ1 /λ1 n λ1 Vi(jω) Vo(jω) γ2 γ4 γn λ3 λn-1 Y22 I2 V2 C C R R = ρ ρ=1 Vi fonte de impedância interna nula 0,8023 2,6131 1,2477 2,7754 1,1955 1,8898 6 2,4565 0,7536 4,366 0,8096 3,4129 5 0,8420 2,7095 1,2336 1,9774 4 2,556 0,7589 3,4345 3 0,9047 2,0941 2 γ6 /λ6 γ5 /λ5 γ4 /λ4 γ3 /λ3 γ2 /λ2 γ1 /λ1 n Chebychev – ripple=0,3dB Butterworth
  • 10.
    10 Electrónica 3 –2005/06 19 Filtros passivos – síntese n Operações de transformação Rejeição de banda Passa- banda Passa-alto Passa-baixo Passa-baixo normalizado λ γ γ ω 2 0 c BR c BR γ c p R γω 1 c R B γ 1 c R B 1 2 0 ω γ c BR λ 1 2 0 ω λ c BR c R B λ c R B 1 2 0 λω c p R × ω λ c p R 1 1 λω c p R 1 ω γ Electrónica 3 – 2005/06 20 Filtros – passivos n Exemplo q Determinar, os valores dos componentes do filtro passa-banda que satisfaça os requisitos de filtragem especificados na figura seguinte, para uma resistência de carga de 1kΩ. 2MHz 8MHz 0,5MHz 16MHz -3 dB -20 dB f0 f log fp2 fp1 fc1 fc2 λ1=1,5 Vi(jω) Vo(jω) γ2=1,333 C C R R = ρ λ3=0,5 L1 Vi(jω) Vo(jω) C2 Ω = k RC 1 C1 L3 C3 L2
  • 11.
    11 Electrónica 3 –2005/06 21 Filtros – passivos n L1 Vi(jω) Vo(jω) C2 Ω = k RC 1 C1 L3 C3 L2 ( ) ( ) ( )        = Ω × = = Ω × =        = Ω × = = Ω × =        = Ω × = = Ω × = pF k MHz MHz C H k MHz L pF k MHz C H k MHz MHz L pF k MHz MHz C H k MHz L 4 , 119 1 1 5 , 0 . 4 2 6 2 3 , 13 1 6 2 5 , 0 4 , 35 1 1 6 2 333 , 1 8 , 44 1 333 , 1 . 4 2 6 2 8 , 39 1 1 5 , 1 . 4 2 6 2 8 , 39 1 6 2 5 , 1 2 3 3 2 2 2 2 1 1 π π µ π π µ π π π π µ π 500kHz 2MHz 8MHz 16MHz Electrónica 3 – 2005/06 22 Filtros passivos – síntese n Perdas nos elementos passivos C L RL GC L L R L Q ω = c L G C Q ω = • Perdas elevadas • Para baixas freq. o tamanho e peso tornam-se bastante elevados. • A não linearidade nos materiais ferromagnéticos origina harm ónicos. • Indutores irradiam e captam ondas electromagnéticas => ruído. 1000 < L Q • Baixas perdas • Melhor comportamento no que respeita aos restantes aspectos. 000 . 10 < C Q Indutâncias Condensadores
  • 12.
    12 Electrónica 3 –2005/06 23 Filtros activos n Eliminar as indutâncias. n Resultam, em geral, em circuitos de menores dimensões que o equivalente RLC. n Permitem ganho >1 n Soluções: q Substituir as indutâncias de uma malha RLC por um circuito baseado em AmpOp-RC, que apresente uma impedância de entrada indutiva. q Síntese do sistema de equações diferenciais de primeira ordem (variáveis de estado), recorrendo a integradores de Miller. q Síntese de “biquads” recorrendo a um único amplificador com realimentação. São filtros com aplicabilidade em situações onde Q<10. Electrónica 3 – 2005/06 24 Filtros activos 2ª ordem – giradores (gyrators) n O girador n Indutância      = − =    −      = − = = = 1 2 2 1 21 12 22 11 , 0 , 0 AYV I V A Y I A AY Y A Y Y Y Y positiva real admitância - Y positivo real nº Y, A I1 I2 V2 V1 Quadripólo activo para o qual: Y, A I1 I2 V2 V1 indutância ⇒ = − =           − = = − = ω ω 2 2 2 1 1 2 2 1 2 2 1 1 Y C j V I AY Y A I V CV j I AYV I V A Y I
  • 13.
    13 Electrónica 3 –2005/06 25 Filtros activos 2ª ordem – giradores n Realização do girador + - I1 V1 I2 V2 R1 R2 R3 R4 ( )        = = − = =        = − = = +       − = = −    + =        − + = − = − = 0 ; 1 1 ; 1 1 22 4 21 1 12 1 11 4 1 2 1 2 1 1 1 1 3 1 2 3 1 2 4 2 2 1 3 1 2 4 2 2 3 0 2 4 2 2 2 0 2 1 2 1 1 Y R Y R Y R Y R V I R V R V I V R R R R R R R V V V R R R R V I R V V R V I R V V R V V I 4 2 3 1 R R R R se ; Y, A I1 I2 V2 V1 R1        = = 4 1 4 1 1 R R A R R Y V0 Electrónica 3 – 2005/06 26 Filtros activos 2ª ordem – giradores n Realização do girador + - I1 V1 I2 V2 R1 R0 R0 R1 + - R R R1 Ri=-R1
  • 14.
    14 Electrónica 3 –2005/06 27 Filtros activos 2ª ordem – giradores n Girador –> Conversor de impedância + - + - Z4 Z3 Z2 Z1 Z5 A Zeq A 4 2 5 3 1 Z Z Z Z Z Zeq = Electrónica 3 – 2005/06 28 Filtros activos 2ª ordem – giradores n + - + - + - + - 4 2 5 3 1 R C R R R L L j Zeq = = ω A B 3 5 1 4 2 2 2 1 1 R C C R R D D D s Z j s eq = − = = = ω ω R1 C2 R3 R4 R5 C1 R2 R3 R4 C5 B A
  • 15.
    15 Electrónica 3 –2005/06 29 Filtros activos 2ª ordem – giradores n Passa-alto Y, A I1 V2 V1 + - V2 C C R          = = =         + +         = 2 1 2 1 ) ( 2 2 RY m C Y A j jm j A j H c c c c ω ω ω ω ω ω ω ω Electrónica 3 – 2005/06 30 Filtros activos 2ª ordem – giradores n Quando a indutância é flutuante não é adequado usar o conversor de impedâncias n Para se usar o conversor de impedâncias nestas circunstâncias, divide-se cada componente do circuito por s. C s s C L s sL L sR s R R sC 2 1 1 1 1 = → = → = → − Capacidade de valor R-1 Resistência de valor L Elemento D de valor C • Nem todas as topologias se podem implementar usando esta técnica.
  • 16.
    16 Electrónica 3 –2005/06 31 Filtros activos 2ª ordem - variáveis de estado n Filtros de variável de estado e biquads (biquadráticos) q baseiam-se no integrador de Miller. q permitem mais do que uma resposta simultaneamente. q são pouco sensíveis às não idealidades dos componentes. q são em geral fáceis de ajustar. Electrónica 3 – 2005/06 32 Filtros activos 2ª ordem - variáveis de estado n Elementos básicos + - ° Integrador ideal R1 C C R o 1 1 = ω + - Σ ° Somador + - R1 C RC o 1 = ω R sRC R R s A + − = + 1 1 1 0 ω s o ω − ° Integrador com perdas
  • 17.
    17 Electrónica 3 –2005/06 33 Filtros activos 2ª ordem - variáveis de estado n Computação analógica – resolução de equações diferenciais com circuitos analógicos ) ( ) ( ) ( 2 2 s D s N s H x cy dt dy b dt y d a = → = + + oPA o o oPA o i oPA i oPA o o V s s V s Q AV V V V s Q s As s H ω ω ω ω ω − − = ⇔ = + + = 1 ) ( 2 2 2 s o ω − Σ oPA o V S ω − oPA o o V s s ω ω oPA V -1 Q 1 A i V (Realização de Kelvin) s o ω − Passa-Banda (VoP-B) Passa-Baixo (VoPB) Passa-Alto (VoPA) Electrónica 3 – 2005/06 34 Filtros activos 2ª ordem - variáveis de estado n + - R C + - aR C + - R/c R R R oPA o V s ω − oPA o o V s s ω ω oPA V VoPA VoPBanda VoPB + - bR R      = = =      = = − =      = = =         + +         =         + + =         + + = b ac Q a c RC A b ac Q a c RC b A b ac Q a c RC c A j Q j j A j H j Q j Q j A j H j Q j A j H c c c c c c PA c c c PBd c c PB ; 1 1 ; 1 1 ; 1 1 1 ) ( ; 1 ) ( ; 1 1 ) ( 2 2 2 2 ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω
  • 18.
    18 Electrónica 3 –2005/06 35 Filtros activos 2ª ordem - variáveis de estado n Kerwin-Huelsman-Newcomb + - R C + - R C + - R1 Rf R2 R3         − =         + = = Q A R R Q R Rf 1 2 ; 1 2 1 ; 1 2 3 1 oPA o V s ω − oPA o o V s s ω ω oPA V VoPA VoPBanda VoPB RC o 1 = ω (Ganho) Electrónica 3 – 2005/06 36 Filtros activos 2ª ordem - variáveis de estado n Filtro com “notch” + - VoPA VoP-Bd VoPB Vo RB RL RF ( ) ( ) ( ) L H o n o o o L F o B F H F i o R R s Q s R R s R R s R R A V V ω ω ω ω ω ω = + + + − − = 2 2 2 2 / / / RH
  • 19.
    19 Electrónica 3 –2005/06 37 Filtros activos 2ª ordem - variáveis de estado n Filtro Biquad Tow-Thomas (ou Filtro Ressonante) + - R’ + - R C + - R R2 R1 oPA o V s ω − oPA V VoP-B VoPB -VoPB C R’ R R Q K R R K R R PBanda PB 2 1 2 1 = = − = RC o 1 = ω ° Ajuste Ortogonal: • Ajustar R para ωo • Ajustar R2 para Q • Ajusta R1 para o ganho do PA ou P-B Electrónica 3 – 2005/06 38 Filtros activos 2ª ordem - variáveis de estado n Filtro Biquad Tow-Thomas com “notch” + - R’ + - R C + - R R2 R1 oPA o V s ω − oPA V Vo C R’ R3 R4 2 2 3 4 ' 1 1 2 1 ) ( o o o o s Q s CR R R CR s C C s s H ω ω ω ω + + +         − +       = Vi C1 -VoPB
  • 20.
    20 Electrónica 3 –2005/06 39 Filtros activos 2ª ordem - variáveis de estado n Filtro Biquad Tow-Thomas: q Todos os amplificadores em modo inversor: § Mais fácil compensar os offsets. § Não há limitações de modo comum (importante se compensarmos o amplificador em “feedforward” => boa largura de banda). q Com cuidado conseguem-se Qs na ordem das centenas. Electrónica 3 – 2005/06 40 Filtros activos 2ª ordem – um AmpOp n Síntese de “biquads” recorrendo-se a um único amplificador com realimentação. n Usados quando Q<10 + - Q’ Q I’2 I2 V2 V1 21 21 1 2 2 2 22 1 21 2 22 2 21 2 ' ' 0 ' ' ' Y Y V V H I I V V Y V Y I V Y V Y I − = = = = + = + = Seleccionando os quadripólos Q e Q’ é possível sintetizar uma função de transferência V
  • 21.
    21 Electrónica 3 –2005/06 41 Filtros activos 2ª ordem – um AmpOp n Passa-baixo q Q: q Q’ 1 1 1 0 2 1 2 21 2 1 1 1 1 1 RC j R RC j R R RC j R R V I Y V ω ω ω + − = + + + − =         = = R R C1 R C2 R C1 1 2 1 2 1 2 2 2 0 2 1 2 21 2 ) ( 2 1 1 ' RC j C C R j RC j R V I Y V ω ω ω + + + − = =         = = 2 1 2 1 0 2 0 0 2 1 ; 1 ; 1 ; 1 C C Q C C R A j Q j A H = = − =         + + = ω ω ω ω ω V2 V1 Electrónica 3 – 2005/06 42 Filtros activos 2ª ordem – um AmpOp n Passa-alto q Q’ q Q R1 R2 C 1 2 C R1 C C 1 2 2 1 0 2 0 0 2 0 2 1 ; 1 ; 1 ; 1 R R Q R R C A j Q j j A H = = − =         + +         = ω ω ω ω ω ω ω
  • 22.
    22 Electrónica 3 –2005/06 43 Filtros activos 2ª ordem – um AmpOp n Passa-banda q Q’ q Q ( ) C R j R R R C j C R j C j C R j R C j C R j R R V I Y V 1 2 2 1 2 2 1 1 1 1 1 2 0 2 1 2 21 2 1 ) ( 2 1 1 1 1 1 ' ω ω ω ω ω ω ω + + + − = + + + − − =         = = R1 C 1 2 C C 2R1 R2 ( ) C R j R C R j C j R V I Y V 1 2 2 1 0 2 1 2 21 2 1 1 2 1 ω ω ω + − = + − =         = = 1 2 2 1 0 1 2 2 0 0 0 2 1 ; 1 ; 2 ; 1 R R Q R R C R R A j jQ jQ A H = = − =         + + = ω ω ω ω ω ω ω V2 V1 Electrónica 3 – 2005/06 44 Filtros activos 2ª ordem – um AmpOp n Rejeita-banda q Q q Q’ R R 2C 1 2 V2 V1 C C R/2 R/2 C 1 2 C 2R ( ) ( ) 1 ; 1 ; 1 1 1 1 1 0 2 0 0 2 0 2 2 = = − =         + +         + = + + + − = Q RC A j Q j j A RC j RC j RC j H ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ( ) ( ) ( ) ( ) RC j R RC j RC j Y RC j R RC j Y ω ω ω ω ω + + + − = + + − = 1 2 1 ' 1 2 1 2 21 2 21
  • 23.
    23 Electrónica 3 –2005/06 45 Filtros activos 2ª ordem – um AmpOp n + - a b Circuito RC • Síntese do circuito RC na malha de realimentação por forma a realizar um par de pólos complexos com ωo e Q • Injectar o sinal de entrada num nó para realizar os zeros. ) ( ) ( ) ( ) ( s D s AN A s t A V V s L b a = = = • Ganho da malha: • Equação característica: 0 ) ( ) ( 1 ) ( ) ( 0 ) ( 1 = ⇒ − = ⇔ = + ∞ → s D s N A s D s N s L A • Os pólos do filtro são os zeros de t(s) A Electrónica 3 – 2005/06 46 Filtros activos 2ª ordem – um AmpOp n Ponte em T R2 C3 R1 C4 a b .... 1 1 1 1 ) ( 2 1 4 3 4 2 1 2 R R C C C R R s s V V s t b a +         + + = = R4 R3 C2 a b .... 1 1 1 1 ) ( 4 3 2 1 3 2 1 2 R R C C R C C s s V V s t b a +         + + = = C1
  • 24.
    24 Electrónica 3 –2005/06 47 Filtros activos 2ª ordem – um AmpOp n Passa-baixo + - C a b C vo(t) vi(t) R4 0 1 1 2 4 3 2 3 2 = + + R R C R C s s • Equação característica 2 2 2 2 o o o i o Q s s Q s Q V V ω ω ω + + − = Ganho pode ser elevado 4 3 4 3 1 2 1 R R C R R Q o = = ω R3 Electrónica 3 – 2005/06 48 Filtros activos 2ª ordem – um AmpOp n Filtro Passa-Banda com atenuação. + - R4 R3 C2 a b C1 vo(t) vi(t) R5 • Com R5//R4=R’4: Equação característica 2 2 2 4 5 4 2 o o o i o w Q w s s Q w s Q R R R V V + + × + − = 0 ' 1 1 2 4 3 2 3 2 = + + R R C R C s s Ganho atenuado ( ) ( ) 5 4 3 5 4 3 // 1 // 2 1 R R R C w R R R Q o = =