O que é filtro passa-altas: funcionamento e suas aplicações

Filtros são os circuitos eletrônicos que permitem componentes de frequência específicos e atenuam os componentes de frequência indesejados de um sinal de entrada. Eles são encontrados em várias aplicações eletrônicas para permitir uma determinada faixa de frequências de um sinal. Basicamente, os filtros são divididos em dois tipos com base no tipo de componentes usados ​​no projeto e na operação. Eles são filtros passivos e filtros ativos. Dependendo da faixa de frequências, os filtros são categorizados em 4 tipos. Eles são filtros passa-baixas, filtros passa-altas, filtros passa-banda e filtros passa-banda. Este artigo descreve o filtro passa-altas, que pode ser usado como filtro ativo e passivo. O que é um filtro passa-altas? O filtro tem a capacidade de permitir componentes de alta frequência de um sinal e atenua todos os componentes de baixa frequência de um sinal, é conhecido como filtro passa-altas. Ele pode permitir que os componentes de alta frequência sejam maiores do que a frequência de corte e rejeita todos os outros componentes de frequência indesejados de um sinal. Esses tipos de filtros são encontrados em vários circuitos de RF e sistemas de processamento de sinal. Na prática, esse filtro permitirá frequências mais baixas de um sinal, que são mais baixas do que a frequência de corte. Circuito de filtro passa-altas Este circuito é igual ao de um circuito de filtro passa-baixas, exceto que os componentes do resistor e do capacitor são trocados conforme mostrado na figura abaixo.Circuito de filtro passa-altas Dois elementos passivos, resistor e capacitor, são conectados em uma combinação em série para permitir frequências mais altas do que a frequência de corte de um sinal. A voltagem de saída de um sinal é obtida através do resistor aplicando voltagem de entrada através do capacitor. Este tipo de filtro vem sob o circuito de filtro passa-alta de primeira ordem. O HPF de segunda ordem nada mais é do que uma cascata de dois circuitos de filtro passa-altas RC em série. O aumento no ganho da banda passante no HPF de segunda ordem será a uma taxa de + 40dB / década. HPF RC passivoO circuito de filtro passa-alto RC passivo pode ser projetado em duas combinações, como resistor e capacitor (RC HPF passivo); resistor e indutor (passivo RL HPF) com base na aplicação. O RC HPF passivo é usado para aplicações em faixas de áudio ou de baixa frequência. Os circuitos passivos RL HPF são usados ​​para aplicações em RF ou faixas de alta frequência. O circuito de filtro passa-alta também é chamado de filtro passa-alta RC passivo devido ao uso de elementos passivos como um resistor e um capacitor. A principal vantagem é que não há necessidade de aplicar nenhuma fonte de alimentação externa ou quaisquer componentes de amplificação. O RC HPF passivo é um circuito RC HPF simples, conforme mostrado na figura acima. O capacitor e o resistor são conectados em série, onde a tensão de saída é desenvolvida através do resistor. Devido à reatância do capacitor, o filtro permite apenas altas frequências de um sinal maior que a frequência de corte e bloqueia as frequências mais baixas de um sinal abaixo da frequência de corte. Características Estas características do filtro passa-altas são explicadas em termos de resposta de frequência e mudança de fase de um sinal de saída. Características ideaisA principal característica de um HPF é que ele permite todos os componentes de alta frequência maiores do que a frequência de corte e atenua todas as baixas frequências de um sinal, que são inferiores à frequência de corte. As características ideais de um HPF são mostradas a seguir. A banda passante é conhecida como HPF permite as frequências mais altas que são maiores do que a frequência de corte. Este filtro atenua as baixas frequências, o que é conhecido como faixa de parada.Características ideais do filtro passa-altas de resposta de frequência A frequência de um sinal de saída é diretamente proporcional ao ganho. Conforme a frequência aumenta, o ganho aumenta. A resposta em frequência de um filtro passa-altas RC depende da reatância de um capacitor. O capacitor produz a quantidade necessária de reatância ou reatância alta para atenuar as frequências baixas de um sinal, ou seja, abaixo da frequência de corte. Na baixa reatância do capacitor, o filtro passa-alta RC permite os componentes de alta frequência de um sinal, ou seja, maior do que a frequência de corte. Mas, praticamente, o filtro passa-altas RC permite as baixas frequências abaixo de sua frequência de corte. O ganho do filtro passa-alto RC torna-se unitário quando a reatância é baixa / zero em altas frequências. Essa tensão de saída é igual à tensão de entrada fornecida. Para permitir altas frequências e rejeitar baixas frequências, a reatância capacitiva diminui com um aumento na frequência, o que resulta em aumentos na tensão de saída e no ganho. A reatância capacitiva é dada como, Xc = 1 / 2πfcOnde 'fc' = frequência de corte em Hz'Xc '= reatância capacitiva A resposta em frequência e as características de deslocamento de fase de um filtro passa-alto RC são mostradas abaixo.Características RC HPF Pela figura, podemos observar que as baixas frequências são bloqueadas / rejeitadas e aumentam a tensão de saída em + 20dB / década quando a frequência está na frequência de corte e R = Xc. O filtro passa-altas RC permite as altas frequências (da frequência de corte ao infinito) quando a tensão de saída é 0.7071 ou 70.71% de sua tensão de entrada, ou seja, em níveis de entrada e saída de -3dB (calculando 20 log Vout / Vin). Isso significa que a resposta de frequência de um HPF é: sinais de alta frequência são permitidos da frequência de corte ao infinito. Na frequência de corte, a mudança de fase do sinal de entrada e do sinal de saída são iguais, ou seja, a 45 °. Quando a frequência de um sinal é maior do que a frequência de corte, o ângulo de fase é zero. Isso significa que o sinal de saída está em fase em relação ao sinal de entrada em altas frequências. O tempo necessário para carregar e descarregar um capacitor é expresso na forma da constante de tempo, denotada por 'τ'. A constante de tempo de um filtro passa-alta RC é dada comoτ = RC = 1 / 2πfcω = 1 / τ = 1 / RCTa frequência de corte de um RC HPF é dada como, fc = 1 / 2πRCT A mudança de fase de um RC HPF é dado comoΦ = tan-1 (1 / 2πfRC) Onde 'fc' = frequência de corte em Hz'f '= frequência de operação em Hz'R' = valor da resistência em ohms'C '= valor do capacitor em FaradsHigh Pass Filtro usando Op-AmpO filtro passa-alto usando op-amp é muito fácil de projetar e implementar porque usa um número limitado. de componentes eletrônicos e remove ruído e zumbido. O diagrama do circuito do filtro passa-altas usando op-amp é mostrado abaixo. O RC HPF passivo é conectado ao amplificador operacional não inversor para amplificação e controle de ganho de tensão.Filtro Passa Altas usando Op-AmpA saída é limitada pelas características de malha aberta do op-amp. A saída do RC HPF é aplicada a um op-amp para a amplificação e controle do ganho de tensão do sinal de saída. O ganho de tensão do filtro passa-altas usando Op-amp é dado como Aᵥ = Vout / Vin = Af (f / fc) / √ (1+ (f / fc) 2) Onde Av = ganho de tensão em dB = 1 + R2 / R1Af = ganho de banda passantefc = frequência de corte em Hzf = frequência de operação em Hz Quando f <fc (baixas frequências) , então Vout / Vin <AfWhen f = fc (na frequência de corte), então Vout / Vin = Af / 2 ^ ½ = 0.7071AfWhen f> fc (altas frequências), então Vout / Vin = AfA largura de banda de loop fechado de o Op-amp determina a frequência mais alta do HPF, que tem o ganho de banda passante constante Af. A magnitude do ganho de tensão é dada como AV (dB) = 20 log (Vout / Vin) -3dB = 20 log (0.707 Vout / Vin ) Filtro passa-altas ativoSe o filtro passa-altas RC estiver conectado ao elemento ativo, como o amplificador operacional, para permitir as frequências altas e rejeitar as frequências baixas, então é chamado de HPF ativo. A resposta de frequência e a mudança de fase do HPF ativo são as mesmas do RC HPF. O objetivo do filtro passa-alto ativo é controlar o ganho de tensão e amplificar o sinal de saída. O diagrama de circuito do filtro passa-alto ativo para amplificação é mostrado abaixo.HPF ativo para amplificação O circuito RC HPF está conectado ao amplificador operacional não inversor. A saída e a frequência de corte do filtro passa-altas passivo são controlados pelo amplificador operacional. Onde a largura de banda e as características de ganho do amplificador operacional determinam a frequência de corte. Este tipo de filtro atua como um filtro passa-banda. O op-amp aumenta a amplitude do sinal de saída e o ganho de tensão de saída da banda passante é dado como 1 + R2 / R1, que é o mesmo que o filtro passa-baixo. Função de transferênciaPara derivar a função de transferência do filtro passa-alto, iremos considere um circuito RC HPF passivo como mostrado acima. Do circuito acima, Vo = tensão de saída através do resistorVi = tensão de entrada aplicada através do capacitor, tomando a Transformada de Laplace em ambos os lados de entrada e saída, H (s) = Vₒ (s) / Vᵢ (s) H (s) = R / (R + (1 / sC)) A equação acima torna-se, H (s) = sCR / (1 + sCR) Substituindo s = jw na equação acima H (jω) = jωCR / (1 + jωCR) Então a equação torna-se. A magnitude da função de transferência HPF é representada como | H (jω) | = ωCR / √ (1+ (ωCR) ^ 2) Se ω = 0, então a função de transferência HPF = 0If ω = 1 / CR, então a função de transferência HPF = 0.707 Se ω = infinito, então a função de transferência HPF = 1Hence as características da função de transferência acima mostram que o filtro passa-alto RC passivo pode permitir as altas frequências da frequência de corte para i nfinity. isto é, varia de 0 a 1 se ω varia de 0 ao infinito.Butterworth HPEO filtro passa-alto Butterworth é um dos tipos de HPFs, que fornece resposta de frequência plana na banda passante. Devido à sua resposta de frequência plana, não haverá ondulações. Ele também é conhecido como filtro plano, usado em várias aplicações onde o ganho de malha fechada da banda passante é a unidade. O diagrama do circuito e a resposta de frequência do filtro passa-alto Butterworth de primeira ordem são mostrados abaixo. Estes são muito fáceis e simples de projetar.Butterworth HPFo ganho aumenta a uma taxa de + 20dB / década para o Butterworth HPF de primeira ordem e enquanto para o Butterworth HPF de segunda ordem, será de + 40dB / década.Butterworth HPF CharacteristicsApplicationsAs aplicações de filtros passa-altas são Alto-falantes para amplificar sinaisProcessamento de imagemUsados ​​na amplificação de corrente DC e para sistemas de controle de controle e sistemas de processamento de áudio. - definição, circuito, Butterworth HPF, HPF usando Op-amp e suas aplicações. Aqui está uma pergunta para você, “Quais são as vantagens e desvantagens dos filtros passa-altas?”

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