Lab08 - Filtros Activos

UNIVERSIDAD DE LA FRONTERA
FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS
DEPTO. INGENIERÍA ELÉCTRICA
LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS II
Tema 8: Filtros Activos
Preparado por: J.I.Huircan
PROFESOR: J.I. Huircan
OBJETIVOS
Diseñar filtros activos empleando el Op Amp tales como el LM 741, LF351 o OP-07
Utilizar los diseños logrados en aplicaciones prácticas.
Determinación práctica de la respuesta en frecuencia de las diferentes
configuraciones diseñadas.
INTRODUCCIÓN
Un filtro es un dispositivo que permite discriminar una banda de frecuencias dada y es
capaz de transmitir sólo el espectro de frecuencias para el cual ha sido diseñado. Existen
dos tipos de filtros: los llamados pasivos que, en general están constituidos por
resistencias, capacitores y/o inductancias, y los activos que solamente están
constituidos por resistencias y capacitores, pero que, además incluyen amplificadores
operacionales. Estos últimos son preferibles, sobre todo en el espectro de audio, (hasta
unos 20 kHz) ya que la utilización de inductancias es incómoda y hasta de elevado costo
en muchos casos. En este laboratorio nos preocuparemos básicamente del diseño de
filtros activos pasa-bajos, pasa-altos y pasa-banda.
BASIC REVIEW
La figura 1 ilustra la respuesta en frecuencia de los diferentes tipos de filtros.
H(j ω )
H(j ω )
H(j ω )
G
G
2
G
G
2
G
G
2
ωC
[r/seg]
ωC
[r/seg]
B
ω 1 ωo
ω
2
rad/seg
Figura 1. Respuesta en frecuencia de filtros.
Donde ωc se conoce como frecuencia de corte del filtro comúnmente expresada en rad/s
(fc en Herz). Esta frecuencia se determina cuando la ganancia del filtro disminuye en 3dB
(en escala logarítmica), lo que es equivalente a indicar que dicho valor es dividido por 2 .
Para el filtro pasabanda, aparece el elemento B llamado ancho de banda. La pendiente de
la curva de respuesta en frecuencia se conoce como atenuación y dependerá del número de
polos de la función de transferencia del filtro, habitualmente N x 20dB. Existen diferentes
tipos de configuraciones capaces de cumplir con la respuesta mostrada, los descritos a
continuación son los más básicos y fáciles de implementar. Estos filtros son de orden 2
Rev. 27-mayo-2015
24-02-2016
(es decir, su función de transferencia tiene dos polos), luego su pendiente en la región de
atenuación es de 40dB/dec. Como se indica en la respuesta en frecuencia, los filtros
pueden tener o no tener ganancia.
a. Filtros Pasabajos
Un filtro Pasabajos simple, de segundo orden basado en un circuito Sallen-Key, es el que
se muestra en la Fig. 2. Si R1=R2=R y C1=C2=C, el filtro se conoce como "Equal
component low pass band". También se conoce como circuito VCVS (voltaje-controlled
voltaje-source). La ganancia de este circuito está dada por la relación indicada.
C2
R1
R2
vin
G=
+
C
vout
1
-
RB
RB
+1
RA
RA
Figura 2. Sallen-Key Pasabajos.
Y la frecuencia de corte en Herz será:
1
2 πRC
fc =
Para el diseño puede darse la ganancia G, fc, C y RB.
b. Filtros Pasaaltos
Utilizando la misma célula básica anterior, se puede transformar este circuito en un filtro
pasa-alto como se muestra en la Fig. 3.
R
C
C
vin
+
R
vout
-
RB
RA
Figura 3. Sallen-Key Pasa-altos.
Este filtro recibe el nombre "Equal-component high-pass". Para ambos circuitos se tiene:
1
fc =
2 πRC
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c. Filtros Pasabandas
Utilizando un solo AO, el circuito básico de un Pasabandas es el que se muestra en la
Figura 4. Este circuito corresponde a una configuración de MFB (Multiple Realimentación).
C
R1
C
R3
-
vin
vout
R2
+
Figura 4. Pasa-bandas MFB.
Para esta configuración la frecuencia central será:
1
1  1 R 2 + R1  2
fo =


2πC  R 3 R 2 R 1 
Los valores de las resistencias están dados por:
Q
R1 =
2πf o G o C
Q
R
R2 =
Go = 3
2
2πf oC (2Q − G o )
2 R1
R3 =
Q
πf o C
G
y Q >  o 2 


1
2
La frecuencia central puede ser determinada si se conocen la frecuencia de corte inferior y
superior:
fo =
f1 f2
El parámetro Q se conoce como factor de calidad.
DESARROLLO TEÓRICO
1.
Diseñe un filtro pasabajos "Equal Component".
fC
G
2.
HZ
Diseñe un filtro pasaaltos "Equal Component"
fC
G
HZ
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3. Diseñe un filtro pasa-banda con las siguientes características:
HZ
f0
G
Q
Si le faltan datos, puede darse un condensador y una resistencia. En este caso fo es
la frecuencia central.
4. Diseñe un filtro NOTCH para _______Hz. (Revise el apunte).
CUESTIONARIO
1. Determine las funciones de transferencia de los filtros pasabajos, pasaaltos y
pasabanda.
2. ¿Que valores deben tener RA y RB para tener ganancia unitaria?
3. ¿Qué es y que indica el factor de calidad?
4. ¿De donde es posible obtener las expresiones utilizadas para el diseño del filtro
pasabanda?
5. ¿Como se define la frecuencia de corte de un filtro pasabajo o pasa alto?
6. La definición para la frecuencia central de un filtro pasabanda
fo =
f1 f2
¿Corresponde efectivamente a la frecuencia central?
PREINFORME:
DESARROLLO TEÓRICO 1+2+3+4 + LAYOUT DE LOS CIRCUITOS.
CARPETA INDIVIDUAL
BIBLIOGRAFÍA
Savant, C.J, Diseño Electrónico
Cauglhin, R., Driscoll, F., Amplificadores Operacionales Lineales
Apuntes de Circuitos Electrónicos II
Texas Instruments, Linear Circuits.
National Semiconductor, Linear Circuits.
Motorola, Linear Interface ICs databook.
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