L’incubo di ogni progettista analogico sarebbe quello di avere a che fare con il rumore nel suo circuito. Quando si tratta di circuiti di commutazione o di amplificatori audio o di circuiti di segnali di frequenza, c’è una buona possibilità che il circuito sia influenzato da segnali di rumore. Tra i molti modi per rimuovere il rumore da un circuito, il più usato è chiamato un circuito filtro. Come suggerisce il nome, questo circuito filtra i segnali indesiderati (rumore) dal segnale reale. Ci sono molti tipi di circuiti filtro, ma quello più comunemente usato ed efficiente è il filtro passa banda che può essere facilmente costruito utilizzando una coppia di resistenze e condensatori. Quindi, in questo tutorial, impareremo a conoscere questo filtro passa banda, la teoria che c’è dietro e come può essere usato nei circuiti pratici.
Che cos’è un filtro passa banda?
Un circuito/dispositivo di filtro passa banda è usato per permettere solo un insieme predefinito di frequenze di passare attraverso di esso. Filtra tutte le frequenze che sono sotto il valore impostato e sopra il valore impostato. È una combinazione di un filtro passa alto e un filtro passa basso. Un filtro che permette solo le frequenze che sono più alte di esso è chiamato filtro passa alto e il filtro che permette solo le frequenze che sono più basse di esso è chiamato filtro passa basso. Un filtro passa banda può essere ottenuto mettendo in cascata entrambi i filtri passa alto e passa basso. Ha un’enorme applicazione nei circuiti degli amplificatori audio e nei ricetrasmettitori wireless dove l’altoparlante deve riprodurre solo il set di frequenze desiderato e ignorare il resto.
Ci sono due tipi di filtri passa banda. Se il circuito coinvolge qualche tipo di fonte esterna di potenza (dispositivi attivi) come transistor ecc. allora il circuito è chiamato filtro passa banda attivo e se il circuito non coinvolge alcun componente attivo e consiste solo di componenti passivi come resistenza, condensatore e induttore allora il circuito è chiamato filtro passa banda passivo. In questo articolo discuteremo di più sul filtro passa-banda passivo. Oltre a questa classificazione, gli altri aspetti in base ai quali il filtro può essere classificato, saranno riassunti in questo articolo.
Circuito del filtro passa-banda
Come detto in precedenza discuteremo il filtro passa-banda passivo che è costruito utilizzando resistenza e condensatore. È una combinazione del filtro passa alto e del filtro passa basso. Un esempio di schema circuitale di un semplice filtro passa-banda passivo è mostrato qui sotto.
La prima metà del circuito è un filtro passa-alto che filtra le basse frequenze e permette solo la frequenza che è superiore alla frequenza di taglio alta impostata (fcHIGH). Il valore di questa frequenza di taglio alta può essere calcolato usando le formule
fcHIGH = 1 / 2π*R1*C1
La seconda metà del circuito è il circuito del filtro passa-basso che filtra le frequenze più alte e permette solo la frequenza che è inferiore alla frequenza di taglio bassa impostata (fcLOW). Il valore della bassa frequenza di taglio può essere calcolato usando le formule
fcLOW = 1 / 2π*R2*C2
Questo tipo di circuito è chiamato filtro del 2° ordine perché ha due resistenze e due condensatori. Un filtro passa banda potrebbe essere un filtro del 2° ordine o di ordine superiore poiché un minimo di due resistenze e condensatori è necessario per il corretto funzionamento del circuito. Ora, quando un segnale di frequenza in ingresso viene fornito a questo filtro, esso emette una frequenza che è superiore a fcLOW e inferiore a fcHIGH. In altre parole la frequenza di uscita può essere data da fcHIGH- fcLOW, la frequenza che si trova tra questa regione è chiamata larghezza di banda. Quindi la larghezza di banda del filtro può essere calcolata da
Bandwidth = fcHIGH- fcLOW
Risposta in frequenza di un filtro passa-banda
La risposta in frequenza, nota come curva di Bode Plot per un filtro passa-banda passivo del 2° ordine è mostrata qui sotto.
Il grafico è tracciato rispetto alla frequenza di ingresso sull’asse X e all’uscita in decibel sull’asse Y. Quando la frequenza d’ingresso è inferiore alla frequenza di taglio inferiore (f-low) l’uscita rimane inferiore a -3dB e quando supera tale frequenza, l’uscita raggiunge il massimo e vi rimane finché la frequenza non supera la frequenza di taglio superiore (f-high). Il picco al quale il guadagno di uscita rimane massimo è chiamato frequenza di risonanza. È semplicemente la media geometrica della frequenza di taglio superiore e della frequenza di taglio inferiore. La formula per calcolare la stessa è data qui sotto
Resonant frequency (Fr) =√(f – low * f - high)
La distanza tra la frequenza di taglio inferiore e la frequenza di taglio superiore è chiamata larghezza di banda. Quindi la frequenza di ingresso sarà lasciata passare solo se si trova entro il limite della larghezza di banda.
Esempio pratico di filtri passa banda
Costruiamo un semplice filtro passa banda per filtrare una certa serie di frequenze e verificare come funziona effettivamente. Il set-up sperimentale che sto usando per questo tutorial è mostrato qui sotto
Come potete vedere il filtro passa alto è costruito usando il condensatore 0.1uF (C1) e la resistenza 1K (R1). Quindi la frequenza di taglio più alta per questo circuito sarà
fcHIGH = 1 / 2π*R1*C1= 1/(2*3.17*1*10^3*0.1*10^-6)=1577 Hz
Il filtro passa basso è costruito usando il condensatore 470pF (C2) e la resistenza 87K (R2). La frequenza di taglio inferiore per questo circuito può essere calcolata come segue
fcLOW = 1 / 2π*R2*C2= 1/(2*3.14*8.7*10^3*470*10^-12)=7280 Hz
Dai calcoli di cui sopra possiamo dedurre che il circuito permetterà solo frequenze nella gamma da 1577 Hz a 7280 HZ e qualsiasi cosa inferiore o superiore a questo sarà filtrata dal nostro filtro passa-banda. Verifichiamo se lo stesso funziona costruendo il circuito su una breadboard. Il mio set-up di prova assomigliava a questo
Per testare il circuito abbiamo bisogno di un generatore di funzioni per generare un segnale di frequenza la cui frequenza può essere controllata. Dato che non ne avevo uno, ho deciso di usare il mio telefono che ha un’applicazione android che genererà le frequenze richieste attraverso il mio jack da 3,5 mm per le cuffie. Questo segnale viene poi dato come frequenza di ingresso al circuito usando un jack come mostrato sopra.
Per controllare la dipendenza dell’applicazione ho usato un oscilloscopio per misurare la frequenza del segnale di ingresso e ho scoperto che la frequenza generata è controllabile. L’immagine qui sotto mostra l’applicazione sul mio telefono che genera circa 4.819 Hz di frequenza in ingresso e l’oscilloscopio collegato visualizza il segnale e misura una frequenza di 4.816 KHz che è perfetta.
Ora, possiamo collegare l’oscilloscopio al segnale di uscita del circuito e variare la frequenza di ingresso. Il circuito permetterà a tutta la frequenza che si trova tra 1500 e 7000 di essere visualizzata sull’oscilloscopio e le altre saranno filtrate o rumorose. Tenete anche presente che questo circuito è solo a scopo di comprensione e quindi è soggetto a miglioramenti prima di applicarlo in termini reali. Inoltre, poiché il circuito è costruito su una breadboard, il segnale di uscita potrebbe raccogliere un po’ di rumore, mettete il condensatore il più vicino possibile e riducete la lunghezza dei suoi cavi per ridurre il problema. Spero che abbiate capito i filtri Band Pass, se avete domande lasciatele nei commenti qui sotto o usate il forum.