Che cos'è il filtro passa alto: funzionamento e sue applicazioni

I filtri sono i circuiti elettronici che consentono particolari componenti di frequenza e attenuano le componenti di frequenza indesiderate di un segnale in ingresso. Questi si trovano in varie applicazioni elettroniche per consentire una particolare gamma di frequenze di un segnale. Fondamentalmente, i filtri sono divisi in due tipi in base al tipo di componenti utilizzati nella progettazione e nel funzionamento. Sono filtri passivi e filtri attivi. A seconda della gamma di frequenze, i filtri sono classificati in 4 tipi. Sono filtri passa basso, filtri passa alto, filtri passa banda e filtri ferma banda. Questo articolo descrive il filtro passa alto, che può essere utilizzato sia come filtro attivo che come filtro passivo. Che cos'è un filtro passa alto? Il filtro ha la capacità di consentire componenti ad alta frequenza di un segnale e attenua tutti i componenti a bassa frequenza di un segnale, è noto come filtro passa alto. Può consentire le componenti ad alta frequenza maggiori della frequenza di taglio e rifiuta tutte le altre componenti di frequenza indesiderate di un segnale. Questi tipi di filtri si trovano in vari circuiti RF e sistemi di elaborazione del segnale. In pratica, questo filtro consentirà frequenze più basse di un segnale, che è inferiore alla frequenza di taglio. Circuito filtro passa alto Questo circuito è uguale a quello di un circuito filtro passa basso, tranne per il fatto che i componenti resistore e condensatore sono scambiati come mostrato nella figura seguente.Circuito filtro passa alto Due elementi passivi resistore e condensatore sono collegati in serie per consentire frequenze superiori alla frequenza di taglio di un segnale. La tensione di uscita di un segnale è ottenuta attraverso il resistore applicando la tensione di ingresso attraverso il condensatore. Questo tipo di filtro rientra nel circuito del filtro passa alto del primo ordine. L'HPF del secondo ordine non è altro che una cascata di due circuiti di filtro passa-alto RC in serie. L'aumento del guadagno della banda passante nell'HPF del secondo ordine sarà ad una velocità di +40dB/decade. RC HPF passivo Il circuito del filtro passa alto RC passivo può essere progettato in due combinazioni come resistore e condensatore (RC HPF passivo); resistenza e induttore (passivo RL HPF) in base all'applicazione. L'RC HPF passivo viene utilizzato per applicazioni a gamme di frequenze audio o basse. I circuiti passivi RL HPF sono utilizzati per applicazioni a intervalli RF o ad alta frequenza. Il circuito del filtro passa alto è anche chiamato filtro passa alto RC passivo a causa dell'utilizzo di elementi passivi come un resistore e un condensatore. Il vantaggio principale è che non è necessario applicare alcun alimentatore esterno o componenti di amplificazione. L'RC HPF passivo è un semplice circuito RC HPF come mostrato nella figura sopra. Il condensatore e il resistore sono collegati in serie in cui la tensione di uscita si sviluppa attraverso il resistore. A causa della reattanza del condensatore, il filtro consente solo le alte frequenze di un segnale maggiore della frequenza di taglio e blocca le frequenze più basse di un segnale al di sotto della frequenza di taglio. Caratteristiche Queste caratteristiche del filtro passa alto sono spiegate in termini di risposta in frequenza e sfasamento di un segnale di uscita. Caratteristiche ideali La caratteristica principale di un HPF è che consente tutte le componenti ad alta frequenza maggiori della frequenza di taglio e attenua tutte le basse frequenze di un segnale, che sono inferiori alla frequenza di taglio. Le caratteristiche ideali di un HPF sono mostrate di seguito. La banda passante è indicata come HPF consente le frequenze più alte che sono maggiori della frequenza di taglio. Questo filtro attenua le basse frequenze, che è indicato come stopband.Caratteristiche ideali del filtro passa altoRisposta in frequenza La frequenza di un segnale di uscita è direttamente proporzionale al guadagno. All'aumentare della frequenza, aumenta il guadagno. La risposta in frequenza di un filtro passa alto RC dipende dalla reattanza di un condensatore. Il condensatore produce la quantità richiesta di reattanza o alta reattanza per attenuare le basse frequenze di un segnale, cioè al di sotto della frequenza di taglio. A bassa reattanza del condensatore, il filtro passa alto RC consente le componenti ad alta frequenza di un segnale cioè maggiori della frequenza di taglio. Ma, in pratica, il filtro passa alto RC consente le basse frequenze al di sotto della sua frequenza di taglio. Il guadagno del filtro passa alto RC diventa unitario quando la reattanza è bassa/zero alle alte frequenze. Questa è la tensione di uscita è la stessa della tensione di ingresso data. Per consentire le alte frequenze e respingere le basse frequenze, la reattanza capacitiva diminuisce con l'aumento della frequenza, il che si traduce in un aumento della tensione di uscita e del guadagno. La reattanza capacitiva è data come,Xc = 1/2πfcDove 'fc' = frequenza di taglio in Hz'Xc'= reattanza capacitivaLa risposta in frequenza e le caratteristiche di sfasamento di un filtro passa alto RC sono mostrate di seguito.Caratteristiche RC HPF Dalla figura, possiamo osservare che le basse frequenze vengono bloccate/respinte e aumentano la tensione di uscita di +20dB/decade quando la frequenza è alla frequenza di taglio e R=Xc. Il filtro passa alto RC consente le alte frequenze (dalla frequenza di taglio all'infinito) quando la tensione di uscita è 0.7071 o 70.71% della sua tensione di ingresso, cioè a -3dB di ingresso e livelli di uscita (calcolando 20 log Vout/Vin). Ciò significa che la risposta in frequenza di un HPF è che i segnali ad alta frequenza sono consentiti dalla frequenza di taglio all'infinito. Alla frequenza di taglio, lo sfasamento del segnale di ingresso e del segnale di uscita è lo stesso, cioè a 45°. Quando la frequenza di un segnale è maggiore della frequenza di taglio, l'angolo di fase è Zero. Ciò significa che il segnale di uscita è in fase rispetto al segnale di ingresso alle alte frequenze. Il tempo impiegato per caricare e scaricare un condensatore è espresso sotto forma di costante di tempo, indicata con 'τ'. La costante di tempo di un filtro passa alto RC è data comeτ = RC = 1/2πfcω = 1/τ = 1/RCLa frequenza di taglio di un HPF RC è data come,fc= 1/2πRCLo sfasamento di un HPF RC è dato comeΦ=tan-1 (1/2πfRC)dove 'fc' = frequenza di taglio in Hz'f' = frequenza operativa in Hz'R' = valore della resistenza in ohm'C'= valore del condensatore in FaradsHigh Pass Filtro con amplificatore operazionaleIl filtro passa alto che utilizza amplificatore operazionale è molto facile da progettare e implementare perché utilizza un numero limitato di filtri. dei componenti elettronici e rimuove rumori e ronzii. Lo schema del circuito del filtro passa alto che utilizza l'amplificatore operazionale è mostrato di seguito. L'RC HPF passivo è collegato all'amplificatore operazionale non invertente per l'amplificazione e il controllo del guadagno di tensione.Filtro passa alto con amplificatore operazionale L'uscita è limitata dalle caratteristiche ad anello aperto dell'amplificatore operazionale. L'uscita dell'RC HPF viene applicata a un amplificatore operazionale per l'amplificazione e il controllo del guadagno di tensione del segnale di uscita. Il guadagno di tensione del filtro passa alto che utilizza l'amplificatore operazionale è dato come Aᵥ= Vout/Vin=Af(f /fc)/√(1+(f/fc)2)Dove Av= guadagno di tensione in dB= 1+R2/R1Af = guadagno banda passantefc= frequenza di taglio in Hzf = frequenza operativa in HzQuando f < fc (basse frequenze) , quindi Vout/Vin < AfQuando f = fc (alla frequenza di taglio), quindi Vout/Vin=Af/2 ^½ = 0.7071AfQuando f > fc (alte frequenze), quindi Vout/Vin = AfLa larghezza di banda ad anello chiuso di l'amplificatore operazionale determina la frequenza più alta dell'HPF, che ha il guadagno di banda passante costante Af. L'entità del guadagno di tensione è data come Av(dB) = 20 log (Vout/Vin)-3dB = 20 log (0.707 Vout / Vin ) Filtro passa alto attivo Se il filtro passa alto RC è collegato all'elemento attivo come l'amplificatore operazionale per consentire le alte frequenze e rifiuta le basse frequenze, allora è chiamato HPF attivo. La risposta in frequenza e lo sfasamento dell'HPF attivo sono gli stessi dell'RC HPF. Lo scopo del filtro passa alto attivo è controllare il guadagno di tensione e amplificare il segnale di uscita. Di seguito è riportato lo schema del circuito del filtro passa alto attivo per l'amplificazione.HPF attivo per l'amplificazioneIl circuito RC HPF è collegato all'amplificatore operazionale non invertente. L'uscita e la frequenza di taglio del filtro passa alto passivo sono controllate dall'amplificatore operazionale. Dove la larghezza di banda e le caratteristiche di guadagno dell'amplificatore operazionale determinano la frequenza di taglio. Questo tipo di filtro funge da filtro passa-banda. L'amplificatore operazionale aumenta l'ampiezza del segnale di uscita e il guadagno di tensione di uscita della banda passante è dato come 1+R2/R1, che è lo stesso del filtro passa basso. Funzione di trasferimento Per derivare la funzione di trasferimento del filtro passa alto, considerare un circuito RC HPF passivo come mostrato sopra. Dal circuito sopra, Vo = tensione di uscita attraverso il resistore Vi = tensione di ingresso applicata attraverso il condensatore Prendendo la trasformata di Laplace sia in ingresso che in uscita, H(s)=Vₒ(s)/ Vᵢ(s)H(s)=R/(R+(1/sC))L'equazione precedente diventa,H(s)=sCR/(1+sCR)Sostituendo s=jw nell'equazione precedenteH(jω)=jωCR /(1+jωCR)Allora l'equazione diventaLa grandezza della funzione di trasferimento HPF è rappresentata come|H(jω)|=ωCR/√(1+(ωCR)^2 )Se ω = 0, allora la funzione di trasferimento HPF = 0Se ω = 1/CR, quindi la funzione di trasferimento HPF = 0.707 Se ω = infinito, allora la funzione di trasferimento HPF = 1 Quindi le caratteristiche della funzione di trasferimento sopra mostrano che il filtro passa alto RC passivo può consentire alle alte frequenze dalla frequenza di taglio a i infinito. cioè, varia da 0 a 1 se ω varia da 0 a infinito. Butterworth HPF Il filtro passa alto Butterworth è uno dei tipi di HPF, che fornisce una risposta in frequenza piatta nella banda passante. Grazie alla sua risposta in frequenza piatta, non ci saranno increspature. È anche noto come filtro flat-flat, utilizzato in varie applicazioni in cui il guadagno ad anello chiuso della banda passante è unitario. Lo schema del circuito e la risposta in frequenza del filtro passa alto Butterworth del primo ordine sono mostrati di seguito. Questi sono molto facili e semplici da progettare.Butterworth HPF Il guadagno aumenta al ritmo di +20dB/decade per il Butterworth HPF del primo ordine e mentre per il Butterworth HPF del secondo ordine sarà di +40dB/decade.Butterworth HPF CaratteristicheApplicazioniLe applicazioni dei filtri passa-alto sonoAltoparlanti per amplificare i segnaliElaborazione delle immaginiUtilizzato nell'amplificazione della corrente CC e per l'accoppiamento CASistemi di controllo e sistemi di elaborazione audio.Splitter DSL nei telefoniApplicazioni RFQuindi, si tratta di una panoramica del filtro passa-alto (sia di tipo attivo che passivo) - definizione, circuito, Butterworth HPF, HPF con amplificatore operazionale e sue applicazioni. Ecco una domanda per te: "Quali sono i vantaggi e gli svantaggi dei filtri passa alto?"

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