Pratica1Eletronica2

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Lista de ilustrações
Figura 1 Circuito seguidor de tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Figura 2 Circuito filtro passa baixas - Salen-Key. . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Figura 3 Circuito filtro passa baixas - Multiple Feedback. . . . . . . . . . . . . . 6
Figura 4 Circuito filtro passa baixas - Salen-Key e Multiple Feedback. . . . . . . 9
Figura 5 Transiente do circuito buffer com o KF351. . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Figura 6 FFT do circuito buffer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Figura 7 Análise de Amplitude x Frequência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Figura 8 Transiente do filtro Salen-key. Saída em vermelho e entrada em azul. . 12
Figura 9 FFT do filtro Salen-Key. Entrada em vermelho e saída em azul . . . . 13
Figura 10 Gráfico da Amplitude x Frequência para o filtro Salen-key. . . . . . . . 13
Figura 11 Transiente do filtro Multiple Feedback. (a)Entrada em vermelho. (b)
Saída em azul. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Figura 12 FFT do filtro Multiple Feedback. (a)Entrada em vermelho. (b) Saída
em azul. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Figura 13 Gráfico da Amplitude(V) x Frequência (Hz) para o filtro Multiple
Feedback. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Figura 14 Mostra o gráfico obtido na prática. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Figura 15 Mostra o gráfico obtido na prática. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Sumário
1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Desenvolvimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1 Circuito seguidor de tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Filtro passa baixas Salen-key . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Filtro passa baixas Multiple-Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3 Ensaios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.1 Materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.2 Métodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.2.1 Circuito seguidor de tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.2.2 Filtro passa baixas Salen-key . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.2.3 Filtro passa baixas Multiple-Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4 Resultados Analíticos e Discussão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.1 Simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.1.1 Circuito seguidor de tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.1.2 Filtro passa baixas Salen-key . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.1.3 Filtro passa baixas Multiple Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.2 Implementação prática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4
1 Introdução
1.1 Introdução
Os filtros são circuitos eletrônicos compostos por resistências e capacitores capazes
de deixar passar ou atenuar determinadas frequências (MALVINO; BATES, 2011). Os
filtros ativos são um tipo específico de filtros, chamados assim porque em seus circuitos
são compostos por amplificadores operacionais realimentados. Esse tipo tem sido muito
utilizado devido a sua facilidade de projeto, possibilidade de amplificar um sinal baixo e
grande flexibilidade de realizar-se mudanças no projeto sendo muito aplicado no ramo de
telecomunicações.
Estes podem ser classificados de três formas: quanto a sua função, tecnologia
utilizada e á função-resposta. O filtro implementado em sala de aula foi um do tipo
Butterworth, de ordem 4, topologia Sallen – Key e Multiple-Feedback. O objetivo principal
da atividade foi avaliar o comportamento Amplitude x Frequência do filtro.
5
2 Desenvolvimento
2.1 Circuito seguidor de tensão
O Circuito seguidor de tensão é utilizado para fornecer potência a uma carga sem
extrair potência do sinal de entrada. Esse circuito possui um ganho de tensão unitário, com
isso, não altera as características do sinal de entrada, mantendo o mesmo sinal na saída.
É composto por um amplificador operacional que, por sua característica de possuir alta
impedância de entrada, faz com que pouca corrente seja drenada do sinal de entrada. O
seguidor de tensão é muito útil pois com o seu uso é possível isolar os circuitos de entrada
e de carga, garantindo proteção da fonte geradora e qualidade do sinal transmitido, já que
a carga não irá extrair corrente do sinal, impossibilitando assim uma possível queima ou
distorção desse sinal. A figura 1 ilustra o circuito de um seguido de tensão.
Figura 1 – Circuito seguidor de tensão.
2.2 Filtro passa baixas Salen-key
O filtro passa baixas com a topologia Sallen-Key permite o cálculo dos componentes
de forma simplificada, sua resposta é menos sensível às variações dos valores de compo-
nentes quando o ganho é unitário, porém a resposta em frequência é mais dependente
Capítulo 2. Desenvolvimento 6
do amplificador operacional utilizado. A figura 2 representa um filtro passa baixas de
topologia salley-key de segunda ordem que utiliza o amplificado operacional 741.
Figura 2 – Circuito filtro passa baixas - Salen-Key.
2.3 Filtro passa baixas Multiple-Feedback
A topologia Multiple-Feedback tem uma resposta em alta frequência superior,e o
cálculo dos componentes não permite muitas simplificações, mas a robustez à variação dos
valores dos componentes é superior à possível de ser obtida com a topologia Salley-key
(JR, 2015) .
Figura 3 – Circuito filtro passa baixas - Multiple Feedback.
7
3 Ensaios
3.1 Materiais
Os itens usados nas práticas para implementação dos filtros são os componentes
comerciais dos filtro e equipamentos de medição descritos a seguir
• Osciloscópio;
• Pontas de prova e cabos de conexão;
• Multímetro;
• Gerador de sinais;
• Duas fontes DC de pelo menos 15V;
• 4 x Amp. Op. KF351;
• 4 x 33KOhms, 20%, Resistor;
• 4 x 47KOhms, 20%, Resistor;
• 4 x 10nF, 20%, Capacitor;
• 4 x 1,5nF, 20%, Capacitor;
• 4 x 2,2KOhms,20%, Resistor;
• 4 x 22KOhms, 20%, Resistor.
3.2 Métodos
3.2.1 Circuito seguidor de tensão
O circuito foi montado como mostra a Figura 1, exceto pelo resistor na saída que
não se faz necessário no circuito implementado, visto que a única medição a ser feita é a
de tensão.
Colocou-se o Amp.Op. no centro da protoboard, ligou-se o pino negativo ao pino
de saída e alimentou-se o Amp.Op. com a fonte simétrica. Logo em seguida aplicou-se a
tensão de entrada no pino positivo com o gerador de sinais ajustado para 1V de amplitude
Capítulo 3. Ensaios 8
2V Pico a Pico e observou-se na saída o sinal gerado no osciloscópio, assim como o sinal
de entrada criado pelo gerador de sinais.
O sinal do gerador foi variado de 0.02 a 1MHz para verificar a resposta em frequência
do Amp.Op. Os resultados são apresentados na seção seguinte.
3.2.2 Filtro passa baixas Salen-key
Inicialmente posicionou-se os dois Amp.Op’s na protoboard para em seguida
organizar os componentes ao redor dos mesmos. A ligação foi realizada exatamente como
mostrado na Figura 2. O sinal aplicado foi um sinal de excitação senoidal de 0.1V Pico a
Pico e o sinal foi coletado na saída do segundo Amp.Op. através do osciloscópio.
Para realizar as medidas dos valores de amplitude foi selecionado o referido tipo de
medição no osciloscópio. As medidas foram anotadas para algumas variações de frequência
como solicitado pelo professor varrendo de 1 até 5kHz. Com no mínimo 10 medições.
3.2.3 Filtro passa baixas Multiple-Feedback
Para a configuração multiple-feedback montou-se o circuito usando dois Amp.Op’s
KF 351 comomostra a figura 3. Na entrada do circuito foi colocado um sinal de excitação
de amplitude 0.1V e para a alimentação dos amplificadores usou-se uma fonte simétrica
de +15V e -15V com limitação de 200mA. Conectou-se o sinal de excitação na entrada
variando-o de 1 a 5kHz, fazendo-se a medição da saída e entrada com o osciloscópio pode-se
analisar o comportamento da Amplitude X Frequência. A figura 4 mostra os circuitos do
filtro passa baixa nas duas topologias.
Capítulo 3. Ensaios 9
Figura 4 – Circuito filtro passa baixas - Salen-Key e Multiple Feedback.
10
4 Resultados Analíticos e Discussão
A seguir serão apresentados os resultados medidos em simulação e produzidos no
circuito final montado no software Altium como proposto pelo professor.
4.1 Simulação
4.1.1 Circuito seguidor de tensão
Figura 5 – Transiente do circuito buffer com o KF351.
Como pode ser visto na Figura 5 na entrada do circuito foi aplicada uma tensão
de 1V de amplitude, correspondendo a 2V de Pico a Pico. Em vermelho nomeada de
netampop_2 tem-se a entrada do circuito buffer, e em azul nomeada netampop_3 tem-se
a saída do circuito. Analisando as duas formas de onda, é possível observar que a mesma
tensão aplicada na entrada, é encontrada na saída tanto em amplitude como em fase.
Apesar de que a simulação foi feita para uma tensão de 1V de amplitude, qualquer tensão
menor que 15V que é o limite de alimentação do Amp.Op. poderia ser seguida pelo mesmo.
Portanto o circuito comporta-se como mostra a teoria (JR, 2015), devido a sua
altíssima impedância de entrada e baixíssima impedância de saída, ele consegue igualar as
entradas de tensão. Visto que uma das entrada é o mesmo ramo da saída a tensão nessa é
Capítulo 4. Resultados Analíticos e Discussão 11
a própria tensão de entrada com a vantagem de que o circuito agora estão desacoplado
(isolado) pelo Amp.Op.
Figura 6 – FFT do circuito buffer.
A Figura 6 apresenta a transformada de Fourier do sinal de entrada e também
do sinal de saída do Circuito Buffer ou Seguidor de Tensão. Em vermelho tem-se a
transformada da saída do circuito e em azul tem-se a transformada da entrada do circuito.
Basta observar atentamente para compreender que a única componente de frequência nos
dois sinais é o mesmo pois o sinal é o mesmo. Visto que eles foram acoplados pelo Amp.Op.
a componente fundamental é uma senoide de frequência 1KHz que é observada na Figura,
tanto no gráfico de entrada como no de saída.
Figura 7 – Análise de Amplitude x Frequência.
Na Figura 7 é possível observar o comportamento do Amp.Op. como um filtro
passa baixas com uma frequência de corte de aproximadamente 1.2MHz.
Capítulo 4. Resultados Analíticos e Discussão 12
4.1.2 Filtro passa baixas Salen-key
Figura 8 – Transiente do filtro Salen-key. Saída em vermelho e entrada em azul.
Agora analisando a apresentação do transiente do filtro passa baixas de ordem 4
topologia Salen-Key pode-se ver que como proposto no início do documento o circuito
possui uma resposta coerente. Antes de explicar o gráfico será revisado o que era esperado
do filtro.
No Filter Pró ele foi projetado para ter um ganho de 100 vezes ou 40dB na
frequência de 1KHz. Para isso a ordem predefinida foi a ordem 4 e a topologia Salen-key.
O gráfico da Figura 8 mostra em vermelho a saída do filtro nomeada como netampop2_6
que compõe o nó de saída do segundo Amp.Op. E em azul é possível visualizar o sinal de
entrada net1_r1. O sinal de entrada é de 0.1V de amplitude, logo o que era esperado na
saída foi de fato o sinal obtido que teve sua fase invertida e a amplitude multiplicada por
um fator de 100.
Na Figura 9 a FFT do filtro é mostrada para o sinal de entrada e para o sinal de
saída do filtro, novamente, como a entrada e saída estão representando o mesmo sinal na
frequência de corte que é 1KHz a única componente que é visível é a própria frequência de
excitação do circuito que é 1KHz. Isso vale tanto para a entrada como para saída pois
o filtro não altera a frequência do sinal, e sim atenua ou amplifica sinais recebidos em
determinada faixa de frequências.
A última Figura dessa seção 10 apresenta a análise de Amplitude x Frequência.
O gráfico descreve o filtro de uma forma muito visual, o que permite distinguir as
características do filtro para entender em que momento podemos, aplicar esse filtro.
Capítulo 4. Resultados Analíticos e Discussão 13
Figura 9 – FFT do filtro Salen-Key. Entrada em vermelho e saída em azul
Figura 10 – Gráfico da Amplitude x Frequência para o filtro Salen-key.
O filtro em questão é um filtro Butterworth que tem a característica de manter a
tensão bem fixa em baixas frequências para um filtro passa baixas. O gráfico mostra o
quão bom é o filtro para manter essa constância.
Em 1KHz é possível verificar que a amplitude (ganho) está exatamente em 100x.
O que corresponde a 100dB. Em baixas frequências o filtro responde muito bem. dando
um ganho de aproximadamente 125 ou 41.67dB. Acima de 5KHz o filtro corta quase tudo
resultado de uma atenuação de Logo está claro a funcionalidade do filtro e recomenda
se aplicações onde busca-se baixo preço pela simplicidade dos componentes e uma saída
relativamente estável em baixas e altas frequências.
Capítulo 4. Resultados Analíticos e Discussão 14
4.1.3 Filtro passa baixas Multiple Feedback
Como dito anteriormente, o FPB foi montado nas duas topologias contudo, estas
não devem interferir nas respostas transitórias o que de fato aconteceu observe na figura
11 (b) que a saída se mantém exatamente igual na topologia Salen - Key. A topologia
Multiple Feedback tem a característica de alterar o gráfico de fase do filtro, o que será
mais estudado a frente.
Figura 11 – Transiente do filtro Multiple Feedback. (a)Entrada em vermelho. (b) Saída em azul.
A figura 12 mostra a FFT do filtro medidos na entrada e saída, como era esperado
o pico se encontra na frequência fundamental de 1KHz que foi definida anteriormente.
Como o filtro em análise se trata de um Butterworth, acima de sua frequência
de corte (1KHz) ele atenuou a maplitude do sinal de entrada para um filtro real ele se
comportou muito bem, como pode ser visto na figura 13.
4.2 Implementação prática
O resultado do circuito prático do Buffer teve o mesmo comportamento observado
no circuito implementado no Altium. Os demais resultados obtidos pela implementação
prática dos circuito salen-key e multiple feedback foram entregues ao professor, pois foram
confeccionados à mão como requerido. Vale ressaltar que os valores podem dar um pouco
diferente por causa da mudança de temperatura e erro percentual de 20% resistência ou
capacitância na maioria dos componentes. E também a precisão do aparelhos de medição.
Capítulo 4. Resultados Analíticos e Discussão 15
Figura 12 – FFT do filtro Multiple Feedback. (a)Entrada em vermelho. (b) Saída em azul.
Figura 13 – Gráfico da Amplitude(V) x Frequência (Hz) para o filtro Multiple Feedback.
Além disso a medição foi feita mais de uma vez resultando também nos seguintes gráficos
mostrados nas Figuras 14 e 15
Capítulo 4. Resultados Analíticos e Discussão 16
100 101 102 103 104
Frequência [Hz]
0
2
4
6
8
10
12
14
A
m
p
lit
u
d
e
 [
V
]
Amplitude x Frequência - Salen-Key
Figura 14 – Mostra o gráfico obtido na prática.
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
Frequência [Hz]
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
m
p
lit
u
d
e
 [
V
]
Amplitude x Frequência Multilple-Feedback
Figura 15 – Mostra o gráfico obtido na prática.
17
5 Conclusão
Com a realização do experimento foi possível analisar o comportamento dos circuitos
e, a partir dos resultados obtidos, comprovaram-se as teorias estudadas em sala (JR,
2015).Em virtude dessas análises e dos resultados obtidos, é notória a importância de tais
circuitos para o estudo de filtros e tratamento de sinais, bem como para a engenharia
elétrica em si.
18
Referências
JR, A. P. Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos-8. [S.l.]: Bookman Editora, 2015. 6,
10, 17
MALVINO, A. P.; BATES, D. J. Eletrônica. [S.l.]: AMGH, 2011. 4Folha de rosto
	Lista de ilustrações
	Sumário
	Introdução
	Introdução
	Desenvolvimento
	Circuito seguidor de tensão
	Filtro passa baixas Salen-key
	Filtro passa baixas Multiple-Feedback
	Ensaios
	Materiais
	Métodos
	Circuito seguidor de tensão
	Filtro passa baixas Salen-key
	Filtro passa baixas Multiple-Feedback
	Resultados Analíticos e Discussão
	Simulação
	Circuito seguidor de tensão
	Filtro passa baixas Salen-key
	Filtro passa baixas Multiple Feedback
	Implementação prática
	Conclusão
	Referências