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FILTROS ATIVOS CAPÍTULO IV - AO-I Prof. Almir Bernardo FURB/DEET IV-1 OITAVAS E DÉCADAS O significado da oitava fo 2fo 4fo 8fo O significado da fração da oitava fo 2fof 1/2 oitava: f k = fo f k = 2fo f = 2f k o f k = 2f k o o k = 2f f 2 o o k = 2 1 414, Exemplo: fo = 1.000Hz f = 1.000 1,414 = 1.414Hz 2fo = 1.414 1,414 = 2.000Hz 1/3 oitava: fo f1 f2 2fo f k = fo 1 f k = f1 2 f = f k k = f k2 o o 2 f k = 2f2 o 2f = f k k = f ko o 2 o 3 k 23 k = 23 2 1 26 1 3 , Exemplo: fo = 1.000Hz f1 = 1.000 1,26 = 1.260Hz f2 = 1.260 1,26 = 1.587Hz 2fo = 1.587 1,26 = 2.000Hz Caso Geral: fo f1 f2 f3 f = 2f1 o f = 2f = 4f2 1 o FILTROS ATIVOS CAPÍTULO IV - AO-I Prof. Almir Bernardo FURB/DEET IV-2 f = 2f = 8f3 2 o f = 2f =16f4 3 o f = 2 f4 4 o f = 2 fn n o ...(eq. 4.1) 2n n o f f log2 log f f n n o nlog2 = log f f n o n = log f f log2 n o ...(eq. 4.2) onde: n = número de oitavas a partir de fo. Exemplo: Qual o número de oitavas entre 20Hz e 320Hz? n = log f f log2 log 320 20 log2 n o 4 oitavas Exemplo: Qual o número de oitavas entre 20Hz e 201,6Hz? n = log f f log2 log 201,6 20 log2 n o 3,33 oitavas Exemplo: Filtro passa-baixo de 1a. ordem (-6dB/oitava), fc = 20Hz. Qual o A(dB) em 226,3Hz, e a relação (Vo/Vi)? n = log f f log2 log 226,3 20 log2 n o 3,5 oitavas A(db) = -6dB 3,5 = - 21dB A(dB) = 20log V V o i 21 20 log V V o i V V o i 10 0 089 21 20 , V = 0,089Vo i Exemplo: Filtro passa-baixo de 1a. ordem (-6dB/oitava), fc = 30Hz. Qual a freqüência em haverá um ganho de -35dB? n = -35dB -6dB 5,83 oitavas f = 2 f = 2 Hzn n o 5,83 30 1706. O significado da década fo 10fo 100fo 1000fo FILTROS ATIVOS CAPÍTULO IV - AO-I Prof. Almir Bernardo FURB/DEET IV-3 O significado da fração de década fo f 10fo 1/2 década: f k = fo f k = 10fo f = 10f k o f k = 10f k o o k = 10f f 2 o o k = 10 3162, Exemplo: fo = 1.000Hz f = 1.000 3,162 = 3.162Hz 10fo = 3.162 3,162 = 10.000Hz 1/3 década: fo f1 f2 10fo f k = fo 1 f k = f1 2 f = f k k = f k2 o o 2 f k = 10f2 o 10f = f k k = f ko o 2 o 3 k 103 k = 103 10 2 154 1 3 , Exemplo: fo = 1.000Hz f1 = 1.000 2,154 = 2.154Hz f2 = 2.154 2,154 = 4.641Hz 10fo = 4.641 2,154 = 10.000Hz Caso Geral: fo f1 f2 f3 f = 10f1 o f = 10f = 100f2 1 o f = 10f = 1.000f3 2 o f = 10f = 10.000f4 3 o f = 10 f4 4 o f = 10 fn n o ...(eq. 4.3) 10n n o f f log10 log f f n n o FILTROS ATIVOS CAPÍTULO IV - AO-I Prof. Almir Bernardo FURB/DEET IV-4 nlog10 = log f f n o n = log f f n o ...(eq. 4.4) onde: n = número de décadas a partir de fo. Exemplo: Qual o número de décadas entre 20Hz e 2.000Hz? n = log f f log 2.000 20 n o 2 décadas Exemplo: Qual o número de décadas entre 20Hz e 36.000Hz? n = log f f log 36.000 20 n o 3,255 décadas Exemplo: Filtro passa-baixo de 2a. ordem (-40dB/década), fc = 20Hz. Qual o A(dB) em 10.000Hz, e a relação (Vo/Vi)? n = log f f log 10.000 20 n o 2,7 décadas A(db) = -40dB 2,7 = -108dB A(dB) = 20log V V o i 108 20 log V V o i V V o i 10 3 98 10 108 20 6, V = 3,98 10 Vo -6 i Exemplo: Filtro passa-baixo de 2a. ordem (-40dB/década), fc = 30Hz. Qual a freqüência em haverá um ganho de -55dB? n = -55dB -40dB 1,37 décadas f = 10 f = 10 Hzn n o 1,37 30 703 2, Exemplo: Dado o diagrama de Bode para freqüências por assíntotas mostrado na figura 4.1, calcular as freqüências de corte das seções passa -baixo e passa-alto, assim como os seus graus de atenuação em dB/décadas. Resolução da seção passa-alto: n = log f f log 800 200 n o 0,602 décadas dB = 70,004- 21,840 = 48,164dB1 0 602, dec 48,164dB 1dec XdB XdB = 1dec 48,164dB 0,602dec dB 80 -80dB/década, portanto um filtro de 4a. Ordem. 1dec 80dB Xdec 70,004dB Xdec = 1dec 70,004dB 80dB 0,875dec f = 10 f = 10 Hz = fn n o 0,875 c1 200 1500. FILTROS ATIVOS CAPÍTULO IV - AO-I Prof. Almir Bernardo FURB/DEET IV-5 A(dB) 200 800 10K f(Hz)-7,496 0 -21,840 -31,372 -70,004 fc1 fc2 25K Figura 4.1 Diagrama de Bode para o exemplo proposto. Resolução da seção passa-baixo: n = log f f log 25.000 10.000 n o 0,397 décadas dB = 31,372-7,496 = 23,876dB1 0 397, dec 23,876dB 1dec XdB XdB = 1dec 23,876dB 0,397dec dB 60 -60dB/década, portanto um filtro de 3a. Ordem. 1dec 60dB Xdec 31,372dB Xdec = 1dec 31,372dB 60dB 0,522dec f = 10 fn n o f = f 10 Hz = fo n n c2 25 000 10 7 500 0 522 . . , Exemplo: Dado o diagrama de Bode para freqüências por assíntotas mostrado na figura 4.2, calcular as freqüências de corte das seções passa-baixo e passa-alto, assim como os seus graus de atenuação em dB/décadas. Calcular também a freqüência de encontro (f), e o seu grau de atenuação G(dB). Resolução da seção passa-baixo: n = log f f log 1.000 400 n o 0,398 décadas dB = 41,938-18,062 = 23,876dB1 0 398, dec 23,876dB 1dec XdB XdB = 1dec 23,876dB 0,398dec dB 60 FILTROS ATIVOS CAPÍTULO IV - AO-I Prof. Almir Bernardo FURB/DEET IV-6 -60dB/década, portanto um filtro de 3a. Ordem. 1dec 60dB Xdec 41,938dB Xdec = 1dec 41,938dB 60dB 0,699dec f = 10 fn n o f = f 10 Hz = fo n n c1 1000 10 200 0 699 . , A(dB) 400 1K f 4K 10K f(Hz) 0 G(dB) fc1 fc2 -18,062 -28,627 -41,938 -52,504 Figura 4.2 Diagrama de Bode para o exemplo proposto. Resolução da seção passa-alto: n = log f f log 10.000 4.000 n o 0,398 décadas dB = 52,504-28,627 = 23,877dB1 0 398, dec 23,877dB 1dec XdB XdB = 1dec 23,877dB 0,398dec dB 60 -60dB/década, portanto um filtro de 3a. Ordem. 1dec 60dB Xdec 52,504dB Xdec = 1dec 52,504dB 60dB 0,875dec f = 10 f =10 Hz = fn n o 0,875 c2 4 000 30000. . Resolução da freqüência f: Da equação 4.3, onde f = 10 fn n o , faz-se: f = 10 fn1 c1 f = 10n1 200 f = 10 fc2 n2 30000 10. n2 f 30000 10 200. n2 n2 n1f = 10 10 30 000. = 10 200n1+n2 150 10 n1+n2 log log n1+n2 150 10 FILTROS ATIVOS CAPÍTULO IV - AO-I Prof. Almir Bernardo FURB/DEET IV-7 log n1+ n2 log150 10 n1+ n2 = log150 log10 2 176, G(dB) = n1 -60G(dB) = n2 -60 G(dB) = n1 -60 = n2 -60 n1= n2 = 2,176 2 1 088, G(dB) =1,088 -60 = -65,280dB f = 10 = 10 200 = 2.450Hzn1 1,088 200 Caso Geral: Dada a figura 4.3 A(dB) f f(Hz) 0 G(dB) fc1 fc2 -XdB/década -YdB/década Figura 4.3 Diagrama de Bode para análise de um caso genérico. f = 10 fn1 c1 f = 10 fc2 n2 f f = 10 10 fc2 n2 n2 n1 c1 10 f = 10 fc2 n1+n2 c1 f f c2 c1 n1+n2 10 log f f log c2 c1 n1+n2 10 log f f n1+ n2 log c2 c1 10 n1+ n2 = log f f c2 c1 ...(eq. 4.5) G(dB) = n1 -X G(dB) = n2 -Y n1 -X = n2 -Y FILTROS ATIVOS CAPÍTULO IV - AO-I Prof. Almir Bernardo FURB/DEET IV-8 n1 = Y X n2 ...(eq. 4.6) Substituindo-se a equação 4.6 em 4.5: Y X n2 + n2 = log f f c2 c1 n2 Y X log f f c2 c1 1 n2 = log f f Y X c2 c1 1 ...(eq. 4.7) FILTROS ATIVOS a Filtros Ativos de 1 a . Ordem a.1 Filtro Passa-Baixo de 1 a . Ordem Vi R C R Vo 1 Figura 4.4 Filtro passa-baixo de 1 a . Ordem. Análise: Equacionando-se o nó 1, e aplicando-se Laplace: V - V R V - 0 1 sC i o o V sC V sC V R i o o V R + 1 sC V sC o i V sRC +1 sC V sC o i V sRC +1 Vo i V = V sRC +1 o i ...(eq. 4.8) E a função de transferência: V V = 1 sRC +1 o i R = 0,1 V I MAX BE BMAX ...(eq. 4.9) Sabendo-se que: s = j = j2 f C = 1 2 f Rc ...(eq. 4.10) Exemplo: Projetar um filtro passa-baixo de 1a. ordem com fc = 1KHz. Utilizar o LM741. (ver o diagrama de Bode para fase e ganho na figura 4.5) FILTROS ATIVOS CAPÍTULO IV - AO-I Prof. Almir Bernardo FURB/DEET IV-9 R = 0,1 V I n MAX BE BMAX 0 1 0 7 500 140 000 , , . R=100K C = 1 2 f R 1K 100K F c 1 2 1 59 10 9, C=1,5nF Cálculo da freqüência de corte (f c) com os componentes comerciais: f = 1 RC 100K 1,5n Hzc 2 1 2 1061 . V V = 1 sRC +1 s 100K 1,5n +1 s 1,5 10 o i -4 1 1 1 A(dB) 0,1 0,2 1 5 10 fc fc (o) 0 -20 0 o -45 o -90 o Figura 4.5 Diagrama normalizado (fc) de Bode para Ganho (dB) e Fase ( o ) por assíntotas para filtros passa-baixo de 1 a . Ordem. a.2 Filtro Passa-Alto de 1 a . Ordem C Vi R R Vo Figura 4.6 Filtro passa-alto de 1 a . Ordem. Análise: Equacionando-se o nó 1, e aplicando-se Laplace: FILTROS ATIVOS CAPÍTULO IV - AO-I Prof. Almir Bernardo FURB/DEET IV-10 V - V 1 sC V - 0 R i o o V R - V R = V sC i o o V R + 1 sC V Ro i V sRC +1 sC V Ro i V = V sRC sRC +1 o i ...(eq. 4.11) E a função de transferência: V V = sRC sRC +1 o i R = 0,1 V I MAX BE BMAX ...(eq. 4.12) Sabendo-se que: s = j = j2 f C = 1 2 f Rc ...(eq. 4.13) Exemplo: Projetar um filtro passa-alto de 1a. ordem com fc = 1KHz. Utilizar o LM741. (ver o diagrama de Bode para fase e ganho na figura 4.7) A(dB) 0,1 0,2 1 5 10 fc fc (o) 0 -20 +90 o +45 o 0 o Figura 4.7 Diagrama normalizado (fc) de Bode para Ganho (dB) e Fase ( o ) por assíntotas para filtros passa-alto de 1 a . Ordem. R = 0,1 V I n MAX BE BMAX 0 1 0 7 500 140 000 , , . R=100K FILTROS ATIVOS CAPÍTULO IV - AO-I Prof. Almir Bernardo FURB/DEET IV-11 C = 1 2 f R 1K 100K F c 1 2 1 59 10 9, C=1,5nF Cálculo da freqüência de corte (f c) com os componentes comerciais: f = 1 RC 100K 1,5n Hzc 2 1 2 1061 . V V = sRC sRC +1 s 100K 1,5n s 100K 1,5n +1 s 1,5 10 s 1,5 10 o i -4 -4 1 a.3 Filtro Passa-Faixa de 1 a . Ordem O filtro passa-faixa de 1a. ordem é a combinação série de um filtro passa-baixo de 1a. ordem e de um filtro passa-alto também de 1a. ordem, já vistos anteriormente, como mostrado na figura 4.8. Vi C1 R1 R1 1 V R2 C2 R2 2 Vo Figura 4.8 Filtro passa-faixa de 1 a . ordem. As equações para os filtros passa-baixo e passa-alto de 1 a . ordem já foram desenvolvidas e agora são associadas e aproveitadas para a configuração passa-faixa de 1a. ordem, como segue: V = V sR C sR C +1 i 1 1 1 1 V = V sR C +1 o 2 2 Substituindo-se V em Vo: V = V sR C sR C +1 1 sR C +1 o i 1 1 1 1 2 2 V = V sR C s R R C C + s R C + R C o i 1 1 2 1 2 1 2 1 1 2 2 1 ...(eq. 4.14) A função de transferência: V V = sR C s R R C C + s R C + R C o i 1 1 2 1 2 1 2 1 1 2 2 1 R = 0,1 V I 1MAX BE BMAX ...(eq. 4.15) C = 1 2 f R 1 c1 1 ...(eq. 4.16) R = 0,1 V I 2MAX BE BMAX ...(eq. 4.17) FILTROS ATIVOS CAPÍTULO IV - AO-I Prof. Almir Bernardo FURB/DEET IV-12 C = 1 2 f R 2 c2 2 ...(eq. 4.18) Exemplo: Projetar um filtro passa-faixa de 1a. ordem com fc1 = 1KHz.e fc2 = 10KHz. Utilizar o LM741. (ver o diagrama de Bode para fase e ganho na figura 4.9) A(dB) A(dB) fc fc (o)(o) 0 -20 +90 +45 0 -45 -90 0,1 0,2 1 5 10 0,1 0,2 1 5 10fc1 fc2 Figura 4.9 Diagrama normalizado (fc) de Bode para Ganho (dB) e Fase ( o ) por assíntotas para filtros passa-faixa de 1 a . Ordem. R = R = 0,1 V I = 0,1 0,7 500n = 140.0001MAX 2MAX BE BMAX R = R =100K1 2 C = 1 2 f R = 1 2 K 100K = 1,59 10 F1 c1 1 -9 1 C = 1,5nF1 C = 1 2 f R = 1 2 K 100K = 1,59 10 F2 c2 2 -10 10 C = 150pF2 Cálculo das freqüências de corte (f c) com os componentes comerciais: f = 1 R C 100K 1,5n Hzc1 1 12 1 2 1061 . f = 1 R C 100K 150p Hzc2 2 22 1 2 10 610 . Funções de transferência: V = V sR C sR C +1 = V s 100K n s 100K 1,5n +1 = V s 1,5 10 s 1,5 10 i 1 1 1 1 i i -4 -4 15 1 , V = V sR C +1 = V s 100K 150p +1 = V s 1,5 10 o 2 2 -5 1 V V = sR C s R R C C + s R C + R C o i 1 1 2 1 2 1 2 1 1 2 2 1 FILTROS ATIVOS CAPÍTULO IV - AO-I Prof. Almir Bernardo FURB/DEET IV-13 V V = s 100K n s 100K 100K 1,5n 150p + s 100K 1,5n +100K p o i 2 15 150 1 , V V = s 1,5 10 s 2,25 10 + s o i -4 2 -9 1 65 10 14, Analisando-se a função de transferência na sua forma canônica: V V = s 6,67 10 s + s = F(s) = P(s) Q(s) o i 4 2 7 33 10 4 44 104 8, , Q(s) = s + s+2 n n22 n T= 2 f Onde fT é a freqüência na qual se obtém 0 o (zero graus) de fase emrelação a V i, e também onde se obtém a menor diferença do módulo da tensão A(dB). No exemplo em questão: f = 2 T n 2 ...(eq. 4.19) f = 2 = 3.354HzT 4 44 108, Resolvendo a relação Vo/Vi para esta freqüência: V V = 0,91 0 o i o A(dB) = 20log V V = 20log0,91= -0,81dB o i a.4 Filtro Rejeita-Faixa de 1 a . Ordem O filtro rejeita-faixa de 1a. ordem é a combinação paralelo de um filtro passa-baixo de 1a. ordem e de um filtro passa-alto também de 1a. ordem, já vistos anteriormente, como mostrado na figura 4.10. Vi R1 C1 R1 C2 R2 R2 V1 R3 V2 R4 Vo R5 R6 1 2 3 Figura 4.10 Filtro rejeita-faixa de 1 a . ordem. As equações para os filtros passa-baixo e passa-alto de 1a. ordem já foram desenvolvidas e agora são associadas e aproveitadas para a configuração rejeita-faixa de 1a. ordem, como segue: FILTROS ATIVOS CAPÍTULO IV - AO-I Prof. Almir Bernardo FURB/DEET IV-14 V1 = V sR C +1 i 1 1 ...(eq. 4.20) V2 = V sR C sR C +1 i 2 2 2 2 ...(eq. 4.21) Se R = R = R = R = R1 2 3 4 , então: V = V1+ V2 = V sR C +1 + V sR C sR C +1 = V sR C +1 + V sR C sR C +1 sR C +1 sR C +1 o i 1 1 i 2 2 2 2 i 2 2 i 2 2 1 1 1 1 2 2 V = V s R R C C + 2sR C +1 s R R C C + s R C + R C o i 2 1 2 1 2 2 2 2 1 2 1 2 1 1 2 2 1 ...(eq. 4.22) A função de transferência será então: V V = s R R C C + 2sR C +1 s R R C C + s R C + R C o i 2 1 2 1 2 2 2 2 1 2 1 2 1 1 2 2 1 R = 0,1 V I 1MAX BE BMAX ...(eq. 4.23) C = 1 2 f R 1 c1 1 ...(eq. 4.24) R = 0,1 V I 2MAX BE BMAX ...(eq. 4.25) C = 1 2 f R 2 c2 2 ...(eq. 4.26) Exemplo: Projetar um filtro rejeita-faixa de 1a. ordem com fc1 = 1KHz.e fc2 = 10KHz, para um Vi = 1V. Utilizar o LM741. (ver o diagrama de Bode para fase e ganho na figura 4.11). R = R = 0,1 V I = 0,1 0,7 500n = 140.0001MAX 2MAX BE BMAX R = R =100K1 2 C = 1 2 f R = 1 2 K 100K = 1,59 10 F1 c1 1 -9 1 C = 1,5nF1 C = 1 2 f R = 1 2 K 100K = 1,59 10 F2 c2 2 -10 10 C = 150pF2 R V 100 I i BMAX R 100 n 1 500 R 20.000 R = R = R = R = R = 18K1 2 3 4 Cálculo das freqüências de corte (f c) com os componentes comerciais: f = 1 R C 100K 1,5n Hzc1 1 12 1 2 1061 . f = 1 R C 100K 150p Hzc2 2 22 1 2 10 610 . FILTROS ATIVOS CAPÍTULO IV - AO-I Prof. Almir Bernardo FURB/DEET IV-15 Funções de transferência: V1= V sR C +1 = V s 100K 1,5n +1 V s 1,5 10 i 1 1 i i -4 1 V2 = V sR C sR C +1 = V s 100K 150p s 100K 150p +1 V s 1,5 10 s 1,5 10 i 2 2 2 2 i i -5 -5 1 V V = s R R C C + 2sR C +1 s R R C C + s R C + R C o i 2 1 2 1 2 2 2 2 1 2 1 2 1 1 2 2 1 V V = s 100K 100K 1,5n 150p + s 2 100K 150p +1 s 100K 100K 1,5n 150p + s 100K 1,5n +100K p o i 2 2 150 1 V V = s 2,25 10 + s 3 10 s 2,25 10 + s o i 2 -9 -5 2 -9 1 1 65 10 14, A(dB) 0,1 0,2 1 5 10 A(dB) 0,1 0,2 1 5 10fc1 fc2 fc fc (o) (o) fT -20 +90 +45 0 0 -45 -90 Figura 4.11 Diagrama normalizado (fc) de Bode para Ganho (dB) e Fase ( o ) por assíntotas para filtros rejeita-faixa de 1 a . Ordem. Analisando-se a função de transferência na sua forma canônica: V V = s s 1,33 10 s + s = F(s) = P(s) Q(s) o i 2 4 2 4 44 10 7 33 10 4 44 10 8 4 8 , , , Q(s) = s + s+2 n n22 n T= 2 f Onde fT é a freqüência na qual se obtém 0 o (zero graus) de fase em relação a V i, e também onde se obtém a maior diferença do módulo da tensão A(dB). No exemplo em questão: f = 2 = 2 = 3.354HzT n 2 4 44 108, FILTROS ATIVOS CAPÍTULO IV - AO-I Prof. Almir Bernardo FURB/DEET IV-16 Resolvendo a relação Vo/Vi para esta freqüência: V V = 0,181 0 o i o A(dB) = 20log V V = 20log0,181= -14,85dB o i
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