Filtro (elettronica)
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Un filtro elettronico è un dispositivo che realizza delle funzioni di trasformazione dei segnali. In particolare la sua funzione può essere quella di filtrare determinate bande di frequenza lasciando passare le frequenze più alte o più basse di un valore determinato, o quelle comprese in un intervallo prestabilito.
La funzione di trasferimento di un filtro può essere rappresentata con un diagramma di Bode.
I filtri elettronici possono essere:
- Passivi o attivi
- Analogici o digitali
- A tempo discreto (campionato) o a tempo continuo
- Lineari o non lineari
I tipi più comuni di filtri elettronici sono lineari, indipendentemente da altri aspetti del loro progetto. Molti filtri sono anche dei sistemi risonanti.
Ogni dispositivo reale funge per sua natura da filtro.
Indice |
[modifica] Storia
Le forme più tradizionali di filtri elettronici sono quelle di filtri passivi, analogici e lineari, costruiti usando solo resistori e capacitori o resistori e induttori. Sono noti rispettivamente come filtri RC e RL a singolo polo.
Sono esistiti per molti anni anche filtri multipolari LC, più complessi, e la loro descrizione è ben nota nella letteratura tecnica.
Con la nascita del trattamento digitale dei segnali, sono diventati comuni i filtri attivi digitali.
[modifica] Classificazione per tecnologia
[modifica] Filtri passivi
[modifica] A polo singolo
La realizzazione più semplice di un filtro lineare è basata sulla combinazione di resistori, capacitori e induttori. Questi filtri sono i cosiddetti circuiti RC, RL, LC e RLC. Nel loro complesso sono chiamati "filtri passivi", perché il loro funzionamento non dipende da una fonte di alimentazione esterna.
Gli induttori bloccano i segnali ad alta frequenza e conducono quelli a bassa frequenza, mentre i capacitori si comportano al contrario.
Un filtro in cui il segnale passa attraverso un induttore, o nel quale un capacitore fornisce un percorso verso terra, presenta quindi minore attenuazione ai segnali a bassa frequenza che a quelli ad alta frequenza ed è un filtro passa-basso.
Se il segnale passa attraverso un capacitore, o ha un percorso a terra attraverso un induttore, allora il filtro presenta un'attenuazione minore per i segnali ad alta frequenza che per quelli a bassa frequenza, ed è un filtro passa-alto.
I resistori da parte loro non hanno la proprietà di selezionare le frequenze, ma sono aggiunti a capacitori e induttori per determinare le costanti di tempo del circuito, e quindi le frequenze a cui essi rispondono.
A frequenze molto alte (maggiori di circa 100 megahertz), a volte gli induttori sono semplicemente fatti da un singolo anello o da una striscia di lamina metallica, e i capacitori da strisce metalliche adiacenti.
[modifica] Multipolari
I filtri di secondo ordine sono misurati con il loro fattore di qualità o fattore Q Si dice che un filtro ha un Q alto, se seleziona o inibisce un intervallo di frequenze stretto, relativamente alla sua frequenza centrale.
[modifica] Filtri attivi
I filtri attivi sono realizzati utilizzando una combinazione di componenti (amplificatori) passivi ed attivi. Gli amplificatori operazionali sono frequentemente utilizzati nel progetto dei filtri attivi. Possono avere Q elevati e raggiungere la risonanza senza utilizzo di induttori. La loro frequenza superiore è però limitata dalla larghezza di banda degli amplificatori utiizzati.
[modifica] Filtri digitali
Il trattamento digitale dei segnali permette la realizzazione economica di una grande varietà di filtri.
Il segnale in ingresso viene campionato e un convertitore analogico digitale lo converte in un flusso numerico. Un programma residente su un processore ( CPU o DSP ) o, meno frequentemente, un hardware che implementa un algoritmo, calcola un flusso numerico in uscita. Quest'ultimo viene poi ritrasformtato in un segnale analogico da un convertitore digitale analogico. I problemi di rumore risultante dalle conversioni possono essere controllati e limitati per molti filtri.
A causa del campionamento, il segnale di ingresso deve essere di frequenza massima limitata, o si produce il fenomeno dell'aliasing.
[modifica] Filtri al quarzo e piezoelettrici
Nei tardi anni '30, alcuni ingegneri realizzarono che piccoli sistemi meccanici formati da materiali rigidi come il quarzo vanno acusticamente in risonanza alle frequenze radio, cioè dalle frequenze udibili ( suono ) fino a diverse centinaia di megahertz.
Alcuni dei primi risonatori erano fatti di acciaio, ma si preferì presto il quarzo. Il vantaggio maggiore del quarzo è il fatto di essere piezoelettrico. Questo significa che i risuonatori di quarzo possono convertire direttamente il loro moto meccanico in segnali elettrici. Il quarzo ha inoltre un coefficiente di espansione termica molto basso, il che significa che può produrre frequenze stabili su un ampio campo di temperature.
I filtri a oscillatori di cristallo hanno fattori di qualità molto superiori ai filtri LCR. Quando sono richieste stabilità superiori, i cristalli e i circuiti a loro associati possono essere montati in modo da potere controllare la loro temperatura. Per filtri con banda passante molto stretta, più cristalli sono fatti funzionare in serie.
[modifica] Classificazione per funzione di trasferimento
[modifica] Classi generiche
- Filtro passa-basso: Trasmette in una banda di frequenza che va da zero a una frequenza di taglio f; le componenti con frequenza più alta sono attenuate.
- Filtro passa-alto: Trasmette in una banda estesa da una frequenza di taglio f alla più alta frequenza da trasmettere; le componenti con frequenza più bassa di quella di soglia sono attenuate.
- Filtro passa-banda: Trasmette in una banda compresa tra una frequenza di taglio inferiore e un'altra superiore le componenti con frequenza esterna alla banda passante sono attenuate.
- Filtro escludi-banda
Anche detto notch, è un filtro che taglia una banda ristretta di frequenza, inclusa in un certo intervallo delimitato da due valori. Un esempio è il filtro a doppio T
- Filtro passa-tutto
É un filtro ideale la cui banda va da 0Hz a infinito ed è usato per ottimizzare la risposta in fase di un sistema contentente filtri non compensati.
[modifica] Configurazioni particolari
- Filtro a doppio T
- Filtro Butterworth
- Filtro Chebyshev
- Filtro Bessel
- Filtro Ellittico
- Filtro Optimum "L"
- Filtro Gaussiano
- Filtro Hourglass
- Filtro Raised-cosine
[modifica] Applicazioni
Quasi tutte le apparecchiature elettroniche utilizzano dei filtri per scopi diversi. Nelle radiocomunicazioni i filtri passa banda nei ricevitori migliorano la ricezione limitando l'amplificazione ai soli segnali desiderati.
La larghezza di banda dei filtri adoperati nei sistemi di comunicazione varia, secondo le applicazioni, da meno di 1 Hertz a molti megaherz. Il filtro passa basso, applicato all'uscita dei raddrizzatori di alimentazione dei circuiti elettronici, elimina le componenti alternate della componente continua.
L'azione selettiva dei filtri viene anche ampiamente utilizzata per suddividere l'uscita degli amplificatori audio in più bande rivolte a sistemi di altoparlanti differenziati in frequenza di risposta.
[modifica] Collegamenti esterni
- Zverev, Anatol, I. Handbook of Filter Synthesis. John Wiley & Sons, 1969. ISBN 0-47-198680-1. Catalogo di filtri passivi.
- Williams, Arthur B & Taylor, Fred J. Electronic Filter Design Handbook. McGraw-Hill, 1995. ISBN 0-07-070441-4.
- National Semiconductor AN-779 Teoria dei filtri analogici
- Fundamentals of Electrical Engineering and Electronics - Spiegazione dettagliata di tutti i tipi di filtri
