Nos tutoriais anteriores, discutimos dois dos componentes mais importantes de um sistema de áudio: microfones e alto-falantes.
Como visão geral, um sistema de áudio é projetado para:
- Receba sinais de áudio, normalmente através de um microfone
- Grave áudio em um dispositivo de armazenamento, como um arquivo de computador
- Transmita áudio, através de canais de comunicação com ou sem fio
- Reproduza sinais de áudio através de alto-falantes
Os circuitos de áudio realizam o processamento de sinais, essencialmente transformando ondas sonoras em sinais elétricos, que podem ser posteriormente alterados por meio de amplificação, filtragem ou mixagem. Esses sinais também podem ser armazenados e reproduzidos.
Um sistema de áudio
Os filtros de áudio são uma parte deste sistema, funcionando como amplificadores ou circuitos passivos com respostas de frequência distintas. Assim como microfones e alto-falantes, esses filtros são uma parte importante dos componentes básicos de um sistema de áudio. Eles podem amplificar ou atenuar uma faixa de frequências da entrada de áudio.
Porém, esses filtros são distintos de um simples amplificador de áudio ou fonte de entrada, que não possui funcionamento dependente de frequência. Aumenta o sinal de áudio de entrada completo, independentemente da sua frequência. Porém, um filtro de áudio é um amplificador dependente de frequência que funciona na faixa de 0 Hz a além de 20 kHz. Amplificando ou atenuando especificamente uma faixa de frequências no sinal de áudio, é possível melhorar o tom de entrada de áudio.
Um crossover de áudio e um equalizador são tipos de filtros de áudio. O crossover de áudio é um filtro eletrônico usado para dividir o sinal de áudio de entrada em diferentes faixas de frequência, que são então enviadas para diferentes drivers (como alto-falantes tweeter, mid-range e woofer). O equalizador de áudio é um filtro eletrônico utilizado para amplificar o sinal de áudio, de acordo com uma função dependente da frequência. A saída de um equalizador possui diferentes níveis amplificados para diferentes frequências.
O crossover e o equalizador desempenham um papel importante nos dispositivos de áudio. A seguir, discutiremos os tipos de filtros disponíveis e seus recursos.
Tipos de filtros
Filtros de áudio são circuitos eletrônicos projetados para amplificar ou atenuar uma determinada faixa de componentes de frequência. Eles servem como um tipo único de amplificador ou circuito passivo com saídas dependentes de frequência. Essencialmente, ajudam a eliminar qualquer ruído indesejado de um sinal de áudio, melhorando o tom da saída.
Esses filtros desempenham um papel importante nas telecomunicações e na eletrônica de áudio e podem ser classificados com base em seu design, resposta de frequência ou ambos.
Projeto
Os filtros de áudio classificados com base em seu design são arquivadores passivos ou ativos. Um dispositivo eletrônico que necessita de fonte de alimentação para seu funcionamento é um componente ativo, e aquele que não necessita é um componente passivo.
Filtros ativos – requerem uma fonte de energia e são projetados usando componentes ativos, como transistores ou amplificadores operacionais (amplificadores operacionais). Os transistores ou amplificadores operacionais requerem uma fonte de alimentação DC para sua polarização. Ao utilizar componentes ativos, não há necessidade de usar indutância para construir o filtro, o que reduz o tamanho e o custo do circuito e melhora a eficiência do filtro.
Filtros passivos – não requerem fonte de energia para operar, esses filtros são projetados usando componentes passivos, como resistores, capacitores ou indutâncias. A impedância dos capacitores e indutâncias depende da frequência, portanto o filtro pode ser projetado usando combinações resistor-capacitor, resistor-indutância ou resistor-capacitor-indutor.
Resposta de frequência
Os filtros de áudio também podem ser classificados com base em sua resposta de frequência, que se refere à faixa de frequências que são amplificadas ou que podem passar por um filtro (a banda passante). A banda passante é a região na curva de frequência de um filtro onde a tensão ou potência do circuito está no máximo.
Dependendo da banda de frequência, existem vários tipos de filtros, incluindo passa-alta, passa-baixa, passa-banda, parada de banda, entalhe, passa-tudo e equalização.
Vamos revisar cada um…
Filtro passa-alta (HPF) – passa sinais com uma frequência superior à frequência de corte e bloqueia todos os sinais inferiores à frequência de corte. A frequência de corte ocorre quando a tensão ou amplitude do sinal cai para 0,707 ou 3 dB da tensão da banda passante. Neste ponto, a potência do circuito começa a cair.
A curva de frequência típica de um filtro passa-alta.
Como pode ser observado neste gráfico, os sinais de baixa frequência não são completamente atenuados na frequência de corte. Mas as frequências que rompem o filtro passa-alta têm muito pouco ganho. Tecnicamente, há uma “frequência de roll-off” no corte.
Filtro passa-baixa – passa sinais com uma frequência inferior ao corte e bloqueia as frequências superiores a ele.
A resposta de frequência de um filtro passa-baixa.
Como pode ser observado neste gráfico, os sinais de alta frequência não são completamente atenuados na frequência de corte. As frequências que rompem o filtro passa-baixa têm pouco ganho.
Filtro passa-faixa – apenas passa frequências dentro de uma determinada faixa de corte e rejeita aquelas que estão fora da faixa. Possui duas frequências de corte: o corte inferior e o superior. A frequência central e a largura de banda deste filtro determinam as frequências de corte inferior e superior.
A resposta de frequência de um filtro de parada de banda.
Filtro de parada de banda – passa todas as frequências, exceto uma faixa específica. Isso significa que ele passa todas as frequências do sinal abaixo do corte inferior e acima do corte superior – mas não as frequências entre o corte inferior e superior. As frequências de corte mais altas e mais baixas são desvios da frequência central para os quais o ganho do circuito do filtro é idealmente zero (praticamente mínimo).
Filtro de entalhe – um filtro bandstop com uma banda stop extremamente estreita. Como resultado, esses filtros oferecem um fator de alta qualidade.
Filtro passa-tudo – passa todas as frequências iguais em ganho, mas modifica a relação de fase entre elas. A saída das faixas de frequência também exibe diferenças de fase entre elas.
A resposta de frequência com mudança de fase de um filtro passa-tudo.
Filtro equalizador – nunca atenua ou passa completamente uma faixa específica de frequências, mas amplifica frequências com base em uma função dependente de frequência.
Design + resposta de frequência
Os filtros também podem ser classificados com base em ambos seu design e resposta de frequência. Isso inclui filtros passa-alto passivo ou ativo, passa-baixo passivo ou ativo, passa-banda passivo ou ativo e filtros de parada de banda passivos ou ativos.
Filtro passa-alta passivo – bloqueia sinais de frequência mais baixa enquanto permite sinais de frequência mais alta. Este tipo de filtro é normalmente usado para direcionar os elementos de alta frequência de um sinal de áudio para um tweeter e geralmente é projetado usando uma rede resistor-capacitor (RC) – um circuito elétrico composto de resistores e capacitores.
O passa-alto passivo não tem limitação de largura de banda e pode ser projetado selecionando os valores do resistor e do capacitor. Como filtro passivo, não requer fonte de alimentação para polarização CC, portanto possui poucos componentes. Oferece uma saída de alta corrente, mas não é capaz de amplificar sinais de áudio.
Embora um indutor possa ser usado como parte do projeto do filtro, eles são caros e volumosos.
Um circuito simples de um filtro passa-alta passivo.
Para esta rede RC, a frequência de corte está relacionada ao resistor e ao capacitor da seguinte forma:
fh = 1/ (2πRC)
Ao definir o valor do resistor e do capacitor e a frequência de corte preferida, é possível projetar um filtro passa-alta. No circuito acima, a frequência de corte é de cerca de 160 Hz. Um filtro passa-alta passará todas as frequências superiores a 160 Hz e atenuará as frequências inferiores.
Filtro passa-alta ativo – pode ser projetado usando transistores ou amplificadores operacionais. O filtro no diagrama de circuito usa amplificador operacional na saída da rede RC, tornando-o um filtro ativo. Um amplificador operacional é um circuito integrado que pode amplificar sinais elétricos fracos. Possui duas entradas de alta impedância. Assim, enquanto a rede RC bloqueia quaisquer elementos de baixa frequência, o amplificador operacional amplifica uma faixa de frequência permitida.
Neste caso, a rede RC está conectada ao pino de entrada não inversora do amplificador operacional, portanto sua saída não é invertida. Quando conectado ao pino inversor do amplificador operacional, o sinal de áudio de saída é desfasado em 180 graus do sinal de áudio de entrada.
Um circuito simples de um filtro passa-alta ativo.
O filtro passa-alta ativo possui um ganho alto e não unitário, o que significa que o sinal de áudio de saída é livre de ruído e bem amplificado. Também não tem efeito de carregamento. O amplificador operacional tem uma impedância de entrada alta e uma impedância de saída baixa, portanto, carregar na fonte também não é um problema. No entanto, por causa do amplificador operacional, o circuito do filtro terá limitações de largura de banda.
Normalmente, esses filtros são pequenos e compactos. No entanto, um projeto de filtro ativo envolve mais componentes que requerem uma fonte CC para sua polarização e necessitará de uma fonte de alimentação externa para operar.
Filtro passa-baixo passivo – o sinal de entrada passa por um resistor (em vez de um capacitor, como acontece com um filtro passa-alta). O capacitor está conectado entre o resistor e o terra.
No entanto, filtros passa-baixo passivos podem ter designs diferentes usando:
- Uma rede RC ou resistor-indutor (RL) para um filtro de primeira ordem
- Uma rede resistor-indutor-capacitor (RLC) para um filtro de segunda ordem
- Combinação de vários filtros de primeira ordem em uma série para um sinal de áudio mais preciso e de alta ordem
Assim, por exemplo, um filtro de primeira ordem possui um capacitor ou um indutor, o que afeta a resposta de frequência do filtro. Considerando que um filtro de segunda ordem possui duas seções de filtro RC – como dois capacitores ou dois indutores – que afetam sua resposta de frequência.
Um circuito de um filtro passa-baixa passivo de primeira ordem.
O filtro passa-baixo passivo permite a passagem de todas as frequências inferiores à frequência de corte, mas atenua as superiores ao corte. Esses filtros não têm limitação de largura de banda e não requerem fonte de energia para funcionar. Eles normalmente são usados para direcionar elementos de baixa frequência de um sinal de áudio para um woofer.
Filtro passa-baixa ativo – usa um amplificador operacional ou um amplificador de transistor em sua saída e antes do uso de filtros passivos RC, RL, RLC ou de múltipla ordem passa-baixa. Um amplificador operacional amplifica os elementos de baixa frequência antes de entregar o som a um amplificador de potência ou alto-falantes.
O ganho fornecido através do amplificador operacional é a principal vantagem deste filtro – além de reduzir qualquer ruído ou distorções de alta frequência. Mas tem limitações de largura de banda e requer uma fonte DC para polarizar os amplificadores ou o circuito do transistor.
Filtro passa-banda passivo – projetado combinando um filtro passa-baixa e passa-alta e geralmente projetado usando uma rede RLC.
Um circuito de um filtro passa-banda passivo de primeira ordem.
Neste circuito, um filtro passa-alta é conectado em série com um filtro passa-baixa.
Observação:
- A frequência de corte do filtro passa-alta é a frequência de corte mais baixa do filtro passa-banda
- A frequência de corte do filtro passa-baixa é a frequência de corte mais alta do filtro passa-banda
- Assim, apenas as frequências entre essas duas frequências de corte podem passar na saída do filtro
Esses filtros são normalmente usados para direcionar uma faixa específica de frequências para drivers de médio alcance. Como existem vários componentes em sua construção, esses filtros são grandes e pesados.
Filtro passa-banda ativo – tem um amplificador operacional ou transistor conectado antes de sua saída e depois do circuito passa-faixa passivo. O amplificador operacional amplifica a banda de frequências permitida e sua largura de banda deve corresponder à do filtro passa-faixa.
Um circuito de um filtro passa-banda passivo de primeira ordem.
Filtro passivo de parada de banda – atenua uma faixa de frequências, permitindo a passagem tanto daquelas mais baixas quanto mais altas que suas duas frequências de corte. Um filtro passivo de parada de banda de primeira ordem geralmente é projetado usando uma rede RLC, onde o sinal de entrada passa primeiro por um resistor. A rede LC está conectada entre o resistor e o terra.
Este circuito combina o dos filtros passa-alta e passa-baixa.
Observação:
- A frequência de corte do filtro passa-alta é a frequência de corte mais alta do filtro de parada de banda
- A frequência de corte do filtro passa-baixa é a frequência de corte inferior do filtro de parada de banda
- Assim, apenas as frequências que excluem aquelas que estão entre as frequências de corte dos filtros passa-alta e passa-baixa podem passar na saída
Esses filtros também são chamados de filtros de rejeição de banda, eliminação de banda e entalhe T.
Filtros de parada de banda ativos – tem um amplificador operacional ou transistor na saída, que amplifica os sinais de frequência permitidos antes de serem entregues a um amplificador de potência ou driver de áudio. Este amplificador operacional deve ter uma largura de banda que corresponda à curva de frequência desejada do filtro de parada de banda.
Termos
Aqui estão alguns termos que são frequentemente usados em relação a filtros de áudio.
Largura de banda: a faixa de frequências permitidas passar pelo filtro ou a diferença nas frequências de corte superiores e inferiores. Às vezes chamada de largura de banda de banda passante, a largura de banda determina a resposta de frequência do filtro dentro da faixa de frequências definida.
A largura de banda de um filtro de áudio com base em sua curva de frequência.
Fator de qualidade (fator Q): as perdas no circuito ressonador. A relação entre a energia armazenada no ressonador e a energia fornecida por ciclo para manter a amplitude constante de um sinal. Quanto maior o Q significa menos perdas e vice-versa.
Q = (Energia armazenada / Energia perdida por ciclo)
Em termos de largura de banda, o Q é determinado usando esta equação:
Q = (fc/ PN)
Onde…
fc = frequência ressonante
BW = largura de banda ou largura de ressonância
O fator Q pode ser determinado usando a curva de frequência do filtro de áudio…
O fator Q de um filtro de áudio a partir de sua curva de frequência.
