Cosa sono i filtri attivi e come funzionano

I filtri attivi sono circuiti elettronici analogici che combinano elementi passivi come resistori e condensatori con amplificatori operazionali al fine di aumentare le prestazioni del circuito stesso. Sono dei circuiti integrati usati a volte come interfaccia tra diversi componenti all’interno di un sistema più complesso, altre volte svolgono il ruolo di protezione dei circuiti integrati ad essi collegati.

• I filtri attivi hanno queste funzioni principali che possono combinarsi tra loro e con altri componenti per ottenere ulteriori effetti:
• filtro attivo passa basso (in inglese Low Pass Filter), lascia libero transito dei segnali alle basse frequenze, blocca quelli al di sopra di una determinata soglia detta frequenza di taglio;
• filtro attivo passa alto (High Pass Filter), lascia libero transito dei segnali alte frequenze, blocca quelli al di sotto della frequenza di taglio;
• filtro attivo passa banda (Band Pass Filter), lascia transitare i segnali in un intervallo di frequenze intermedie (banda), bloccando le frequenze più alte della frequenza di taglio superiore e più basse della frequenza di taglio inferiore.
• filtro elimina banda o arresta banda (Notch Filter), blocca i segnali in un intervallo di frequenze compresi tra la frequenza di taglio inferiore e la frequenza di taglio superiore e lascia passare quelli al di fuori di questo (da cui appunto il nome elimina banda).

Le caratteristiche dei filtri descritti sono quelle ideali, quindi molto semplificate, nella realtà le frequenze tagliate non sono eliminate completamente, ma solo sono fortemente attenuate, per questo vengono definite frequenze di banda attenuata. Esiste poi una banda di transizione che racchiude delle frequenze che vengono attenuate sempre di più man mano che dalla banda permessa ci si avvicina a quella attenuata.

Per fare un esempio, nel caso reale di un filtro passa basso attivo, le frequenze passano indisturbate fino alla frequenza di taglio, oltre a questa soglia le frequenze vengono smorzate sempre di più fino ad una ulteriore soglia oltre alla quale proseguono ancora, ma sensibilmente fortemente smorzate.

L’estensione della banda di transizione è, tra le altre cose, determinata dalla caratteristica del filtro detta “ordine”. Ad esempio, in un filtro attivo del secondo ordine, la banda di transizione sarà più ristretta (cioè si arriverà prima alla banda attenuata) rispetto ad un filtro equivalente del primo ordine. A sua volta, la banda di transizione di un filtro del quarto ordine sarà più ristretta rispetto ad un filtro del secondo ordine.

Pressoché le medesime funzioni sono assolte anche dai filtri passivi, ma i filtri attivi sono preferibili perché permettono un guadagno, pur a prezzo della necessità di una alimentazione elettrica. In caso di collegamento di filtri in cascata, le prestazioni complessive sono facilmente calcolabili come il prodotto dei singoli filtri. Per le limitazioni imposte dagli amplificatori operazionali, sono generalmente più indicati per frequenze relativamente basse.

I filtri passivi sono generalmente costruiti con semplici componenti passivi come resistenze induttanze e condensatori. Seppure più semplici, hanno le medesime funzioni descritte per i filtri attivi quali:

• filtro passa basso
• filtro passa alto
• filtro passa banda
• filtro elimina banda o arresta banda

Dato che i filtri attivi sono generalmente più indicati in presenza di frequenze relativamente basse, i filtri passivi sono da preferire quando siamo in presenza di frequenze di gamma media e alta. Hanno anche il pregio di non richiedere alimentazione, di non introdurre rumore elettrico e di non essere suscettibili a deriva termica.

Nel caso ideale, quando i segnali che passano il filtro sono solo quelli con frequenza oltre ad un certo valore di soglia, siamo in presenza di un filtro passa alto, se al contrario passano solo quelli con frequenze più basse, abbiamo un filtro passa basso.

Quando siamo in un caso reale, dobbiamo considerare la presenza della banda di transizione e della banda attenuata. Per cui, se rileviamo il passaggio di segnali molto attenuati che ad una certa frequenza crescono rapidamente in intensità, siamo in presenza di un filtro passa alto. Al contrario, se da un certo valore di frequenza in poi si attenuano rapidamente, abbiamo un filtro passa basso. Se il segnale in uscita risulta amplificato rispetto all’ingresso, siamo sicuramente in presenza di un filtro attivo.

I filtri passa alto vengono generalmente usati per rimuovere i rumori di bassa frequenza, tipicamente per ripulire un segnale audio da un ronzio di fondo, prima di indirizzarlo a successivi trattamenti o impieghi.

Questa operazione si esegue per il duplice scopo di:

• rimuovere segnali nella gamma delle basse frequenze non originati dalla fonte del segnale (o del suono), ma da rumori ambientali o generati e/o captati strumenti e cavi;
• evitare che questi segnali indesiderati si sovrappongano e coprano segnali importanti e ricercati nella stessa gamma di frequenze.

In presenza di un segnale in frequenza da utilizzare nei dispositivi elettronici che ci circondano (Radio, TV, impianti stereo, amplificatori musicali ecc.) è quasi sempre necessario processarlo per aumentarne la qualità o ridurre/eliminare eventuali disturbi.

Una opportuna filtratura permette tutto questo e, in caso di utilizzo di filtri attivi, è possibile anche “rinvigorire” il segnale amplificandolo prima di trattarlo ulteriormente.

Nel caso ad esempio di necessità di mixare segnali da fonti sonore differenti, attraverso una buona filtratura è possibile escludere i segnali al di fuori della la gamma di frequenze proprie di ciascuna fonte (come strumenti musicali o la voce umana) e unire successivamente i diversi segnali così ripuliti.

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