Filtros Chaveados

Capacitor Chaveado

Como os circuitos com filtros ativos RC têm apresentado grandes dificuldades de serem produzidos na forma de circuito integrado (CI) devido à necessidade de capacitores de altos valores e de constantes de tempo RC precisas. Uma das soluções encontradas para este problema foi à aplicação de filtros com capacitores chaveados. Os filtros com capacitores chaveados não requerem capacitores externos de precisão como os filtros ativos. Suas freqüências de corte têm uma exatidão de ±0.3% e são menos sensíveis às mudanças de temperatura. Estas características permitem projetos consistentes. Outra vantagem dos filtros com capacitores chaveados é que sua freqüência de corte pode ser ajustada mudando a freqüência do pulso de clock.

A técnica para produção de filtros com capacitores chaveados é baseada no principio de que um capacitor C, que periodicamente alterna entre dois pontos do circuito, é equivalente a uma resistência R conectando esses pontos do circuito. Para que o capacitor varie sua conexão são utilizadas chaves que alternam seu estado numa freqüência do relógio fc=1/Tc. Para a equivalência resistiva é utilizada a aproximação R=1/C*fc (com fc→ ∞). E ao trocar o resistor pelo capacitor chaveado a constante de tempo do circuito deixa de ser o produto do capacitor e do resistor. Assim a constante de tempo varia em função do período Tc e da razão C2/C1, se tornando facilmente controlada para a aplicação em CI, especialmente na tecnologia MOS.

Observando que temos um filtro RC ativo (como o da figura acima), para torná-lo chaveado basta substituir R1 pelo capacitor chaveado. Que é na pratica, é um capacitor comum com o pólo negativo aterrado, e o positivo ligado a duas chaves (figura abaixo), aplicadas na forma de transistores operando na saturação e no corte. Na base dos dois transistores são aplicadas a mesma freqüência fc, com as fases deslocadas em 180° de uma base para a outra. Para que quando uma chave esteja aberta, a segunda estará fechada.

O filtro da figura acima, possui dois estágios de operação devido a fase das chaves. Um deles carregara o capacitor e o outro descarrega o capacitor na malha do circuito (figura abaixo). Note que a fonte nunca será conectada diretamente ao circuito, pois as chaves possuem funcionamento dual.

A partir deste modelo inicial podem ser construídos filtros com vários pólos e zeros, possibilitando um maior qualidade e praticidade devido a implementação em um único CI, e a facilidade para ser programado.

Arquiteturas de Biquad

As soluções do filtro suportam a cascata e biquads paralelos. A arquitetura da cascata produz melhor qualidade da faixa de zeros, e a arquitetura paralela pode minimizar erros para fazer a associação de amp op. São os seguintes, exemplos de um filtro de terceira ordem de 1MHz:

Bibliografia

SEDRA, A. S.; SMITH, K. C. Microeletrônica. São Paulo: Makron Books, 2000.

COSTA, E. B. M. Adaptação digital de um filtro a capacitor chaveado programável. UFRJ. Disponível em: <http://www.pee.ufrj.br/teses/?Resumo=2005022803>. Acesso em: 05/08/2006.

MONTEIRO, J. B.; PETRAGLIA, A.; LEME, C. A. Filtro recursivo analógico digitalmente programável por controle de carga. Scielo. Disponível em: <http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0103-17592002000300012>. Acesso em: 05/08/2006.