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Affrontare la progettazione analogica (in modo semplice)

In questo quarto e ultimo blog della serie di quattro blog che ha per tema l'importanza delle competenze (che ora purtroppo scarseggiano) richieste ai progettisti analogici, verrà spiegato come sviluppare in tempi brevi un circuito di filtraggio analogico perfettamente funzionante senza dover calcolare manualmente i valori dei componenti e neppure utilizzare numeri complessi o equazioni differenziali.

Affrontare la progettazione analogica (in modo semplice)
Figura 1 – Menu che propone i diversi tipi di filtro

Utilizzando tool software disponibili a titolo gratuito come Analog Filter Wizard e LTSpice, entrambi di Analog Devices, i progettisti elettronici possono ora sviluppare e simulare il comportamento di un circuito di filtraggio prima di realizzarlo fisicamente in laboratorio o utilizzarlo in un'applicazione di collaudo.

Problematiche di progetto
La frequenza del linguaggio parlato è compresa all'incirca nell'intervallo tra 300Hz e 3kHz. Il problema è progettare un filtro passa-banda (BPF – Band Pass Filter) che consenta il passaggio attraverso il circuito di segnali contenuti in questo intervallo (la banda passante, appunto) e respinga le frequenze al di fuori di tale intervallo (la banda di arresto). Un'applicazione pratica di questo filtro è il sistema telefonico, che limita in banda il segnale prima che venga digitalizzato per mezzo di un convertitore A/D (ADC).

Realizzazione del circuito
In primo luogo, dopo aver aperto la schermata del tool Analog Filter Wizard è necessario selezionare il tipo di filtro (in questo caso il filtro passa-banda) tra le opzioni proposte (Fig. 1).

Successivamente, nel riquadro delle specifiche (‘Specifications’) viene utilizzata un'interfaccia utente grafica (GUI) di semplice e immediata comprensione che consente al progettista di inserire le specifiche del filtro e successivamente tracciare il grafico della corrispondente risposta in frequenza del filtro. I valori riportati in figura 2, a esempio, generano una risposta in frequenza che riflette da vicino il comportamento del filtro desiderato.

La banda passante è definita come l'intervallo di frequenze all'interno del quale l'ampiezza del segnale di uscita è pari almeno al 70% a quella del segnale di ingresso ed è indicata all'area ombreggiata in blue compresa tra le due frequenze di taglio (corner frequenza) a – 3 dB. Il roll-off del filtro è specificato a -40 dB/decade: ciò significa che i segnali le cui frequenze sono maggiori (o minori) di un fattore pari a 10 rispetto alla due frequenze di taglio a 300 Hz e 3 kHz rispettivamente sono attenuati (ridotti in ampiezza) di un fattore pari a 100.


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Figura 2 – Andamento della risposta in frequenza del filtro passa-banda

Nel riquadro Componenti (‘Components’) sono visualizzati gli elementi richiesti per la realizzazione del filtro (Fig. 3). E' prevista l'opzione di aggiungere i livelli di tensione che saranno utilizzati dal circuito e selezionare i tipi di componenti custom (resistori, condensatori e amplificatori operazionali), oppure si possono semplicemente utilizzare i componenti predefiniti scelti dal tool.


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Figura 3 – Componenti del circuito del filtro passa-banda

La configurazione del circuito visualizzata è relativa a un filtro Butterworth del quarto ordine formato da un filtro Salle-Kelly passa-basso del secondo ordine e da un filtro Sallen-Kelly passa-alto del secondo ordine. La combinazione tra i due fornisce la risposta in frequenza del filtro passa-banda desiderato.

Utilizzando la funzione ‘SPICE Only’ (nel riquadro ‘Next Steps’), i progettisti possono scaricare i file software necessari per simulare il circuito mediante il tool di simulazione LTSpice che può essere scaricato da sito Web di Analog Devices.

Definizione dei segnali di ingresso
La figura 4 riporta lo schema circuitale prodotto da LTSpice che viene visualizzato una volta che è stato aperto il file ‘TransientAnalysis.asc’ (fornito da Analog Filter Wizard). Nella figura sono chiaramente visibili gli stadi dei filtri del secondo ordine, le alimentazioni (V2, V3) la sorgente del segnale di ingresso(VIN).


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Figura 4 – Schema circuitale di simulazione del filtro passa banda di LTSpice

I progettisti possono effettuare velocemente due tipi di simulazione per verificare che il comportamento del filtro sia quello desiderato:

• Analisi dei transitori
• Analisi in alternata (AC)

La prima analisi simula il comportamento del filtro per un segnale reale nel dominio del tempo con frequenza e tensione di ingresso specificate. Il massimo valore della tensione di ingresso deve essere compreso nell'intervallo della tensione di funzionamento degli amplificatori operazionali scelti.

L'analisi in AC, invece, simula il comportamento del filtro per l'intera gamma delle possibili frequenze dl segnale di ingresso.

Simulazione del circuito e valutazione dell'uscita
Per l'analisi dei transitori, il segnale di ingresso è un'onda sinusoidale di ampiezza pari a 1 V (valore di picco) e frequenza di 1 kHz. La Figura 5 evidenzia che il segnale passa senza attenuazione attraverso il filtro poiché l'ingresso (traccia verde) e l'uscita (traccia blu) sono quasi indistinguibili. Si tratta di un comportamento previsto in quanto la frequenza di 1 KHz si trova all'interno della banda passante del filtro.


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Figura 5 – Il segnale nel dominio del tempo con frequenza di 1 KHz passa senza attenuazioni attraverso il filtro

Facendo girare la medesima simulazione per un segnale di ingresso con una frequenza di 30 kHz (Fig. 6) si osserva che il segnale di uscita è quasi 0 V: anche in questo caso si tratta di un comportamento previsto poiché tale frequenza si trova al di fuori della banda passante (arresta banda).


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Figure 6 – Il filtro rigetta un segnale nel dominio del tempo di frequenza pari a 30 kHz

Nella figura 7 viene riportato lo schema circuitale dell'ambiente di collaudo per il file ‘ACAnalysis.asc’ scaricato da Analog Filter Wizard.


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Figura 7 – Ambiente di collaudo per l'analisi in AC di LTSpice

Nella figura 8 viene invece mostrata la risposta in frequenza del filtro generata dall'analisi in AC che rispecchia abbastanza fedelmente quella ottenuta specificando le prestazioni del filtro in Analog Filter Wizard (si faccia riferimento alla figura 2).


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Figura 8 – Risposta in frequenza del filto passa-banda

Considerazioni conclusive
L'obiettivo di questa serie di quattro blog è stato quello di aumentare la consapevolezza della scarsità (e della conseguente necessità) di progettisti elettronici con competenze nell'ambito dell'elettronica analogica. Sono state esaminate le basi della progettazione di filtri analogici e passati in rassegna i tool utilizzati dai progettisti analogici per lo svolgimento del loro lavoro. Lungi dall'essere un'attività basata sull'intuizione soggettiva del singolo progettista, quella analogica è una progettazione che si è evoluta nel corso degli anni trasformandosi in una metodologa molto ben strutturata resa molto più semplice dalla disponibilità di tool hardware e software avanzati capaci di automatizzare compiti che in precedenza richiedevano lunghi calcoli manuali.

L'augurio è che i giovani progettisti che leggeranno questi blog potranno vedere la progettazione analogica sotto una luce diversa, ovvero come un insieme di competenze molto richieste e apprezzate e una valida opzione per intraprendere una carriera ricca di soddisfazioni.

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