Al concluir la lectura de esta entrada de filtros activos, será capaz de:
-Mencionar cuales son las cuatro clasificaciones generales de los filtros y dibujar una curva de respuesta de frecuencia en la que se muestre la banda que dichos filtros aceptan o rechazan.
FILTRO ELECTRÓNICO.
Son circuitos que permiten el paso de una determinada banda de frecuencias mientras atenúan todas las señales que no estén comprendidas dentro de esta banda.
Los filtros se clasifican según por el tipo de procesamiento, componentes que utilizan, la frecuencia de corte de trabajo, tipo de pendiente o gráfico que forman o por su respuesta de banda pasante.
Clasificación según los componentes que utilizan:
Filtros pasivos: filtro electrónico formado únicamente por elementos pasivos, es decir, resistencias, condensadores y bobinas. En los sistemas de comunicaciones se emplean filtros para dejar pasar solo las frecuencias que contengan la información deseada y eliminar las restantes. Los filtros son usados para dejar pasar solamente las frecuencias que pudieran resultar ser de alguna utilidad y eliminar cualquier tipo de interferencia o ruido ajeno a ellas. Existen dos tipos de filtros: Filtros Pasivos: son aquellos tipos de filtros formados por combinaciones serie o paralelo de elementos R, L o C. Los filtros activos son aquellos que emplean dispositivos activos, por ejemplo los transistores o los amplificadores operacionales, junto con elementos R L C.
Filtros activos: que se utilizan como trasnsistores o amplificadores operacionales, además de resistencias, inductores y capacitores. Los inductores no se utilizan por el volúmen que poseen además de que son muy caros y tienen a veces tienen componentes resistivas de elevada magnitud.
Clasificación según el tipo de procesamiento:
Filtro analógico: Es un filtro usado para procesos analógicos o señales de tiempo continuo. Los filtros analógicos son divididos en filtros pasivos y filtros activos, dependiendo del tipo de los elementos que se emplean para su realización.
Filtro digital: Sistema que, dependiendo de las variaciones de las señales de entrada en el tiempo y amplitud, se realiza un procesamiento matemático sobre dicha señal; generalmente mediante el uso de la Transformada rápida de Fourier; obteniéndose en la salida el resultado del procesamiento matemático o la señal de salida.
Los filtros digitales tienen como entrada una señal analógica o digital y en su salida tienen otra señal analógica o digital, pudiendo haber cambiado en amplitud, frecuencia o fase dependiendo de las características del filtro digital.
El filtrado digital es parte del procesado de señal digital. Se le da la denominación de digital más por su funcionamiento interno que por su dependencia del tipo de señal a filtrar, así podríamos llamar filtro digital tanto a un filtro que realiza el procesado de señales digitales como a otro que lo haga de señales analógicas.
Comúnmente se usa para atenuar o amplificar algunas frecuencias.
Clasificación por frecuencia de corte o de trabajo:
Filtro pasa bajas: Filtro electrónico caracterizado por permitir el paso de las frecuencias más bajas y atenuar las frecuencias más altas. El filtro requiere de dos terminales de entrada y dos de salida, de una caja negra, también denominada cuadripolo o bipuerto, así todas las frecuencias se pueden presentar a la entrada, pero a la salida solo estarán presentes las que permita pasar el filtro. De la teoría se obtiene que los filtros están caracterizados por sus funciones de transferencia, así cualquier configuración de elementos activos o pasivos que consigan cierta función de transferencia serán considerados un filtro de cierto tipo.
Filtro pasa altas: El filtro paso alto es un circuito RC en serie en el cual la salida es la caída de tensión en la resistencia. Si se estudia este circuito con componentes ideales para frecuencias muy bajas se tiene que el condensador se comporta como un circuito abierto, por lo que no dejará pasar la corriente a la resistencia, y su diferencia de tensión será cero. Para una frecuencia muy alta, idealmente infinita, el condensador se comportará como un circuito cerrado, es decir, como si no estuviera, por lo que la caída de tensión de la resistencia será la misma tensión de entrada, lo que significa que dejaría pasar toda la señal. Por otra parte, el desfase entre la señal de entrada y la de salida si que varía. El producto de resistencia por condensador (R×C) es la constante de tiempo, cuyo recíproco es la frecuencia de corte, es decir, donde el módulo de la respuesta en frecuencia baja 3dB respecto a la zona pasante:
Donde fc es la frecuencia de corte en hercios, R es la resistencia de la aplicación en ohmios y C es la capacidad en faradios.
El desfase depende de la frecuencia f de la señal y sería:
Filtro pasa banda: circuito RLC (resistor, bobina y condensador) en el que se deja pasar la frecuencia de resonancia, que sería la frecuencia central (fc) y las componentes frecuenciales próximas a ésta, en el diagrama hasta f1 y f2. No obstante, bastaría con una simple red resonante LC. Deja pasar un determinado rango de frecuencias de una señal y atenúa el paso del resto. Un filtro paso banda más avanzado sería los de frecuencia móvil, en los que se pueden variar algunos parámetros frecuenciales, un ejemplo es el circuito anterior RLC en el que se sustituye el condensador por un diodo varicap o varactor, que actúa como condensador variable y, por lo tanto, puede variar su frecuencia central.
Filtro rechaza banda: Elimina en su salida todas las señales que tengan una frecuencia comprendida entre una frecuencia de corte inferior y otra de corte superior. Por tanto, estos filtros eliminan una banda completa de frecuencias de las introducidas en su entrada. Una de sus formas de implementación consiste en dos filtros, uno paso bajo cuya frecuencia de corte sea la inferior del filtro elimina banda y otro paso alto cuya frecuencia de corte sea la superior del filtro elimina banda.
Filtro pasa todo: Filtro electrónico que aplica un operador lineal a una señal variable en el tiempo. Son usados ampliamente en procesamiento de señales. Una de sus aplicaciones más frecuentes es la eliminación de frecuencias no deseadas de una determinada señal de entrada o, al contrario, discriminar una determinada frecuencia de las demás.
La teoría matemática empleada para el diseño de filtros es independiente de la naturaleza eléctrica, electrónica o mecánica del filtro, así como del rango de frecuencias en el que se vaya a trabajar. Sin embargo, la implementación, así como las tecnologías necesarias para su fabricación varían.
Clasificación por pendiente:
Filtro de primer orden: Utilizan un circuito formado por un amplificador inversor. En el filtro pasa bajas la impedancia de realimentación está formada por una resistencia y capacitor en paralelo y en la entrada inversora se conecta una resistencia. En el filtro pasa altas, se tiene una resistencia en serie con un capacitor conectados a la entrada inversora y una resistencia como impedancia de realimentación.
Filtro de segundo orden: En este tipo de filtros además del paso bajo y paso alto podremos implementar filtros paso banda y rechaza banda. Gracias a la resonancia podremos tener ganancias G>1 incluso en filtros pasivos. Aplicaciones: sintonización selectiva de frecuencias en sistemas de comunicaciones y control.
Filtro de tercer orden:
- Frecuencia de corte: por encima (o debajo) de la cual la señal se atenúa 3dB (filtro real) o completamente (filtro ideal).
- Banda de paso: intervalo de frecuencias para las que la respuesta en amplitud es mayor que 3dB (filtro real) o la unidad (filtro ideal).
- Banda atenuada: intervalo de frecuencias para las que la respuesta en amplitud es menor que 3dB (filtro real) o es nula (filtro ideal).
- Orden del filtro: es el grado del polinomio del denominador de la función de transferencia. Determina la pendiente de la atenuación.
Clasificación por respuesta en la banda
pasante:
Filtro Bessel: Presenta variación lineal de la fase en las frecuencias de la banda de paso y por lo tanto tiene un retardo constante en este rango. Una señal que pase por este filtro no tendrá distorsión en su forma pero si un retardo en la salida.
Filtro Butterworth: Tiene una respuesta plana en la banda de paso y una suave caída en la región de transición, la rapidez de la caída en la región de transición aumenta con el orden del filtro. Normalmente se usa como filtro antialias para señales analógicas que van a ser muestreadas.
Filtro Chebyshev: Tiene una región de transición más pequeña que la del Butterworth, para un filtro del mismo orden, pero presenta riple en la banda de paso. La pendiente de la zona de transición es mayor cuando aumenta el orden del filtro, así como el número de riples en la banda de paso.
Filtro Elíptico o Cauer: Presenta unas características intermedias entre el filtro de Butterworth y el filtro de Bessel. El diseño de estos filtros se puede hacer a partir de los circuitos básicos de ganancia unitaria Sallen-Key. Cada uno de estos circuitos aporta dos polos de un filtro pasa bajas o dos polos de un filtro pasa altas. Para obtener filtros de mayor de orden se conectan etapas en cascada. En la tabla 8.1 se muestran los valores de las constantes k1 y k2 para los distintos tipos de filtros y diferentes números de polos. Estas constantes se relacionan con los valores de resistencia, capacitancia y frecuencia de corte del filtro (wc)
Presentación de gráfico de respuesta de onda:
BIBLIOGRAFÍA:
Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales.
Autor: Robert F. Coughlin.
Editorial: PEARSON Prentice Hall
Año de Edición: 1999
Lugar: México D.F
Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos.
Autor: Boylestad Nashelsky.
Editorial: PEARSON Prentice Hall
Año de Edición: 2003
Lugar: México D.F
