Los filtros electrónicos son circuitos que controlan qué frecuencias pasan y cuáles están bloqueadas, manteniendo las señales claras y confiables. Se utilizan en sistemas de energía, dispositivos de audio, enlaces de comunicación y adquisición de datos. En este artículo se explican en detalle los tipos de filtros, los términos, las familias de respuestas, los pasos de diseño y las aplicaciones.
Descripción general del filtro electrónico
Un filtro electrónico es un circuito que controla qué partes de una señal se mantienen y cuáles se reducen. Funciona dejando pasar frecuencias útiles mientras debilita las que no son necesarias. En los sistemas de energía, los filtros eliminan el ruido no deseado y mantienen un suministro eléctrico constante. En audio, ajustan la calidad del sonido y separan los rangos, como los graves y los agudos. En la comunicación, los filtros ayudan a que las señales se mantengan claras y precisas. Sin ellos, muchos sistemas no funcionarían sin problemas ni de manera confiable.
Tipos principales de filtro electrónico
Filtro de paso bajo (LPF)
Un LPF pasa señales por debajo de una frecuencia de corte y atenúa las más altas. Suaviza las salidas de la fuente de alimentación, elimina el ruido en el audio y evita el aliasing en los circuitos digitales. Un filtro RC simple es un ejemplo común.
Filtro de paso alto (HPF)
Un HPF pasa frecuencias por encima de un corte y bloquea las más bajas. Se utiliza en audio para tweeters, en acoplamiento de CA para eliminar el desplazamiento de CC y en instrumentos para reducir la deriva. Un condensador en serie en la entrada de un amplificador es una forma básica.
Filtro de paso de banda (BPF)
Un BPF permite que solo pase una banda de frecuencia elegida mientras rechaza otras. Es esencial en receptores de radio, comunicación inalámbrica y dispositivos médicos como ECG. Un circuito sintonizado LC en radios FM es un ejemplo clásico.
Filtro de parada de banda / muesca (BSF)
Un BSF atenúa una banda estrecha de frecuencias mientras pasa por encima y por debajo. Elimina el zumbido en el audio, cancela la interferencia en la comunicación y rechaza el ruido en los instrumentos. El filtro de muesca en doble T es un diseño bien conocido.
Filtrar detalles de terminología
Banda de paso
La banda de paso es el rango de frecuencia que un filtro permite atravesar con una atenuación mínima. Por ejemplo, en telefonía, la banda vocal de 300 Hz a 3,4 kHz se conserva para que el habla permanezca clara. Una banda de paso ancha y plana garantiza que las señales deseadas mantengan su fuerza y calidad originales.
Banda de parada
La banda de parada es el rango de frecuencias que el filtro atenúa fuertemente para bloquear señales o ruidos no deseados. Esta región es básica para evitar que la interferencia, la distorsión o el aliasing contaminen la señal útil. Cuanto más profunda sea la atenuación de la banda de parada, más eficaz será el filtro para rechazar las frecuencias no deseadas.
Frecuencia de corte (fc)
La frecuencia de corte marca el límite entre la banda de paso y la banda de parada. En la mayoría de los diseños de filtros, como un filtro Butterworth, se define como la frecuencia en la que la señal cae en -3 dB desde el nivel de banda de paso. Este punto sirve como referencia para diseñar y ajustar filtros para cumplir con los requisitos del sistema.
Banda de transición
La banda de transición es la región de pendiente donde la salida del filtro cambia de la banda de paso a la banda de parada. Una banda de transición más estrecha indica un filtro más nítido y selectivo, lo que es deseable en aplicaciones como la separación de canales en sistemas de comunicación. Las transiciones más nítidas a menudo requieren diseños de filtro más complejos o circuitos de orden superior.
Gráficos de Bode en filtros
Gráfico de magnitud
El gráfico de magnitud muestra la ganancia del filtro (en decibelios) frente a la frecuencia. En un filtro de paso bajo, por ejemplo, la respuesta permanece plana alrededor de 0 dB en la banda de paso, luego comienza a disminuir después de la frecuencia de corte, lo que indica atenuación de frecuencias más altas. La inclinación de esta caída depende del orden del filtro: los filtros de orden superior proporcionan transiciones más nítidas entre la banda de paso y la banda de parada. Los gráficos de magnitud facilitan ver qué tan bien un filtro bloquea las frecuencias no deseadas mientras preserva el rango deseado.
Trama de fase
El gráfico de fase muestra cómo el filtro cambia la fase de las señales a diferentes frecuencias. Esta es una medida del retraso de la señal. A bajas frecuencias, el cambio de fase suele ser mínimo, pero a medida que aumenta la frecuencia, alrededor del corte, el filtro introduce más retardo. La respuesta de fase es básica en sistemas sensibles al tiempo como el procesamiento de audio, los enlaces de comunicación y los sistemas de control, donde incluso pequeños errores de sincronización pueden afectar el rendimiento.
Orden de filtrado y roll-off
| Orden de filtros | Polos/Ceros | Tasa de roll-off | Descripción |
|---|---|---|---|
| 1ª Orden | Un poste | \~20 dB/década | Filtro básico con atenuación gradual. |
| 2ª Orden | Dos polos | \~40 dB/década | Corte más agudo en comparación con el primer orden. |
| 3ª Orden | Tres polos | \~60 dB/década | Atenuación más fuerte, más selectiva. |
| Enésimo pedido | Polos N | N × 20 dB/década | Un orden más alto proporciona una caída más pronunciada pero aumenta la complejidad del circuito. |
Conceptos básicos del filtro pasivo
Filtros RC
Los filtros RC son el diseño pasivo más simple, que utiliza una resistencia y un condensador en combinación. La forma más común es el filtro de paso bajo RC, que permite el paso de las frecuencias bajas mientras atenúa las frecuencias más altas. Su frecuencia de corte viene dada por:
fc =
Estos son los mejores para suavizar las señales en las fuentes de alimentación, eliminar el ruido de alta frecuencia y proporcionar un acondicionamiento básico de la señal en circuitos de audio o sensores.
Filtros RL
Los filtros RL utilizan una resistencia y un inductor, lo que los hace más adecuados para circuitos que manejan corrientes más grandes. Un filtro de paso bajo RL puede suavizar la corriente en los sistemas de energía, mientras que un filtro de paso alto RL es eficaz para bloquear la CC mientras pasa señales de CA. Debido a que los inductores resisten los cambios de corriente, los filtros RL a menudo se eligen en aplicaciones donde el manejo y la eficiencia de la energía son importantes.
Filtros RLC
Los filtros RLC combinan resistencias, inductores y condensadores para crear respuestas más selectivas. Dependiendo de cómo estén dispuestos los componentes, las redes RLC pueden formar filtros de paso de banda o filtros de muesca. Estos son necesarios para sintonizar receptores de radio, osciladores y circuitos de comunicación donde la precisión de la frecuencia es importante.
Tipos de familias de respuesta de filtro
Filtro Butterworth
El filtro Butterworth es valorado por su respuesta de banda de paso suave y plana sin ondulación. Proporciona una salida natural y sin distorsiones, lo que lo hace excelente para audio y filtrado. Su inconveniente es una tasa de caída moderada en comparación con otras familias, lo que significa que es menos selectiva cuando se necesita un corte brusco.
Filtro Bessel
El filtro Bessel está diseñado para una precisión en el dominio del tiempo, ofreciendo una respuesta de fase casi lineal y una distorsión mínima de la forma de onda. Esto lo hace mejor para aplicaciones como la comunicación de datos o el audio, donde se requiere preservar la forma de la señal. Su selectividad de frecuencia es pobre, por lo que no puede rechazar señales no deseadas cercanas con la misma eficacia.
Filtro de Chebyshev
El filtro Chebyshev proporciona una caída mucho más rápida que el Butterworth, lo que permite transiciones más pronunciadas con menos componentes. Lo logra permitiendo una ondulación controlada en la banda de paso. Si bien es eficiente, la ondulación puede distorsionar señales sensibles, lo que la hace menos adecuada para audio de precisión.
Filtro elíptico
El filtro elíptico ofrece la banda de transición más pronunciada para el menor número de componentes, lo que lo hace extremadamente eficiente para aplicaciones de banda estrecha. La compensación es la ondulación tanto en la banda de paso como en la banda de parada, lo que puede afectar la fidelidad de la señal. A pesar de esto, los diseños elípticos se utilizan a menudo en sistemas de comunicación y RF donde se requiere un corte brusco.
Características del filtro: f₀, BW y Q
• Frecuencia central (f₀): Esta es la frecuencia en el medio de una banda que pasa o bloquea un filtro. Se encuentra multiplicando la frecuencia de corte inferior y la frecuencia de corte superior, y luego tomando la raíz cuadrada.
• Ancho de banda (BW): Este es el tamaño del rango entre las frecuencias de corte superior e inferior. Un ancho de banda más pequeño significa que el filtro solo permite un rango estrecho de frecuencias, mientras que un ancho de banda más grande significa que cubre más.
• Factor de calidad (Q): indica qué tan nítido o selectivo es un filtro. Se calcula dividiendo la frecuencia central por el ancho de banda. Un valor Q más alto significa que el filtro se enfoca más estrechamente alrededor de la frecuencia central, mientras que un valor Q más bajo significa que cubre un rango más amplio.
Pasos en el proceso de diseño de filtros
• Defina requisitos tales como la frecuencia de corte, la cantidad de atenuación necesaria para las señales no deseadas, el nivel aceptable de ondulación en la banda de paso y los límites para el retardo de grupo. Estas especificaciones sientan las bases para el diseño.
• Elija el tipo de filtro según el objetivo: paso bajo para permitir frecuencias bajas, paso alto para permitir frecuencias altas, paso de banda para permitir un rango o parada de banda para bloquear un rango.
• Elija la familia de respuestas que mejor se adapte a la aplicación. Butterworth ofrece una banda de paso plana, Bessel mantiene la precisión del tiempo, Chebyshev proporciona una caída más nítida y la elíptica ofrece la transición más empinada con un diseño compacto.
• Calcule el orden del filtro, que determina qué tan pronunciado puede atenuar las frecuencias no deseadas. Los filtros de orden superior proporcionan una selectividad más fuerte pero requieren más componentes.
• Seleccione una topología para implementar el diseño. Los filtros RC pasivos son simples, los filtros activos de amplificador operacional permiten la ganancia y el almacenamiento en búfer, y los filtros digitales FIR o IIR se utilizan ampliamente en el procesamiento moderno.
• Simule y cree un prototipo del filtro antes de construirlo. Las simulaciones y los diagramas de Bode ayudan a confirmar el rendimiento, mientras que los prototipos verifican que el filtro cumple con los requisitos definidos en la práctica.
Aplicaciones de filtros en electrónica
Electrónica de audio
Los filtros dan forma al sonido en ecualizadores, crossovers, sintetizadores y circuitos de auriculares. Controlan el equilibrio de frecuencia, mejoran la claridad y garantizan un flujo de señal fluido tanto en equipos de audio de consumo como profesionales.
Sistemas de energía
Los filtros de armónicos y los filtros de supresión de EMI son esenciales en los accionamientos de motor, los sistemas UPS y los convertidores de potencia. Protegen equipos sensibles, mejoran la calidad de la energía y reducen las interferencias electromagnéticas.
Adquisición de datos
Los filtros antialiasing se utilizan antes que los convertidores analógicos a digitales (ADC) para evitar la distorsión de la señal. En instrumentos biomédicos como monitores de EEG y ECG, los filtros extraen señales significativas al eliminar el ruido no deseado.
Comunicaciones
Los filtros de paso de banda y parada de banda son fundamentales en los sistemas de RF. Definen canales de frecuencia en Wi-Fi, redes celulares y comunicación satelital, lo que permite una transmisión de señal clara y rechaza las interferencias.
Conclusión
Los filtros son básicos para dar forma a las señales para un audio claro, una potencia estable, datos precisos y una comunicación confiable. Al comprender sus tipos, términos y métodos de diseño, es más fácil elegir o crear filtros que mantengan los sistemas precisos y efectivos.
Preguntas frecuentes
Pregunta 1. ¿Cuál es la diferencia entre filtros activos y pasivos?
Los filtros activos usan amplificadores operacionales y pueden amplificar señales, mientras que los filtros pasivos usan solo resistencias, condensadores e inductores sin ganancia.
Segundo trimestre. ¿En qué se diferencian los filtros digitales de los filtros analógicos?
Los filtros analógicos procesan señales continuas con componentes, mientras que los filtros digitales utilizan algoritmos en señales muestreadas en DSP o software.
Tercer trimestre. ¿Por qué se utilizan filtros de orden superior en los sistemas de comunicación?
Proporcionan cortes más nítidos, lo que permite una mejor separación de los canales estrechamente espaciados y reduce la interferencia.
Cuarto trimestre. ¿Cuál es el papel de los filtros en los sensores?
Los filtros eliminan el ruido no deseado para que los sensores entreguen señales limpias y precisas.
Pregunta 5. ¿Por qué se requiere la estabilidad del filtro?
Los filtros inestables pueden oscilar o distorsionar las señales, por lo que la estabilidad garantiza un rendimiento confiable.
Pregunta 6. ¿Se pueden ajustar los filtros?
Sí. Los filtros sintonizables ajustan su corte o frecuencia central, utilizada en radios y sistemas adaptativos.