Filtros Electrónicos: Fundamentos y Aplicaciones

¿Para qué se utilizan los filtros? Los filtros son esenciales en el acondicionamiento de señales, desempeñando roles cruciales como:

• Eliminación de ruido en señales de sensores.
• Selección de frecuencias útiles.
• Supresión de frecuencias indeseables.
• Digitalización de señales, evitando el aliasing.
• Fijación del ancho de banda para compresión o transmisión.
• Procesado de señal, eliminando armónicos e interferencias.
• Mejora de la linealidad y el rendimiento.

Parámetros Clave de los Filtros Reales

Los filtros reales se caracterizan por:

• Dominio de la frecuencia:
  • Banda de paso (fp)
  • Banda atenuada (fa)
  • Zona de transición (fa-fp)
  • Ganancia en ambas bandas (Amin, Amax)
  • Nivel de rizado
  • Desfase en frecuencia
  • Factor de calidad Q = f0/B

Filtros reales. Dominio temporal

Tipos de Filtros

Los filtros se clasifican según su función de transferencia y tecnología:

Según Función de Transferencia

• Butterworth: Ganancia plana en la banda de paso, transición gradual.
• Bessel: Mínima deformación de señal, desfase lineal con la frecuencia.
• Chebyshev: Corte abrupto, rizado en la banda de paso.
• Cauer (Elíptico): Corte muy abrupto, rizado en ambas bandas.

Tipos de filtros: función de transferencia:

Butterworth busca una ganancia lo más plana posible en la banda de paso, sacrificando una transición abrupta entre la banda de paso y la de rechazo. Tiene una respuesta transitoria satisfactoria. Chebyshev ofrece un corte más abrupto a expensas de rizado en la banda de paso. Tiene una pendiente de transición más alta, pero su respuesta transitoria es peor que la de Butterworth. Bessel minimiza la deformación de la señal y tiene un desfase lineal con la frecuencia, lo que significa un tiempo de propagación constante. Sin embargo, su pendiente de transición es peor que la de Butterworth. Cauer o elíptico proporciona un corte muy abrupto, pero con rizado tanto en la banda de paso como en la de rechazo. Su respuesta transitoria es peor que la de Chebyshev, pero es adecuado para la eliminación de frecuencias específicas.

Según Tecnología

Tipos de filtros: tecnologías:

Filtros Pasivos

Los filtros pasivos son una opción a considerar en ciertas aplicaciones debido a sus características particulares:

• No utilizan amplificadores, lo que significa que tienen bajo ruido.
• No ofrecen ganancia y pueden presentar una mala adaptación de impedancias.
• Fáciles de diseñar e implementar para configuraciones de 1 o 2 polos (RC).
• Pendiente limitada, requieren que la frecuencia a filtrar esté lejos de la banda de paso.
• No adecuados para bajas frecuencias debido al tamaño y costo de los componentes.
• Implementaciones con inductores (RLC) son más complejas.

Filtros Activos

Los filtros activos utilizan amplificadores y componentes pasivos (RC), evitando inductores:

• Proporcionan ganancia y mejor adaptación de impedancias.
• Nivel de ruido más alto debido a los amplificadores.
• Fáciles de diseñar para configuraciones con varios polos.
• Limitación en alta frecuencia debido al amplificador operacional (AO).

Capacidades Conmutadas

Las capacidades conmutadas muestrean la señal y requieren una señal de reloj:

• Necesitan un filtro antialiasing previo.
• Fácil variación de la frecuencia de corte mediante la señal de reloj.
• Limitación en alta frecuencia (aprox. 250 kHz).
• Mayor nivel de ruido que los filtros activos.
• Disponibles como circuitos integrados (CI).

Implementación de Filtros Activos

• VCVS (Sallen-Key): Pocos componentes, sensibles a los componentes, Q reducido, dificultad de ajuste.
• Variables de estado: Más componentes, poco sensibles, Q elevado, ajuste fácil, más caros.

Filtros activos: implementación: VCVS (Sallen-Key) Pocos componentes (2 polos/AO). Sensibles a los componentes. Sólo Q reducido. Dificultad de ajuste: componentes de precisión. Difícil hacerlos variables. Diferente configuración para LP, HP y BP. Variables de estado. Más componentes. Poco sensibles a los componentes. Consiguen Q elevado. Ajuste fácil e independiente de sus parámetros. Más caros (disponibles como CI).Mismo circuito implementa LP, HP y BP.

Filtros de variables de estado (I) Los filtros VCVS tienen 3 importantes limitaciones: Son sensibles a las tolerancias de los componentes y a la Tª. No permiten obtener valores de Q elevados.No permiten un ajuste independiente de la ganancia y de Q. Los filtros de variables de estado: filtros universales . Consideran los condensadores como elementos almacenadores de energía. Utilizan AO como sumadores e integradores para resolver ecuaciones diferenciales. Más componentes que los VCVS para un orden determinado. Es posible ajustar los parámetros independientemente. Q hasta valor de 100. Están disponibles como C.I. para filtros activos (serie AF de National y UAF de Burr-Brown). Los fabricantes ofrecen programas para el diseño de estos filtros

Filtros de capacidades conmutadas (II)

Problemas: Ruido de la frecuencia del reloj en la salida (solución: filtro RC a la salida). Aliasing (solución: filtro RC a la entrada). Offset en los filtros paso bajo (LTC1062 o el MAX280).

Ventajas: Baratos, fácil control digital ajustando el reloj.