Filtro activo

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Un filtro activo es un tipo de circuito analógico que implementa un filtro electrónico utilizando componentes activos , normalmente un amplificador . Los amplificadores incluidos en el diseño de un filtro se pueden utilizar para mejorar el costo, el rendimiento y la previsibilidad de un filtro. ^[1]

Un amplificador evita que la impedancia de carga de la siguiente etapa afecte las características del filtro. Un filtro activo puede tener polos y ceros complejos sin utilizar un inductor voluminoso o costoso. La forma de la respuesta, el Q ( factor de calidad ) y la frecuencia sintonizada a menudo se pueden configurar con resistencias variables económicas. ^[2] En algunos circuitos de filtro activo, se puede ajustar un parámetro sin afectar a los demás. ^[1]

El uso de elementos activos tiene algunas limitaciones. Las ecuaciones básicas de diseño de filtros no tienen en cuenta el ancho de banda finito de los amplificadores. Los dispositivos activos disponibles tienen un ancho de banda limitado, por lo que a menudo son poco prácticos a altas frecuencias. Los amplificadores consumen energía e inyectan ruido en un sistema. Ciertas topologías de circuitos pueden resultar poco prácticas si no se proporciona una ruta de CC para la corriente de polarización hacia los elementos del amplificador. La capacidad de manejo de potencia está limitada por las etapas del amplificador. ^[3]

Las configuraciones de circuitos de filtro activo ( topología de filtro electrónico ) incluyen:

• Filtros Sallen-Key y VCVS (baja sensibilidad a la tolerancia de los componentes)
• Filtros de variables de estado y filtros bicuadráticos o biquad
• Banda de paso de amplificador dual (DABP)
• Muesca vienesa
• Múltiples filtros de retroalimentación
• Fliege (cantidad de componentes más baja para 2 amplificadores operacionales pero con buena capacidad de control sobre la frecuencia y el tipo)
• Akerberg Mossberg (una de las topologías que ofrecen un control completo e independiente sobre la ganancia, la frecuencia y el tipo)

Los filtros activos pueden implementar las mismas funciones de transferencia que los filtros pasivos . Las funciones de transferencia más comunes son:

• Filtro paso alto : atenuación de frecuencias por debajo de sus puntos de corte.
• Filtro paso bajo : atenuación de frecuencias por encima de sus puntos de corte.
• Filtro pasa banda : atenuación de frecuencias tanto superiores como inferiores a las que dejan pasar.
• Filtro de eliminación de banda (filtro de muesca): atenúa ciertas frecuencias mientras permite el paso de todas las demás. ^[4]

Se pueden hacer combinaciones, como por ejemplo, filtro de paso alto y filtro de muesca (en un filtro de ruido donde la mayor parte del ruido molesto proviene de una frecuencia particular). Otro ejemplo es un filtro elíptico .

Para diseñar filtros, las especificaciones que deben establecerse incluyen:

• El rango de frecuencias deseadas (la banda de paso) junto con la forma de la respuesta de frecuencia. Esto indica la variedad de filtro (ver arriba) y las frecuencias centrales o de esquina.
• Requisitos de impedancia de entrada y salida . Estos limitan las topologías de circuitos disponibles; por ejemplo, la mayoría de las topologías de filtro activo, pero no todas, proporcionan una salida amortiguada (de baja impedancia). Sin embargo, recuerde que la impedancia de salida interna de los amplificadores operacionales , si se utilizan, puede aumentar notablemente a altas frecuencias y reducir la atenuación con respecto a la esperada. Tenga en cuenta que algunas topologías de filtro de paso alto presentan la entrada con casi un cortocircuito a altas frecuencias.
• Rango dinámico de los elementos activos. El amplificador no debe saturarse (entrar en los rieles de alimentación) con las señales de entrada esperadas, ni debe funcionar con amplitudes tan bajas que predomine el ruido.
• El grado en el que deben rechazarse las señales no deseadas.
  • En el caso de filtros de paso de banda estrecha, la Q determina el ancho de banda de -3 dB pero también el grado de rechazo de frecuencias muy alejadas de la frecuencia central; si estos dos requisitos están en conflicto, puede ser necesario un filtro de paso de banda con sintonización escalonada .
  • En el caso de los filtros de muesca, el grado en el que deben rechazarse las señales no deseadas en la frecuencia de muesca determina la precisión de los componentes, pero no la Q, que está determinada por la inclinación deseada de la muesca, es decir, el ancho de banda alrededor de la muesca antes de que la atenuación se vuelva pequeña.
  • En el caso de los filtros de paso alto y paso bajo (así como de los filtros de paso de banda alejados de la frecuencia central), el rechazo requerido puede determinar la pendiente de atenuación necesaria y, por lo tanto, el "orden" del filtro. Un filtro de todos los polos de segundo orden proporciona una pendiente final de aproximadamente 12 dB por octava (40 dB/década), pero la pendiente cerca de la frecuencia de esquina es mucho menor, por lo que a veces es necesario agregar una muesca al filtro.
• La "ondulación" admisible (variación con respecto a una respuesta plana, en decibeles) dentro de la banda de paso de los filtros de paso alto y paso bajo, junto con la forma de la curva de respuesta de frecuencia cerca de la frecuencia de esquina, determinan la relación de amortiguamiento o factor de amortiguamiento (= 1/(2Q)). Esto también afecta la respuesta de fase y la respuesta temporal a una entrada de onda cuadrada . Varias formas de respuesta importantes (relaciones de amortiguamiento) tienen nombres bien conocidos:
  • Filtro Chebyshev : pico/ondulación en la banda de paso antes de la esquina; Q>0,7071 para filtros de segundo orden.
  • Filtro Butterworth : respuesta de amplitud máximamente plana; Q = 0,7071 para filtros de segundo orden
  • Filtro Legendre-Papoulis : intercambia cierta planitud en la banda de paso, aunque sigue siendo monótona , por una caída más pronunciada.
  • Filtro Linkwitz-Riley : propiedades deseables para aplicaciones de cruce de audio, tiempo de subida más rápido sin sobreimpulso; Q = 0,5 ( amortiguado críticamente )
  • Filtro de transición de Thompson-Butterworth o de "compromiso" o de Paynter: caída más rápida que la de Bessel; Q = 0,639 para filtros de segundo orden
  • Filtro de Bessel : retardo de grupo plano máximo; Q=0,577 para filtros de segundo orden. Proporciona una buena fase lineal.
  • Filtro elíptico o filtro Cauer: agrega una muesca (o "cero") justo afuera de la banda de paso, para dar una pendiente mucho mayor en esta región que la combinación de orden y relación de amortiguamiento sin la muesca. La salida es similar a la del filtro ideal (es decir, buena respuesta plana tanto de la banda de paso como de la banda de rechazo).

Un filtro activo puede tener ganancia , lo que aumenta la potencia disponible en una señal en comparación con la entrada. Los filtros pasivos disipan energía de una señal y no pueden tener una ganancia de potencia neta. Para algunos rangos de frecuencias, por ejemplo, en frecuencias de audio y por debajo, un filtro activo puede realizar una función de transferencia dada sin usar inductores , que son componentes relativamente grandes y costosos en comparación con las resistencias y los condensadores, y que son más caros de fabricar con la alta calidad y los valores precisos requeridos. Esta ventaja puede no ser tan importante para los filtros activos totalmente integrados en un chip porque los condensadores disponibles tienen valores relativamente bajos y, por lo tanto, requieren resistencias de alto valor que ocupan el área del circuito integrado. Los filtros activos tienen un buen aislamiento entre etapas y pueden proporcionar una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida; esto hace que sus características sean independientes de las impedancias de fuente y carga. Se pueden conectar en cascada múltiples etapas cuando se desee mejorar las características. Por el contrario, el diseño de filtros pasivos de múltiples etapas debe tener en cuenta la carga dependiente de la frecuencia de cada etapa de la etapa anterior. Es factible hacer que los filtros activos se puedan sintonizar en un amplio rango, en comparación con los filtros pasivos. Como no se utilizan inductores, los filtros se pueden fabricar en un tamaño muy compacto y no producen ni interactúan con los campos magnéticos que puedan estar presentes.

En comparación con los filtros activos, los filtros pasivos no requieren fuentes de alimentación adicionales. Los dispositivos amplificadores de un filtro activo deben proporcionar una ganancia y un rendimiento predecibles en todo el rango de frecuencias a procesar; el producto de la ganancia por el ancho de banda del amplificador limitará la frecuencia máxima que se puede utilizar. ^{[5] [6]}

• Filtro de potencia activo
• Resistencia negativa dependiente de la frecuencia

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Filtros activos .

• Experto en filtros analógicos de alimentación dividida
• Introducción a los filtros activos
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