Filtro activo

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.

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. En algunos circuitos de filtro activo, un parámetro se puede ajustar sin afectar a los demás.

Tipos

El uso de elementos activos tiene algunas limitaciones. Las ecuaciones básicas de diseño de filtros ignoran el ancho de banda finito de los amplificadores. Los dispositivos activos disponibles tienen un ancho de banda limitado, por lo que a menudo resultan poco prácticos en 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 a los elementos amplificadores. La capacidad de manejo de potencia está limitada por las etapas del amplificador.

Las configuraciones del circuito de filtro activo (topología de filtro electrónico) incluyen:

• Filtros Sallen-Key y VCVS (baja sensibilidad a la tolerancia de componentes)
• Filtros variables estatales y filtros biquadratic o biquad
• Banda doble amplificador (DABP)
• Wien notch
• Múltiples filtros de retroalimentación
• Fliege (conteo de componentes más bajo para 2 opamp pero con buena control sobre frecuencia y tipo)
• Akerberg Mossberg (una de las topologías que ofrecen control completo e independiente sobre ganancia, frecuencia y tipo)

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

• Filtro de alta velocidad – atenuación de frecuencias por debajo de sus puntos de corte.
• Filtro de baja velocidad – atenuación de frecuencias por encima de sus puntos de corte.
• Filtro de paso de banda – atenuación de frecuencias tanto por encima como por debajo de las que permiten pasar.
• Filtro de parada de banda (filtro notch) – atenuación de ciertas frecuencias al tiempo que permite a todos los demás pasar.

Las combinaciones son posibles, como la muesca y el alto paso (en un filtro de ruido donde la mayoría de los ruidos ofensivos provienen de una frecuencia particular). Otro ejemplo es un filtro elíptico.

Diseño de filtros activos

Para diseñar filtros, las especificaciones que se deben establecer 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 centro o esquina.
• Necesidades de impedancia de insumos y productos. Estos limitan las topologías de circuito disponibles; por ejemplo, la mayoría, pero no todas las topologías de filtros activas proporcionan una salida amortiguada (bajo impedancia). Sin embargo, recuerde que la impedancia de salida interna de amplificadores operativos, si se utiliza, puede aumentar marcadamente a altas frecuencias y reducir la atenuación de lo esperado. Tenga en cuenta que algunas topologías de filtros de alta velocidad presentan la entrada con casi un cortocircuito a altas frecuencias.
• Rango dinámico de los elementos activos. El amplificador no debe saturar (corrido en los carriles de alimentación) a las señales de entrada esperadas, ni debe ser operado a tan bajas amplitudes que domina el ruido.
• El grado en que las señales no deseadas deben ser rechazadas.
  • En el caso de filtros de banda angosta, el Q determina el ancho de banda -3 dB, pero también el grado de rechazo de frecuencias muy alejadas de la frecuencia central; si estos dos requisitos están en conflicto entonces se puede necesitar un filtro de bandpass de tarado.
  • Para los filtros de notch, el grado en que las señales no deseadas en la frecuencia de notch deben ser rechazadas determina la precisión de los componentes, pero no la Q, que se rige por la inclinación deseada de la notch, es decir, el ancho de banda alrededor de la notch antes de la atenuación se vuelve pequeña.
  • Para filtros de paso alto y bajo (así como filtros de paso de banda lejos 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 segunda pólvora da una pendiente máxima de alrededor de 12 dB por octava (40 dB/decade), pero la pendiente cercana a la frecuencia de la esquina es mucho menos, a veces necesario añadir una púa al filtro.
• El "ripple" permitido (variación de una respuesta plana, en decibeles) dentro de la banda de filtros de paso alto y baja, junto con la forma de la curva de respuesta de frecuencia cerca de la frecuencia de la esquina, determinar la relación de amortiguación o factor de amortiguación (= 1/(2Q)). Esto también afecta la respuesta de la fase, y la respuesta del tiempo a una entrada de onda cuadrada. Varias formas importantes de respuesta (proporciones de muestreo) tienen nombres conocidos:
  • Filtro Chebyshev – pico/ripple en la banda ancha antes de la esquina; Q=0.7071 para filtros de 2do pedido.
  • Filtro Butterworth – respuesta de amplitud máxima plana; Q=0.7071 para filtros de 2do orden
  • Filtro Legendre-Papoulis – intercambia algo de flatness en la banda, aunque todavía monotónico, para una caída más pronunciada
  • Filtro Linkwitz–Riley – propiedades deseables para aplicaciones de audio crossover, tiempo de ascenso más rápido sin sobresueldo; Q = 0.5 (críticamente empapado)
  • Paynter o transicional Thompson-Butterworth o filtro "compromise" – más rápido descomposición que Bessel; Q=0.639 para filtros 2nd-order
  • Filtro de mejillón – Máximamente retraso en grupo plano; Q=0.577 para filtros de 2do pedido. Proporciona una buena fase lineal.
  • Filtro Elíptico o filtro Cauer – añadir una nota (o "cero") justo fuera de la banda, para dar una pendiente mucho mayor en esta región que la combinación de orden y relación de amortiguación sin la picazón. La salida es similar al filtro ideal (es decir, buena respuesta plana de la banda de paso y la banda de parada).

Comparación con filtros pasivos

Un filtro activo puede tener ganancia, aumentando la potencia disponible en una señal en comparación con la entrada. Los filtros pasivos disipan la energía de una señal y no pueden tener una ganancia de potencia neta. Para algunos rangos de frecuencias, por ejemplo en frecuencias de audio e inferiores, un filtro activo puede realizar una función de transferencia determinada sin utilizar inductores, que son componentes relativamente grandes y costosos en comparación con resistencias y condensadores, y que son más caros de fabricar con los requisitos necesarios. valores precisos y de alta calidad. Esta ventaja puede no ser tan importante para los filtros activos completamente integrados en un chip porque los condensadores disponibles tienen valores relativamente bajos y, por lo tanto, requieren resistencias de alto valor que ocupan área del circuito integrado. Los filtros activos tienen un buen aislamiento entre etapas y pueden proporcionar una impedancia de entrada alta y una impedancia de salida baja; esto hace que sus características sean independientes de las impedancias de fuente y carga. Se pueden conectar en cascada varias 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. Dado que 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 ganancia y rendimiento predecibles en todo el rango de frecuencia a procesar; el producto ganancia-ancho de banda del amplificador limitará la frecuencia máxima que se puede utilizar.