Filtro electrónico

filtros electrónicos son un tipo de filtro de procesamiento de señales en forma de circuitos eléctricos. Este artículo cubre aquellos filtros que consisten en componentes electrónicos agrupados, a diferencia de los filtros de elementos distribuidos. Es decir, utilizar componentes e interconexiones que, en el análisis, se puede considerar que existen en un solo punto. Estos componentes pueden estar en paquetes discretos o formar parte de un circuito integrado.

Los filtros electrónicos eliminan los componentes de frecuencia no deseados de la señal aplicada, mejoran los deseados o ambas cosas. Ellos pueden ser:

• pasivo o activo
• analógica o digital
• alto paso, paso bajo, paso de banda, parada de banda (reyección de bandas; noch), o all-pass.
• tiempo discreto (sampled) o tiempo continuo
• lineares o no lineales
• respuesta de impulso infinito (tipo IIR) o respuesta de impulso finito (tipo FIR)

Los tipos más comunes de filtros electrónicos son los filtros lineales, independientemente de otros aspectos de su diseño. Consulte el artículo sobre filtros lineales para obtener detalles sobre su diseño y análisis.

Historia

Las formas más antiguas de filtros electrónicos son filtros lineales analógicos pasivos, construidos utilizando únicamente resistencias y condensadores o resistencias e inductores. Se conocen como filtros unipolares RC y RL respectivamente. Sin embargo, estos filtros simples tienen usos muy limitados. Los filtros LC multipolares proporcionan un mayor control de la forma de respuesta, el ancho de banda y las bandas de transición. El primero de estos filtros fue el filtro k constante, inventado por George Campbell en 1910. El filtro de Campbell era una red en escalera basada en la teoría de líneas de transmisión. Junto con los filtros mejorados de Otto Zobel y otros, estos filtros se conocen como filtros de parámetros de imagen. Wilhelm Cauer dio un gran paso adelante, quien fundó el campo de la síntesis de redes en la época de la Segunda Guerra Mundial. La teoría de Cauer permitió construir filtros que seguían con precisión alguna función de frecuencia prescrita.

Clasificación por tecnología

Filtros pasivos

Las implementaciones pasivas de filtros lineales se basan en combinaciones de resistencias (R), inductores (L) y condensadores (C). Estos tipos se conocen colectivamente como filtros pasivos, porque no dependen de una fuente de alimentación externa y no contienen componentes activos como transistores.

Los inductores bloquean las señales de alta frecuencia y conducen señales de baja frecuencia, mientras que los condensadores hacen lo contrario. Un filtro en el que la señal pasa a través de un inductor, o en el que un condensador proporciona un camino a tierra, presenta menos atenuación a las señales de baja frecuencia que a las señales de alta frecuencia y, por lo tanto, es un filtro de paso bajo. . Si la señal pasa a través de un capacitor, o tiene un camino a tierra a través de un inductor, entonces el filtro presenta menos atenuación a las señales de alta frecuencia que a las señales de baja frecuencia y por lo tanto es un filtro de paso alto. Las resistencias por sí solas no tienen propiedades selectivas de frecuencia, pero se agregan a inductores y capacitores para determinar las constantes de tiempo del circuito y, por lo tanto, las frecuencias a las que responde.

Los inductores y condensadores son los elementos reactivos del filtro. El número de elementos determina el orden del filtro. En este contexto, un circuito sintonizado LC que se utiliza en un filtro de paso de banda o supresor de banda se considera un elemento único aunque consta de dos componentes.

A altas frecuencias (por encima de aproximadamente 100 megahercios), a veces los inductores consisten en bucles individuales o tiras de chapa metálica, y los condensadores consisten en tiras de metal adyacentes. Estas piezas de metal inductivas o capacitivas se denominan trozos.

Tipos de elementos individuales

Los filtros pasivos más simples, los filtros RC y RL, incluyen solo un elemento reactivo, excepto el filtro LC híbrido, que se caracteriza por tener inductancia y capacitancia integradas en un solo elemento.

Filtro L

Un filtro L consta de dos elementos reactivos, uno en serie y otro en paralelo.

Filtros T y π

Los filtros de tres elementos pueden tener una etiqueta 'T' o 'π' topología y en cualquiera de las geometrías, es posible una característica de paso bajo, paso alto, paso de banda o eliminación de banda. Los componentes pueden elegirse simétricos o no, dependiendo de las características de frecuencia requeridas. El filtro T de paso alto en la ilustración tiene una impedancia muy baja en frecuencias altas y una impedancia muy alta en frecuencias bajas. Eso significa que se puede insertar en una línea de transmisión, lo que da como resultado que las altas frecuencias pasen y las bajas se reflejen. Asimismo, para el filtro π de paso bajo ilustrado, el circuito se puede conectar a una línea de transmisión, transmitiendo bajas frecuencias y reflejando altas frecuencias. Usando secciones de filtro derivadas de m con impedancias de terminación correctas, la impedancia de entrada puede ser razonablemente constante en la banda de paso.

Tipos de elementos múltiples

Los filtros de elementos múltiples generalmente se construyen como una red en escalera. Estos pueden verse como una continuación de los diseños de filtros L, T y π. Se necesitan más elementos cuando se desea mejorar algún parámetro del filtro como el rechazo de banda de parada o la pendiente de transición de banda de paso a banda de parada.

Filtros activos

Los filtros activos se implementan utilizando una combinación de componentes pasivos y activos (amplificadores) y requieren una fuente de alimentación externa. Los amplificadores operacionales se utilizan con frecuencia en diseños de filtros activos. Estos pueden tener un factor Q alto y pueden lograr resonancia sin el uso de inductores. Sin embargo, su límite de frecuencia superior está limitado por el ancho de banda de los amplificadores.

Otras tecnologías de filtrado

Existen muchas tecnologías de filtrado además de los componentes electrónicos agrupados. Estos incluyen filtros digitales, filtros de cristal, filtros mecánicos, filtros de ondas acústicas de superficie (SAW), filtros basados en resonadores acústicos masivos de película delgada (TFBAR, FBAR), filtros de granate y filtros atómicos (utilizados en relojes atómicos).

La función de transferencia

véase también Filtro (proceso de firma) para análisis ulterior

La función de transferencia H()s){displaystyle H(s)} de un filtro es la relación de la señal de salida Y()s){displaystyle Y(s)} a la señal de entrada X()s){displaystyle X(s)} como función de la frecuencia compleja s{displaystyle s}:

H()s)=Y()s)X()s){displaystyle H(s)={frac {Y(s)} {X(s)}}.

La función de transferencia de todos los filtros lineales invariantes de tiempo, cuando se construya de componentes agrupados (a diferencia de componentes distribuidos como líneas de transmisión), será la proporción de dos polinomios en s{displaystyle s}, es decir, una función racional s{displaystyle s}. El orden de la función de transferencia será la potencia más alta de s{displaystyle s} encontrado en el numerador o en el denominador.

Clasificación por topología

Los filtros electrónicos se pueden clasificar según la tecnología utilizada para implementarlos. Los filtros que utilizan tecnología de filtro pasivo y filtro activo se pueden clasificar además según la topología de filtro electrónico particular utilizada para implementarlos.

Cualquier función de transferencia de filtro determinada puede implementarse en cualquier topología de filtro electrónico.

Algunas topologías de circuitos comunes son:

• Topología Cauer – pasivo
• Topología Sallen–Key – activa
• Topología de retroalimentación múltiple – activo
• Topología variable estatal - activo
• Topología biquadratica – activa

Clasificación por metodología de diseño

Históricamente, el diseño de filtros analógicos lineales ha evolucionado a través de tres enfoques principales. Los diseños más antiguos son circuitos simples donde el principal criterio de diseño era el factor Q del circuito. Esto reflejaba la aplicación del filtrado en el receptor de radio, ya que Q era una medida de la selectividad de frecuencia de un circuito de sintonización. A partir de la década de 1920 se empezaron a diseñar filtros desde el punto de vista de la imagen, impulsados en su mayoría por las necesidades de las telecomunicaciones. Después de la Segunda Guerra Mundial la metodología dominante fue la síntesis de redes. Las matemáticas superiores utilizadas originalmente requerían la publicación de extensas tablas de valores de coeficientes polinomiales, pero los recursos informáticos modernos lo han hecho innecesario.

Análisis de circuito directo

Los filtros de orden bajo se pueden diseñar aplicando directamente leyes de circuitos básicos, como las leyes de Kirchhoff, para obtener la función de transferencia. Este tipo de análisis normalmente sólo se realiza para filtros simples de primer o segundo orden.

Análisis de impedancia de imagen

Este enfoque analiza las secciones del filtro desde el punto de vista de que el filtro se encuentra en una cadena infinita de secciones idénticas. Tiene las ventajas de la simplicidad de enfoque y la capacidad de extenderse fácilmente a órdenes superiores. Tiene la desventaja de que la precisión de las respuestas previstas depende de las terminaciones del filtro en la impedancia de la imagen, lo que normalmente no es el caso.

Síntesis de red

El enfoque de síntesis de red comienza con una función de transferencia requerida y luego la expresa como una ecuación polinómica de la impedancia de entrada del filtro. Los valores reales de los elementos del filtro se obtienen mediante expansiones de fracciones continuas o fracciones parciales de este polinomio. A diferencia del método de imagen, no hay necesidad de redes de adaptación de impedancia en las terminaciones ya que los efectos de las resistencias terminales se incluyen en el análisis desde el principio.

Aquí hay una imagen que compara los filtros Butterworth, Chebyshev y elípticos. Todos los filtros de esta ilustración son filtros de paso bajo de quinto orden. La implementación particular (analógica o digital, pasiva o activa) no hace ninguna diferencia; su producción sería la misma.

Como se desprende claramente de la imagen, los filtros elípticos son más nítidos que todos los demás, pero muestran ondulaciones en todo el ancho de banda.

Notas y referencias