11.3: El uso y ventajas de los filtros activos

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Si los filtros pueden fabricarse solo con resistencias, capacitores e inductores, puede preguntarse por qué alguien querría diseñar una variación que requiera el uso de un amplificador operacional. Esta es una buena pregunta. Obviamente, debe haber ciertas deficiencias o dificultades asociadas con los diseños de filtros pasivos, o no existirían filtros activos. Los filtros activos ofrecen muchas ventajas sobre las implementaciones pasivas. En primer lugar, los filtros activos no presentan pérdida de inserción. Esto significa que la ganancia de banda de paso será igual a 0 dB. Los filtros pasivos siempre muestran alguna pérdida de señal en la banda de paso. Los filtros activos se pueden hacer con ganancia de banda de paso, si se desea. Los filtros activos también permiten el aislamiento entre etapas y el control de impedancias de entrada y salida. Esto alivia los problemas con la carga entre etapas y simplifica los diseños complejos. También produce modestos tamaños de componentes (por ejemplo, los condensadores tienden a ser más pequeños para una respuesta dada). Otra ventaja del enfoque activo es que se pueden realizar filtros complejos sin usar inductores. Esto es deseable, ya que los inductores prácticos tienden a ser mucho menos ideales que las resistencias y condensadores típicos y generalmente son más caros. La conclusión es que el enfoque activo permite el diseño rápido de filtros estables y económicos en una variedad de aplicaciones.

Los filtros activos no son perfectos. Primero, por su propia naturaleza, los filtros activos requieren una fuente de alimentación de CC mientras que los pasivos no lo hacen. Esto generalmente no es un problema, ya que el resto del circuito probablemente requerirá una fuente de CC de todos modos. Los filtros activos también están limitados en su rango de frecuencia. Un amplificador operacional tiene un producto finito de ganancia de ancho de banda, y ciertamente no se puede esperar que el filtro activo producido funcione más allá de él. Por ejemplo, sería imposible diseñar un filtro que solo pase frecuencias superiores a 10 MHz cuando se utiliza un estándar\(\mu\) A741. Los circuitos pasivos no tienen esta limitación y pueden funcionar bien en los cientos de MHz. Por último, los filtros activos no están diseñados para manejar grandes cantidades de energía. Son circuitos de bajo nivel de señal. Con clasificaciones de componentes adecuadas, los filtros pasivos pueden manejar cientos de vatios de potencia de entrada. Un ejemplo clásico de esto es la red crossover que se encuentra en la mayoría de los sistemas de altavoces domésticos. La red de cruce divide la señal musical en dos o más bandas y enruta los resultados a transductores individuales que están optimizados para funcionar dentro de un rango de frecuencia dado. Debido a que la entrada al altavoz puede ser tan alta como unos pocos cientos de vatios, un diseño pasivo está en orden. ¹ En consecuencia, podemos decir que los filtros activos son apropiados para diseños a frecuencias bajas a moderadas (generalmente no más de 1 MHz con dispositivos típicos) que no tienen que manejar grandes cantidades de potencia. Como se puede adivinar, esa especificación cubre una gran cantidad de territorio y, por lo tanto, los filtros activos basados en amplificadores operacionales se han vuelto bastante populares.

Referencias

¹ En sistemas de reproducción más avanzados, se pueden utilizar filtros activos. Los ejemplos incluyen monitores de estudio de grabación y sistemas de megafonía. Vamos a echar un vistazo a cómo se hace esto en uno de los próximos ejemplos.