11.12: Resumen
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Los filtros son circuitos selectivos de frecuencia. Las formas básicas son paso alto, paso bajo, paso banda y rechazo de banda. Aunque los filtros pueden construirse únicamente a partir de resistencias, capacitores e inductores, los filtros activos que utilizan amplificadores operacionales ofrecen muchas ventajas. Estas ventajas incluyen: tamaño modesto de los componentes, control sobre impedancias y efectos de carga, eliminación de inductores y ganancia (si se desea). Los aspectos negativos incluyen: rango de frecuencia limitado por amplificadores operacionales utilizados, fuente de alimentación requerida y la incapacidad para manejar grandes potencias de entrada/salida. Para muchas aplicaciones, las ventajas superan con creces las desventajas y, por lo tanto, los filtros activos se utilizan en una amplia variedad de productos modernos.
Los filtros se definen aún más por orden y alineación. El orden indica la inclinación de la pendiente de atenuación. Como regla general, la tasa de rolloff eventual será igual a 6 dB veces el orden, por octava. El orden también indica el número mínimo de elementos reactivos necesarios para realizar el filtro. La alineación indica la forma de la respuesta del filtro en el dominio de la frecuencia. Las alineaciones populares incluyen Bessel (retardo de tiempo constante), Butterworth (respuesta máxima plana en la banda de pase) y Chebyshev (ondulaciones en la banda de pase, pero con tasas de roll off más rápidas). Por lo general, existe una compensación entre las tasas de atenuación rápidas y la respuesta de fase suave. La alineación se indica por la amortiguación o\(Q\) del filtro. \(Q\)es el recíproco de la amortiguación. Los filtros con factores de amortiguación bajos (es decir, altos\(Q\)) tienden a ser “picos” en el dominio de la frecuencia y producen timbre en entradas de tipo pulso. (Los chebyshevs están en esta categoría.) La frecuencia crítica del filtro y la frecuencia descendente de 3 dB no son las mismas para alineaciones distintas del Butterworth. La cantidad real de “sesgo” depende de la alineación y el orden del filtro.
Una vez que se especifica el rendimiento del filtro, hay una serie de formas en las que el circuito se puede realizar físicamente. Las realizaciones comunes de paso alto y bajo utilizan el enfoque Sallen y Key VCVS. Hay dos variaciones sobre este tema: la forma unidad-ganancia y la forma de igual componente. Ambas formas utilizan una sección de bloques de construcción de segundo orden. Para órdenes superiores, se combinan varias secciones de segundo orden (y opcionalmente, una sección de primer orden) para producir el filtro final. Es importante recordar que los filtros de orden superior no son combinaciones simples de filtros idénticos de orden inferior. Por ejemplo, un filtro Butterworth de 1 kHz de cuarto orden no se fabrica al conectar en cascada un par de filtros Butterworth idénticos de segundo orden de 1 kHz. Más bien, cada sección requiere factores específicos de amortiguación y frecuencia. Un procedimiento de diseño común utiliza tablas de consulta para estos factores. Los filtros se diseñan escalando primero el filtro general a la frecuencia de corte deseada y luego escalando los componentes para valores prácticos.
Para\(Q\) s (<1) relativamente bajos, los filtros de paso de banda se realizan mejor como una cascada de filtros de paso alto y bajo. Para mayores\(Q\) s, esta técnica no es satisfactoria. Se pueden realizar\(Q\) s moderados (hasta 10) con el filtro de retroalimentación múltiple. Se pueden realizar\(Q\) aplicaciones muy altas (hasta 100) con el filtro variable de estado. La variable de estado a menudo se conoce como filtro universal, ya que produce salidas de paso alto, bajo y de paso de banda. Con la adición de un cuarto amplificador, se puede formar un filtro de rechazo de banda. Las versiones de ganancia fija y ajustable de la variable de estado pueden ser utilizadas por el diseñador.
Un grupo de filtros algo más especializado son los ecualizadores comúnmente empleados en equipos de grabación y reproducción de audio. A diferencia de los filtros tradicionales, los ecualizadores ofrecen tanto refuerzo como atenuación de frecuencias. Generalmente, estos circuitos se basan en amplificadores de inversión paralelo-paralelo, utilizando una red de retroalimentación ajustable y selectiva en frecuencia.
Los CI de filtro de condensador conmutados ofrecen las soluciones convenientes de diseño para el diseño de filtros de uso general. Generalmente son adecuados para el rango de frecuencias de audio y requieren muy pocos componentes externos. La frecuencia crítica se establece mediante una entrada de reloj. El orden y la alineación pueden ser establecidos en fábrica o ajustables por el usuario (como en los tipos de variables de estado universales).
11.12.1: Referencias
Lancaster, Don Filtro Activo Libro de cocina, 2nd e, Woburn, Mass.: ButterworthHeinemann, 1996.
Bohn, Dennis ed. Manual de audio, Santa Clara, Ca.: Corporación Nacional de Semiconductores, 1976.
Tedeschi, Frank P. El Manual de filtro activo, Libros TAB, 1979.
Manual de audio, Norwood, Mass.: Precision Monolithics Inc., 1990.
Jung, Walter G. Aplicaciones de amplificador operacional de IC de audio, 2nd e, Indianápolis, Ind.: Howard W. Sams, 1978.