filtro activo es un tipo de circuito analógico que implementa un filtro electrónico que usa componentes activos , típicamente un amplificador . Los amplificadores incluidos en un diseño de filtro pueden utilizarse 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 de bajo costo. [2] En algunos circuitos de filtro activos, un parámetro se puede ajustar sin afectar a los otros.
Tipos [ editar ]
El uso de elementos activos tiene algunas limitaciones. Las ecuaciones básicas del diseño del filtro descuidan 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 ser poco prácticas si no se proporciona una ruta de CC para la corriente de polarización de los elementos del amplificador. La capacidad de manejo de potencia está limitada por las etapas del amplificador. [3]
- Sallen-Key y filtros VCVS (baja sensibilidad a la tolerancia de los componentes)
- Filtros de variables de estado y filtros biquadratic o biquad.
- Amplificador de banda dual (DABP)
- Wien notch
- Filtros de retroalimentación múltiple
- Fliege (el recuento más bajo de componentes para 2 opamp pero con buena capacidad de control sobre la frecuencia y el tipo)
- Akerberg Mossberg (una de las topologías que ofrece 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 comunes son:
- Filtro de paso alto : atenuación de las frecuencias por debajo de sus puntos de corte.
- Filtro de paso bajo : atenuación de las frecuencias por encima de sus puntos de corte.
- Filtro de paso de banda : atenuación de las frecuencias por encima y por debajo de las que permiten pasar.
- Filtro de parada de banda ( filtro de muesca): atenuación de ciertas frecuencias al tiempo que permite que todas las demás pasen. [4]
- Las combinaciones son posibles, como la muesca y el paso alto (en un filtro de estruendo donde la mayor parte del rumor ofensivo proviene de una frecuencia particular). Otro ejemplo es un filtro elíptico .
Diseño de filtros activos [ editar ]
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, pero no todas, las topologías de filtro activas proporcionan una salida amortiguada (baja impedancia). Sin embargo, recuerde que la impedancia de salida interna de los amplificadores operacionales, si se usa, puede aumentar notablemente a altas frecuencias y reducir la atenuación de 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 (correr en los rieles de la fuente de alimentación) a las señales de entrada esperadas, ni debe operarse a amplitudes tan bajas que el ruido domine.
- El grado en que las señales no deseadas deben ser rechazadas.
- En el caso de los filtros de paso de banda de banda estrecha, el Q determina el ancho de banda de -3 dB pero también el grado de rechazo de las frecuencias alejadas de la frecuencia central; Si estos dos requisitos están en conflicto, puede ser necesario un filtro de paso de banda de ajuste escalonado .
- Para los filtros de muesca, el grado en que deben rechazarse las señales no deseadas en la frecuencia de la muesca determina la precisión de los componentes, pero no la Q, que se rige por la inclinación deseada de la muesca, es decir, el ancho de banda alrededor de la muesca antes de que la atenuación sea pequeña.
- Para el paso alto y el paso bajo (así como los 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 todos los polos de segundo orden proporciona una pendiente máxima de aproximadamente 12 dB por octava (40 dB / década), pero la pendiente cercana a la frecuencia de la esquina es mucho menor, ya veces es necesario agregar una muesca al filtro.
- La "ondulación" permitida (variación de una respuesta plana, en decibelios) 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 la esquina, determina la relación de amortiguamiento o el factor de amortiguamiento ( = 1 / (2Q)). Esto también afecta la respuesta de fase y la respuesta de tiempo a una entrada de onda cuadrada . Varias formas de respuesta importantes (relaciones de amortiguamiento) tienen nombres conocidos:
- Filtro Chebyshev : pico / ondulación en la banda de paso antes de la esquina; Q> 0.7071 para filtros de 2do orden.
- Filtro Butterworth - respuesta de amplitud máxima plana; Q = 0.7071 para filtros de 2do orden
- Filtro Linkwitz-Riley : propiedades deseables para aplicaciones de crossover de audio, tiempo de subida más rápido sin sobrepasamiento; Q = 0.5 ( humedecido críticamente )
- Filtro de Paynter o de transición Thompson-Butterworth o "compromiso": caída más rápida que Bessel; Q = 0.639 para filtros de 2do orden
- Filtro Bessel - retardo de grupo máximo plano; Q = 0.577 para filtros de 2do orden. Proporciona una buena fase lineal.
- Filtro elíptico o filtro Cauer: agregue una muesca (o "cero") justo fuera 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 al filtro ideal (es decir, una buena respuesta plana tanto de la banda de paso como de la banda de parada).
Ventajas [ editar ]
- A baja frecuencia, el valor del condensador y del inductor debe incrementarse. Con esto, las pérdidas aumentan y el tamaño también aumenta para superarla, nos estamos moviendo hacia el filtro activo. En filtro activo, estamos descuidando el inductor. Por esto el tamaño del filtro disminuye. A baja frecuencia es mejor usar filtro activo y a alta frecuencia es mejor usar filtro pasivo. [ cita requerida ]
- Buenas características de fase lineal.
- Buena banda de paso y parada de banda.
Desventajas [ editar ]
- El ancho de banda del amplificador afectará las características del filtro.
- La tasa de giro también se efectúa a alta frecuencia.
- Requiere más fuentes de alimentación.
Una línea de retardo analógica es una red de componentes eléctricos conectados en cascada , donde cada elemento individual crea una diferencia de tiempo o cambio de fase entre su señal de entrada y su señal de salida. Opera en señales analógicas cuya amplitud varía continuamente. Un ejemplo es un dispositivo de brigada de cubo . [1]
Otros tipos de línea de retardo incluyen dispositivos acústicos (generalmente ultrasónicos ), magnetostrictivos y de ondas acústicas de superficie . Una serie de circuitos de resistencia-condensador (circuitos RC ) se pueden conectar en cascada para formar un retraso. Una línea de transmisión larga también puede proporcionar un elemento de retardo. El tiempo de retardo de una línea de retardo analógico puede ser solo de unos pocos nanosegundos o varios milisegundos, limitado por el tamaño práctico del medio físico utilizado para retardar la señal y la velocidad de propagación de los impulsos en el medio.
Las líneas de retardo analógico se aplican en muchos tipos de circuitos de procesamiento de señales; por ejemplo, el estándar detelevisión PAL utiliza una línea de retardo analógico para almacenar una línea de escaneo de video completa . Las líneas de retardo acústicas y electromecánicas se utilizan para proporcionar un efecto de " reverberación " en los amplificadores de instrumentos musicales, o para simular un eco. Los osciloscopios de alta velocidad utilizaban una línea de retardo analógica para permitir la observación de formas de onda justo antes de algún evento de activación.
Con el uso cada vez mayor de técnicas de procesamiento de señales digitales, las formas digitales de retardo son prácticas y eliminan algunos de los problemas de disipación y ruido en los sistemas analógicos.
Historia [ editar ]
En las décadas de 1920 se utilizaron redes de escalera de inductores y condensadores como líneas de retardo analógicas. Por ejemplo, la patente del buscador de dirección de sonar de Francis Hubbard se presentó en 1921. [2] Hubbard se refirió a esto como una línea de transmisión artificial . En 1941, Gerald Tawney de Sperry Gyroscope Company solicitó una patente en un empaque compacto de una red de escalera de inductores y capacitores a la que se refirió explícitamente como una línea de demora de tiempo . [3]
En 1924, Robert Mathes de Bell Telephone Laboratories presentó una patente amplia que cubría esencialmente todas las líneas de retardo electromecánico, pero se enfocaba en líneas de retardo acústico donde una columna de aire confinada a una tubería servía como medio mecánico y un receptor de teléfono en un extremo y un teléfono El transmisor en el otro extremo sirvió como transductores electromecánicos. [4] Mathes fue motivado por el problema de la supresión del eco en las líneas telefónicas de larga distancia, y su patente explicó claramente la relación fundamental entre las redes de escalera de inductor-condensador y las líneas de retardo elástico mecánico, como su línea acústica.
En 1938, William Spencer Percival de Electrical & Musical Industries (más tarde EMI ) solicitó una patente en una línea de retardo acústico utilizando transductores piezoeléctricos y un medio líquido. Utilizó agua o queroseno , con una frecuencia portadora de 10 MHz, con múltiples deflectores y reflectores en el tanque de retardo para crear una trayectoria acústica larga en un tanque relativamente pequeño. [5]
En 1939, Laurens Hammond aplicó líneas de retardo electromecánicas al problema de crear una reverberación artificial para su órgano Hammond . [6] Hammond utilizó resortes helicoidales para transmitir ondas mecánicas entre transductores de bobina de voz .
El problema de la supresión de la interferencia multitrayecto en la recepción de televisión motivó a Clarence Hansell de RCA a utilizar líneas de retardo en su solicitud de patente de 1939. Usó "cables de retardo" para esto, piezas relativamente cortas de cable coaxial usadas como líneas de retardo, pero reconoció la posibilidad de usar líneas de retardo magnetoestrictivas o piezoeléctricas . [7]
En 1943, se diseñaron líneas de retardo compactas con capacitancia distribuida e inductancia. Los primeros diseños típicos incluían enrollar un alambre aislado con esmalte en un núcleo aislante y luego rodearlo con una camisa conductora conectada a tierra. Richard Nelson de General Electric presentó una patente para esa línea ese año. [8] Otros empleados de GE, John Rubel y Roy Troell, concluyeron que el cable aislado podría enrollarse alrededor de un núcleo conductor para lograr el mismo efecto. [9] Gran parte del desarrollo de las líneas de demora durante la Segunda Guerra Mundial fue motivada por los problemas encontrados en los sistemas de radar .
En 1944, Madison G. Nicholson solicitó una patente general sobre líneas de retardo magnetoestrictivo . Recomendó su uso para aplicaciones que requieren retrasos o mediciones de intervalos en el rango de tiempo de 10 a 1000 microsegundos. [10]
En 1945, Gordon D. Forbes y Herbert Shapiro presentaron una patente para la línea de demora de mercurio con transductores piezoeléctricos . [11] Esta tecnología de línea de retardo jugaría un papel importante, sirviendo como la base de la memoria de línea de retardo usada en varias computadoras de primera generación .
En 1946, David Arenberg presentó patentes que cubrían el uso de transductores piezoeléctricos unidos a líneas de retardo sólido de un solo cristal. Intentó usar el cuarzo como medio de retardo e informó que la anisotropía en los cristales de cuarzo causó problemas. Informó el éxito con cristales individuales de bromuro de litio , cloruro de sodio y aluminio . [12] [13] Arlenberg desarrolló la idea de un plegado complejo en 2 y 3 dimensiones de la trayectoria acústica en el medio sólido para empaquetar largos retrasos en un cristal compacto. [14] Las líneas de retardo usadas para decodificar PAL.las señales de televisión siguen el esquema de esta patente, utilizando vidrio de cuarzo como medio en lugar de un solo cristal.
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