La pesadilla de todo diseñador analógico sería lidiar con el ruido en su circuito. Cuando se trata de circuitos de conmutación o de amplificadores de audio o de circuitos de señales de frecuencia, hay muchas posibilidades de que el circuito se vea afectado por señales de ruido. De las muchas formas de eliminar el ruido de un circuito, la más utilizada es la llamada Circuito de Filtro. Como su nombre indica, este circuito filtrará las señales no deseadas (ruido) de la señal real. Hay muchos tipos de circuitos de filtrado, pero el más utilizado y eficiente es el filtro de paso de banda, que se puede construir fácilmente utilizando un par de resistencias y condensadores. Así que en este tutorial, vamos a aprender acerca de este filtro de paso de banda, la teoría detrás de él y cómo se puede utilizar en circuitos prácticos.
¿Qué es un filtro de paso de banda?
Un circuito/dispositivo de filtro de paso de banda se utiliza para permitir que sólo un conjunto predefinido de frecuencias pase a través de él. Filtrará toda la frecuencia que esté por debajo del valor establecido y por encima del valor establecido. Es una combinación de un filtro de paso alto y un filtro de paso bajo. Un filtro que permite sólo las frecuencias que son más altas que él se llama como filtro de paso alto y el filtro que permite las frecuencias que son sólo más bajas que él se llama como filtro de paso bajo. Un filtro de paso de banda puede obtenerse mediante la conexión en cascada de los filtros de paso alto y bajo. Tiene una enorme aplicación en los circuitos de amplificación de audio y en los transceptores inalámbricos en los que el altavoz tiene que reproducir sólo el conjunto de frecuencias deseado e ignorar el resto.
Hay dos tipos de filtros pasa banda. Si el circuito involucra algún tipo de fuente externa de energía (dispositivos activos) como transistores, etc., entonces el circuito se llama filtro pasabanda activo y si el circuito no involucra ningún componente activo y consiste sólo en componentes pasivos como resistencia, condensador e inductor, entonces el circuito se llama filtro pasabanda pasivo. En este artículo vamos a discutir más sobre el filtro pasabanda pasivo. Aparte de esta clasificación, los otros aspectos en los que el filtro se puede clasificar, serán informados en este artículo.
Circuito de filtro de paso de banda
Como se dijo anteriormente vamos a discutir el filtro de paso de banda pasivo que se construye utilizando la resistencia y el condensador. Es una combinación del filtro de paso alto y del filtro de paso bajo. A continuación se muestra un diagrama de circuito de ejemplo de un simple filtro pasabanda pasivo.
La primera mitad del circuito es un filtro paso alto que filtra las frecuencias bajas y permite sólo la frecuencia que es más alta que la frecuencia de corte alta establecida (fcHIGH). El valor de esta frecuencia de corte alta puede calcularse utilizando las fórmulas
fcHIGH = 1 / 2π*R1*C1
La segunda mitad del circuito es el circuito de filtro de paso bajo que filtra las frecuencias más altas y permite sólo la frecuencia que es más baja que la frecuencia de corte baja establecida (fcLOW). El valor de la frecuencia de corte baja se puede calcular utilizando las fórmulas
fcLOW = 1 / 2π*R2*C2
Este tipo de circuito de filtro se denomina filtro de 2º orden porque tiene dos resistencias y dos condensadores. Un filtro pasa banda puede ser un filtro de 2º orden o de orden superior ya que se necesita un mínimo de dos resistencias y un condensador para el correcto funcionamiento del circuito. Ahora, cuando se suministra una frecuencia de señal de entrada a este filtro, éste emite una frecuencia que es mayor que fcLOW y menor que fcHIGH. En otras palabras, la frecuencia de salida puede ser dada por fcHIGH- fcLOW, la frecuencia que se encuentra entre esta región se llama ancho de banda. Por lo tanto, el ancho de banda del filtro se puede calcular mediante
Bandwidth = fcHIGH- fcLOW
Respuesta en frecuencia de un filtro pasabanda
A continuación se muestra la respuesta en frecuencia, también conocida como curva de Bode Plot, de un filtro pasabanda pasivo de 2º orden.
El gráfico se representa contra la frecuencia de entrada en el eje X y la salida en decibelios en el eje Y. Cuando la frecuencia de entrada es menor que la frecuencia de corte inferior (f-bajo) la salida se mantiene por debajo de -3dB y cuando supera esa frecuencia, la salida alcanza el máximo y se mantiene ahí hasta que la frecuencia supera la frecuencia de corte superior (f-alto). El pico en el que la ganancia de salida se mantiene al máximo se denomina frecuencia de resonancia. Es simplemente la media geométrica de la frecuencia de corte superior y la frecuencia de corte inferior. Las fórmulas para calcularla se dan a continuación
Resonant frequency (Fr) =√(f – low * f - high)
La distancia entre la frecuencia de corte inferior y la frecuencia de corte superior se denomina ancho de banda. Así que la frecuencia de entrada se permitirá pasar sólo si está dentro del límite del ancho de banda.
Ejemplo práctico de filtros de paso de banda
Construyamos un simple filtro de paso de banda para filtrar un cierto conjunto de frecuencias y comprobar cómo funciona realmente. El montaje experimental que estoy utilizando para este tutorial se muestra a continuación
Como puedes ver el filtro de paso alto se construye utilizando el condensador 0,1uF (C1) y la resistencia 1K (R1). Así que la frecuencia de corte más alta para este circuito será
fcHIGH = 1 / 2π*R1*C1= 1/(2*3.17*1*10^3*0.1*10^-6)=1577 Hz
El filtro de paso bajo se construye utilizando el condensador 470pF (C2) y la resistencia 87K (R2). La frecuencia de corte inferior para este circuito se puede calcular de la siguiente manera
fcLOW = 1 / 2π*R2*C2= 1/(2*3.14*8.7*10^3*470*10^-12)=7280 Hz
De los cálculos anteriores podemos deducir que el circuito permitirá frecuencias sólo en el rango de 1577 Hz a 7280 HZ y todo lo que sea menor o mayor que esto será filtrado por nuestro filtro pasa banda. Comprobemos si lo mismo funciona construyendo el circuito en una protoboard. Mi montaje de prueba se parecía a lo siguiente
Para probar el circuito necesitamos un generador de funciones que genere una frecuencia de señal cuya frecuencia pueda ser controlada. Como no tenía uno decidí utilizar mi teléfono que tiene una aplicación android que generaría las frecuencias necesarias a través de mi conector de auriculares de 3,5mm. Esta señal se da entonces como la frecuencia de entrada al circuito usando un jack como se muestra arriba.
Para comprobar la dependencia de la aplicación utilicé por osciloscopio para medir la frecuencia de la señal de entrada y encontró que la frecuencia generar es responsable. La siguiente imagen muestra la aplicación en mi teléfono que genera unos 4,819 Hz de frecuencia de entrada y el osciloscopio conectado a ella muestra la señal y mide una frecuencia de 4,816 KHz que es perfecta.
Ahora, podemos conectar el osciloscopio a la señal de salida del circuito y variar la frecuencia de entrada. El circuito permitirá que toda la frecuencia que esté entre 1500 y 7000 se muestre en el osciloscopio y las demás se filtrarán o serán ruidosas. También hay que tener en cuenta que este circuito es sólo para fines de comprensión y por lo tanto está sujeto a los avances antes de aplicarlo en términos reales. Además, dado que el circuito se construye sobre una protoboard, la señal de salida puede captar algo de ruido, coloque el condensador lo más cerca posible y reduzca la longitud de sus cables para reducir el problema. Espero que hayas entendido sobre los filtros de paso de banda, si tienes alguna pregunta déjala en el comentario de abajo o utiliza los foros.