Filtro de paso bajo activo

Anteriormente describimos el filtro de paso bajo pasivo, en este tutorial exploraremos qué es un filtro de paso bajo activo.

¿Qué es, circuito, fórmulas, curva?

Como sabemos por el tutorial anterior, el filtro de paso bajo pasivo funciona con componentes pasivos. Solo dos componentes pasivos, la resistencia y el condensador, es la clave o el corazón de un circuito de filtro de paso bajo pasivo. Aprendimos en los tutoriales anteriores que el filtro de paso bajo pasivo funciona sin ninguna interrupción externa o respuesta activa. Pero tiene ciertas limitaciones.

Las limitaciones del filtro de paso bajo pasivo son las siguientes:

1. La impedancia del circuito crea una pérdida de amplitud. Entonces el Vout es siempre menor que el Vin.
2. La amplificación no se puede realizar solo con un filtro de paso bajo pasivo.
3. Las características del filtro dependen en gran medida de la impedancia de carga.
4. La ganancia es siempre igual o menor que la ganancia unitaria.
5. Cuanto más se agregan las etapas de filtrado o el orden de filtrado, la pérdida de amplitud disminuye.

Debido a esta limitación, si se necesita amplificación, la mejor manera de agregar un componente activo que amplificará la salida filtrada. Esta amplificación se realiza mediante un amplificador operacional o un amplificador operacional. Como esto requiere una fuente de voltaje, es un componente activo. De ahí el nombre Filtro de paso bajo activo.

Un amplificador típico extrae la energía de la fuente de alimentación externa y amplifica la señal, pero es muy flexible ya que podemos cambiar el ancho de banda de frecuencia de manera más flexible. Además, es elección del usuario o del diseñador seleccionar qué tipo de componentes activos elegir según los requisitos. Puede ser Fet, Jfet, Transistor, Op-Amp que incluyen mucha flexibilidad. La elección del componente también depende del costo y la efectividad si está diseñado para un producto de producción en masa.

En aras de la simplicidad, la eficacia del tiempo y también las tecnologías en crecimiento en el diseño de amplificadores operacionales, generalmente se utiliza un amplificador operacional para el diseño de filtros activos.

Veamos por qué deberíamos elegir un amplificador operacional para diseñar un filtro de paso bajo activo: -

1. Alta impedancia de entrada.

   Debido a la alta impedancia de entrada, la señal de entrada no se pudo destruir ni alterar. En general o en la mayoría de los casos, la señal de entrada que tiene una amplitud muy baja podría destruirse si se utiliza como circuito de baja impedancia. Op-Amp obtuvo un punto positivo en tales casos.

2. Recuento de componentes muy bajo. Solo se necesitan pocas resistencias.
3. Varios tipos de amplificador operacional están disponibles según la ganancia y la especificación de voltaje.
4. Ruido bajo.
5. Más fácil de diseñar e implementar.

Pero como sabemos que nada es del todo perfecto, este diseño de filtro activo también tiene cierta limitación.

La ganancia de salida y el ancho de banda, así como la respuesta de frecuencia, dependen de la especificación del amplificador operacional.

Exploremos más y entendamos qué tiene de especial.

Filtro de paso bajo activo con amplificación:

Antes de comprender el diseño de filtro de paso bajo activo con amplificador operacional, necesitamos saber un poco sobre los amplificadores. Amplify es una lupa, produce una réplica de lo que vemos pero en forma más grande para reconocerlo mejor.

En el primer tutorial del filtro de paso bajo pasivo, habíamos aprendido qué era el filtro de paso bajo. El filtro de paso bajo filtra las frecuencias bajas y bloquea las más altas de una señal sinusoidal de CA. Este filtro de paso bajo activo funciona de la misma manera que el filtro de paso bajo pasivo, la única diferencia es que aquí se agrega un componente adicional, es un amplificador como amplificador operacional.

Aquí está el diseño de filtro de paso bajo simple: -

Esta es la imagen del filtro de paso bajo activo. Aquí la línea de violación nos muestra el filtro RC de paso bajo pasivo tradicional que vimos en el tutorial anterior.

Frecuencia de corte y ganancia de voltaje:

La fórmula de frecuencia de corte es la misma que se utiliza en el filtro de paso bajo pasivo.

fc = 1 / 2πRC

Como se describe en el tutorial anterior, fc es la frecuencia de corte y R es el valor de la resistencia y C es el valor del condensador.

Las dos resistencias conectadas en el nodo positivo del amplificador operacional son resistencias de retroalimentación. Cuando estas resistencias están conectadas en un nodo positivo del amplificador operacional, se denomina configuración no inversora. Estas resistencias son responsables de la amplificación o la ganancia.

Podemos calcular fácilmente la ganancia del amplificador usando las siguientes ecuaciones donde podemos elegir el valor de resistencia equivalente según la ganancia o puede ser viceversa: -

Ganancia del amplificador (amplitud de CC) (Af) = (1 + R2 / R3)

Curva de respuesta de frecuencia:

Veamos cuál será la salida del filtro de paso bajo activo o el diagrama de Bode / curva de respuesta de frecuencia: -

Esta es la salida final del filtro de paso bajo activo en la configuración de amplificador operacional sin inversión. Veremos una explicación detallada en la siguiente imagen.

Como vemos, esto es idéntico al filtro de paso bajo pasivo. Desde la frecuencia de inicio hasta el Fc o el punto de corte de frecuencia o la frecuencia de esquina comenzará desde el punto -3dB. La ganancia es 20dB en esta imagen, por lo que la frecuencia de corte es 20dB - 3dB = 17dB donde se encuentra el punto fc. La pendiente es de -20 dB por década.

Independientemente del filtro, desde el punto de inicio hasta el punto de frecuencia de corte se llama Ancho de banda del filtro y después de eso, se llama banda de paso desde la cual se permite la frecuencia de paso.

Podemos calcular la ganancia de magnitud convirtiendo la ganancia de voltaje del amplificador operacional.

El cálculo es el siguiente

db = 20log (Af)

Esta Af puede ser la ganancia de CC que describimos antes calculando el valor de la resistencia o dividiendo Vout con Vin.

Circuito de filtro de amplificador no inversor e inversor:

Este circuito de filtro de paso bajo activo que se muestra al principio también tiene una limitación. Su estabilidad puede verse comprometida si cambia la impedancia de la fuente de señal. Por ejemplo, disminuir o aumentar.

Una práctica de diseño estándar podría mejorar la estabilidad, quitando el capacitor de la entrada y conectándolo en paralelo con la segunda resistencia de retroalimentación del amplificador operacional.

Aquí está el circuito Filtro de paso bajo activo no inversor:

En esta figura, si comparamos esto con el circuito descrito al principio, podemos ver que la posición del capacitor se altera para la estabilidad relacionada con la impedancia. En esta configuración, la impedancia externa no tiene ningún efecto sobre la reactancia de los condensadores, por lo que la estabilidad mejoró.

En la misma configuración, si queremos invertir la señal de salida, entonces podemos elegir la configuración de señal inversora del amplificador operacional y podríamos conectar el filtro con ese amplificador operacional invertido.

Aquí está la implementación de circuitos del filtro de paso bajo activo invertido: -

Es un filtro de paso bajo activo en configuración invertida. El amplificador operacional está conectado inversamente. En la sección anterior, la entrada se conectó a través del pin de entrada positivo del amplificador operacional y el pin negativo del amplificador operacional se usa para hacer el circuito de retroalimentación. Aquí el circuito invertido. Entrada positiva conectada con la referencia de tierra y el condensador y la resistencia de retroalimentación conectados a través del pin de entrada negativo del amplificador operacional. Esto se llama configuración de amplificador operacional invertido y la señal de salida se invertirá que la señal de entrada.

Filtro de paso bajo activo de ganancia unitaria o seguidor de voltaje:

Hasta ahora, los circuitos descritos aquí se utilizan para fines de ganancia de voltaje y post-amplificación.

Podemos hacerlo usando un amplificador de ganancia unitaria, lo que significa que la amplitud o ganancia de salida será la misma que la de entrada: 1x. Vin = Vout.

Sin mencionar que también es una configuración de amplificador operacional que a menudo se describe como una configuración de seguidor de voltaje donde el amplificador operacional crea la réplica exacta de la señal de entrada.

Veamos el diseño del circuito y cómo configurar el amplificador operacional como seguidor de voltaje y hacer que la ganancia unitaria active el filtro de paso bajo: -

En esta imagen, se eliminan las resistencias de retroalimentación del amplificador operacional. En lugar de la resistencia, el pin de entrada negativo del amplificador operacional conectado directamente con el amplificador operacional de salida. Esta configuración de amplificador operacional se denomina configuración de seguidor de voltaje. La ganancia es 1x. Es un filtro de paso bajo activo de ganancia unitaria. Producirá una réplica exacta de la señal de entrada.

Ejemplo práctico con cálculo

Diseñaremos un circuito de filtro de paso bajo activo en una configuración de amplificador operacional no inversor.

Especificaciones:-

1. Impedancia de entrada 10 kohms
2. La ganancia será 10x
3. La frecuencia de corte será de 320 Hz.

Calculemos el valor primero antes de hacer el circuito: -

Ganancia del amplificador (amplitud de CC) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

R2 = 1k (Necesitamos seleccionar un valor; seleccionamos R2 como 1k para reducir la complejidad del cálculo).

Al juntar el valor obtenemos

(10) = (1 + R3 / 1)

Calculamos que el valor de la tercera resistencia es 9k.

Ahora necesitamos calcular el valor de la resistencia de acuerdo con la frecuencia de corte. Como el filtro de paso bajo activo y el filtro de paso bajo pasivo funcionan de la misma manera, la fórmula de corte de frecuencia es la misma que antes.

Comprobemos el valor del condensador si la frecuencia de corte es 320Hz, seleccionamos el valor de la resistencia es 4.7k.

fc = 1 / 2πRC

Al juntar todo el valor obtenemos: -

Al resolver esta ecuación, obtenemos que el valor del capacitor es de 106 nF aproximadamente.

El siguiente paso es calcular la ganancia. La fórmula de la ganancia es la misma que la del filtro de paso bajo pasivo. La fórmula de ganancia o magnitud en dB es la siguiente:

20log (Af)

Como la ganancia del amplificador operacional es 10 veces mayor, la magnitud en dB es 20log (10). Esto es 20dB.

Ahora, como ya calculamos los valores, ahora es el momento de construir el circuito. Sumamos todos y construyamos el circuito: -

Construimos el circuito en base a los valores calculados anteriormente. Proporcionaremos una frecuencia de 10Hz a 1500Hz y 10 puntos por década en la entrada del filtro de paso bajo activo e investigaremos más para ver si la frecuencia de corte es de 320Hz o no en la salida del amplificador.

Esta es la curva de respuesta de frecuencia. La línea verde comienza desde 10 Hz hasta 1500 Hz, ya que la señal de entrada se suministra solo para ese rango de frecuencia.

Como sabemos, la frecuencia de la esquina estará siempre a -3dB de la magnitud de ganancia máxima. Aquí la ganancia es de 20 dB. Entonces, si descubrimos que el punto -3dB obtendrá la frecuencia exacta donde el filtro detiene las frecuencias más altas.

Colocamos el cursor en 17 db como (20dB-3dB = 17dB) la frecuencia de esquina y obtenemos 317.950Hz o 318Hz que está cerca de los 320Hz.

Podemos cambiar el valor del condensador al genérico como 100nF y sin mencionar que la frecuencia de esquina también se verá afectada por unos pocos Hz.

Filtro de paso bajo activo de segundo orden:

Es posible agregar más filtros en un amplificador operacional como un filtro de paso bajo activo de segundo orden. En tal caso, al igual que el filtro pasivo, se agrega un filtro RC adicional.

Veamos cómo se construye el circuito de filtro de segundo orden.

Este es el filtro de segundo orden. En la figura anterior podemos ver claramente los dos filtros sumados. Este es el filtro de segundo orden. Es un filtro ampliamente utilizado y la aplicación industrial es amplificador, circuitos del sistema musical antes de la amplificación de potencia.

Como puede ver, hay un amplificador operacional. La ganancia de voltaje es la misma que se indicó anteriormente usando dos resistencias.

(Af) = (1 + R3 / R2)

La frecuencia de corte es

Una cosa interesante para recordar si queremos agregar más amplificadores operacionales que consisten en filtros de primer orden, la ganancia se multiplicará por cada individuo. ¿Confuso? Puede que un esquema nos ayude.

Cuanto más se agrega el amplificador operacional, más ganancia se multiplica. Vea la figura anterior, en esta imagen, dos amplificadores operacionales en cascada con amplificador operacional individual. En este circuito, el amplificador operacional en cascada. Si el primero tiene una ganancia de 10x y el segundo tiene una ganancia de 5x, la ganancia total será 5 x 10 = 50x de ganancia.

Entonces, la magnitud del circuito de filtro de paso bajo del amplificador operacional en cascada en el caso de dos amplificadores operacionales es: -

dB = 20 log (50)

Resolviendo esta ecuación es 34dB. Entonces, la ganancia de la fórmula de ganancia del filtro de paso bajo del amplificador operacional en cascada es

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

Donde TdB = Magnitud total

Así es como se construye el filtro de paso bajo activo. En el siguiente tutorial, veremos cómo se puede construir el filtro de paso alto activo. Pero antes del próximo tutorial veamos cuáles son las aplicaciones del filtro de paso bajo activo: -

Aplicaciones

El filtro de paso bajo activo se puede usar en varios lugares donde el filtro de paso bajo pasivo no se puede usar debido a la limitación sobre la ganancia o el procedimiento de amplificación. Aparte de eso, el filtro de paso bajo activo se puede utilizar en los siguientes lugares: -

El filtro de paso bajo es un circuito ampliamente utilizado en electrónica.

Aquí hay algunas aplicaciones del filtro de paso bajo activo: -

1. Ecualización de graves antes de la amplificación de potencia
2. Filtros relacionados con videos.
3. Osciloscopio
4. Sistema de control de música y modulación de frecuencia de graves, así como antes del woofer y altavoces de audio de graves altos para salida de graves
5. Generador de funciones para proporcionar baja frecuencia variable a diferentes niveles de voltaje.
6. Cambiar la forma de la frecuencia en una onda diferente de.