Filtro electrónico

Un filtro eléctrico o filtro electrónico es un elemento que discrimina una determinada frecuencia o gama de frecuencias de una señal eléctrica que pasa a través de él, pudiendo modificar tanto su amplitud como su fase.

Características

Las características que definen un filtro vienen determinadas por los siguientes conceptos:

Función de transferencia

Con independencia de la realización concreta del filtro (analógico, digital o mecánico) la forma de comportarse de un filtro se describe por su función de transferencia. Ésta determina la forma en que la señal aplicada cambia en amplitud y en fase al atravesar el filtro. La función de transferencia elegida tipifica el filtro. Algunos filtros habituales son:

• Filtro de Butterworth, con una banda de paso suave y un corte agudo
• Filtro de Chebyshev, con un corte agudo pero con una banda de paso con ondulaciones
• Filtros elípticos o filtro de Cauer, que consiguen una zona de transición más abrupta que los anteriores a costa de oscilaciones en todas sus bandas
• Filtro de Bessel, que, en el caso de ser analógico, aseguran una variación de fase constante

Se puede llegar a expresar matemáticamente la función de transferencia en forma de fracción mediante las transformaciones en frecuencia adecuadas. Se dice que los valores que hacen nulo el numerador son los ceros y los que hacen nulo el denominador son polos.

$H(f)={\frac {numerador(f)}{denominador(f)}}$

El número de polos y ceros indica el orden del filtro y su valor determina las características del filtro, como su respuesta en frecuencia y su estabilidad.

Orden

El orden de un filtro describe el grado de aceptación o rechazo de frecuencias por arriba o por debajo, de la respectiva frecuencia de corte. Un filtro de primer orden, cuya frecuencia de corte sea igual a (F), presentará una atenuación de 6 dB en la primera octava (2F), 12 dB en la segunda octava (4F), 18 dB en la tercera octava (8F) y así sucesivamente. Uno de segundo orden tendría el doble de pendiente (representado en escala logarítmica). Esto se relaciona con los polos y ceros: los polos hacen que la pendiente baje con 20 dB por década y los ceros que suba también con 20 dB por década, de esta forma los polos y ceros pueden compensar su efecto.

Para realizar filtros analógicos de órdenes más altos se suele realizar una conexión en serie de filtros de 1º o 2º orden debido a que a mayor orden el filtro se hace más complejo. Sin embargo, en el caso de filtros digitales es habitual obtener órdenes superiores a 100.

Tipos de filtros

Atendiendo a sus componentes constitutivos, naturaleza de las señales que tratan, respuesta en frecuencia y método de diseño, los filtros se clasifican en los distintos grupos que a continuación se indica.

Según respuesta frecuencia

• Filtro paso bajo: Es aquel que permite el paso de frecuencias bajas, desde frecuencia 0 o continua hasta una determinada. Presentan ceros a alta frecuencia y polos a bajas frecuencia.
• Filtro paso alto: Es el que permite el paso de frecuencias desde una frecuencia de corte determinada hacia arriba, sin que exista un límite superior especificado. Presentan ceros a bajas frecuencias y polos a altas frecuencias.
• Filtro paso banda: Son aquellos que permiten el paso de componentes frecuenciales contenidos en un determinado rango de frecuencias, comprendido entre una frecuencia de corte superior y otra inferior.
• Filtro elimina banda: También llamado filtro rechaza banda, atenua banda o filtro Notch, es el que dificulta el paso de componentes frecuenciales contenidos en un determinado rango de frecuencias, comprendido entre una frecuencia de corte superior y otra inferior.
• Filtro multibanda: Es que presenta varios rangos de frecuencias en los cuales hay un comportamiento diferente.
• Filtro variable: Es aquel que puede cambiar sus márgenes de frecuencia.

Filtros activos y pasivos

• Filtro pasivo: Es el constituido únicamente por componentes pasivos como condensadores, bobinas y resistencias.
• Filtro activo: Es aquel que puede presentar ganancia en toda o parte de la señal de salida respecto a la de entrada. En su implementación se combinan elementos activos y pasivos. Siendo frecuente el uso de amplificadores operacionales, que permite obtener resonancia y un elevado factor Q sin el empleo de bobinas.

Filtros analógicos o digitales

Atendiendo a cómo se construye el filtro, bien con componentes electrónicos analógicos, bien con electrónica y lógica digitales, los filtros pueden clasificarse en:

• Filtro analógico: es el filtro clásico. Diseñado con componentes analógicos tales como resistencias, condensadores y amplificadores operacionales.
• Filtro digital: un chip o microprocesador se encarga del cálculo de la señal de salida en función de unos parámetros programados en el interior de la electrónica. Electrónicas típicas para el cálculo de filtros digitales son las FPGAs, DSPs, microprocesadores y microcontroladores (incluidos los ordenadores y PACs).

Hoy en día la mayoría de filtros son digitales debido a los beneficios de los sistemas digitales frente a los analógicos: repetitibilidad, estabilidad, redefinibles por software en vez de hardware, tamaño, etc.

Otros filtros

• Filtro piezoeléctrico Es aquel que aprovecha las propiedades resonantes de determinados materiales como el cuarzo.

Otro tipo de filtro puede ser la ferrita que hay en muchos cables, por ejemplo en el de las pantallas de ordenador, que tiene la propiedad de presentar distinta impedancia a alta y baja frecuencia.

Véase también

• Aliasing
• Filtro analógico
• Filtro digital
• Filtro adaptativo
• Transformación en frecuencia
• Programación rápida de filtros digitales con NI LabVIEW, compatible con C y FPGAs.

Enlaces externos

• Librería para la construcción de filtros digitales con LabVIEW
• Librería para la construcción de filtros adaptativos con LabVIEW
• Símbolos de filtros eléctricos