Filtros Activos: Funcionamiento, Tipos y Ventajas con Amplificadores Operacionales

¿Qué son los Filtros y por qué son Necesarios?

Como ya se sabe, entre las características que determinan una señal eléctrica se encuentra la frecuencia. En muchos casos prácticos, a través de un circuito puede circular más de una señal eléctrica, es decir, pueden pasar señales con distinta frecuencia. Sin embargo, puede darse el caso de que, en determinadas circunstancias, solo interese una de las señales que circulan por el circuito. Esta "selección" de una señal eléctrica según su frecuencia es la función principal de los filtros.

Evolución: De Filtros Pasivos (RLC) a Activos (RC)

Filtros Pasivos (RLC)

Al principio, los filtros estaban compuestos únicamente por elementos pasivos: resistencias (R), condensadores (C) e inductancias (L). Estos se conocen como filtros RLC.

La Revolución del Amplificador Operacional

La aparición del amplificador operacional (Op-Amp) ha traído consigo una mejora notable en la fabricación de los filtros, ya que se ha podido prescindir de las inductancias. La mejora conseguida con el cambio de inductancias por amplificadores operacionales es apreciable en cuanto a:

• Respuesta en frecuencia.
• Aprovechamiento de la energía (menor disipación).
• Tamaño y peso, ya que las inductancias no se pueden integrar fácilmente en un circuito y, por tanto, son elementos discretos con un tamaño considerable.

Estos nuevos filtros se denominan filtros activos RC.

Ventajas y Desventajas de los Filtros Activos RC

Ventajas

Como se mencionó, las principales ventajas frente a los filtros pasivos RLC son la mejora en la respuesta, la eficiencia energética y la reducción de tamaño y peso.

Desventajas

Frente a los filtros fabricados con elementos pasivos (filtros RLC), los filtros activos RC presentan algunas desventajas:

• Limitaciones en los niveles de tensión y corriente que pueden manejar.
• Efectos parásitos inducidos por los elementos activos, como la tensión de desplazamiento (offset) en corriente continua a la salida o la corriente de polarización en la entrada.

Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones, las ventajas de los filtros activos RC sobre los pasivos RLC son más numerosas, de ahí que estén adquiriendo una importancia cada vez mayor en el campo de la ingeniería.

Definición y Funcionamiento de los Filtros Activos

Los filtros activos son circuitos compuestos por resistencias, condensadores y amplificadores operacionales. Su finalidad es dejar pasar a través de ellos las frecuencias para las que han sido diseñados, eliminando así el resto de las frecuencias no deseadas. Esto se consigue atenuando, o incluso llegando a anular, aquellas señales cuya frecuencia no está en el margen de frecuencias admisible.

Tipos de Filtros Activos

Existen básicamente cuatro tipos de filtros:

Filtro Pasa-Bajas (Low-Pass)

Permiten el paso de las frecuencias bajas. Un filtro pasa-bajas solo permite el paso de señales con frecuencias menores a una frecuencia de corte determinada, digamos f₁.

Filtro Pasa-Altas (High-Pass)

Por el contrario, solo permiten el paso de frecuencias altas. Un filtro pasa-altas solo permite el paso de señales con frecuencias mayores a una frecuencia de corte f₁.

Filtro Pasa-Banda (Band-Pass)

Solamente permiten el paso de un determinado rango de frecuencias. En un filtro pasa-banda, las señales con frecuencias comprendidas entre f₁ y f₂ son las únicas que pasan. El rango de frecuencias (ancho de banda) dependerá evidentemente de los elementos utilizados en su construcción y, por tanto, se podrá seleccionar según sea más conveniente.

Filtro Rechaza-Banda (Band-Reject / Notch)

También llamados filtros supresores de frecuencias o filtros notch. Como su nombre indica, son capaces de atenuar o incluso eliminar un rango de frecuencias concreto. En un filtro rechaza-banda, las señales con frecuencias comprendidas entre f₁ y f₂ son las únicas que no pasan (son atenuadas).

Importancia y Aplicaciones

El uso de los filtros se ha incrementado considerablemente en estas dos últimas décadas, hasta el punto de existir volúmenes enteros dedicados exclusivamente a ellos en la literatura técnica.

Ejemplo: Filtro Activo Pasa-Banda Básico

Como ejemplo, se puede considerar un filtro activo pasa-banda básico. Los valores de los condensadores y de las resistencias, así como las características del amplificador operacional utilizado, son los que van a determinar el margen de frecuencias (la banda de paso) que pueden pasar por el filtro.