Fundamentos de Filtros Electrónicos y Retroalimentación en Circuitos

Introducción a los Filtros Electrónicos

Filtros Activos

Un filtro activo es un tipo de filtro electrónico analógico que se distingue por el uso de uno o más componentes activos (elementos que proporcionan alguna forma de amplificación de energía). Esta característica lo diferencia de los filtros pasivos, los cuales emplean únicamente componentes pasivos. Típicamente, este elemento activo puede ser un tubo de vacío, un transistor o, de forma muy común, un amplificador operacional (Op-Amp). En resumen, los filtros activos son aquellos que emplean dispositivos activos, como transistores o amplificadores operacionales, en conjunto con elementos resistivos (R), inductivos (L) y capacitivos (C).

Filtros Pasivos

Un filtro pasivo es un filtro electrónico que se caracteriza por estar formado exclusivamente por componentes pasivos, tales como resistencias (R), condensadores (C) y bobinas (L). Estos filtros se construyen mediante combinaciones serie o paralelo de dichos elementos R, L o C.

Tipos de Filtros Electrónicos según su Respuesta en Frecuencia

Filtro Pasa Bajo (Low-Pass Filter)

Un filtro pasa bajo es un tipo de filtro electrónico que se caracteriza por permitir el paso de las frecuencias más bajas mientras atenúa significativamente las frecuencias más altas. La frecuencia a partir de la cual la atenuación comienza a ser importante se denomina frecuencia de corte.

Filtro Pasa Alto (High-Pass Filter)

Un filtro pasa alto es un tipo de filtro electrónico cuya respuesta en frecuencia atenúa las componentes de baja frecuencia, permitiendo el paso de las altas frecuencias. En el caso de los filtros activos, estas altas frecuencias pueden incluso ser amplificadas. Es importante notar que los términos 'alta' o 'baja frecuencia' son relativos y dependen del diseño específico y la aplicación del filtro.

Filtro Pasa Banda (Band-Pass Filter)

Un filtro pasa banda es un filtro electrónico diseñado para permitir el paso de un rango específico de frecuencias de una señal, conocido como banda de paso, atenuando todas las frecuencias que se encuentren fuera de este rango (tanto por debajo como por encima).

Aplicaciones de los Filtros Pasa Banda

Estos filtros encuentran aplicaciones comunes en diversos campos, por ejemplo:

• Ecualizadores de audio: Permiten que ciertas bandas de frecuencia se amplifiquen o atenúen más que otras, modelando la respuesta tonal del sonido.
• Eliminación de ruido: Son útiles para eliminar ruidos específicos que aparecen junto a una señal deseada, siempre que la frecuencia de la señal útil sea fija o conocida y distinta de la del ruido.

Filtros Activos con Amplificadores Operacionales (A.O.)

Los filtros activos que utilizan amplificadores operacionales (A.O.) son muy populares debido a sus múltiples ventajas.

Ventajas de los Filtros Activos con A.O.

• Además de su función principal de filtrado, pueden proporcionar amplificación de la señal.
• Facilitan la adaptación de impedancias entre diferentes etapas de un circuito.
• Permiten un control preciso sobre diversos parámetros del filtro, como el factor de calidad (Q), la selectividad y el tipo de respuesta del filtro (Butterworth, Chebyshev, Bessel, etc.).
• Existe una gran variedad de montajes y topologías distintas para la realización de filtros con características similares, ofreciendo flexibilidad en el diseño.

El Concepto de Retroalimentación en Circuitos Electrónicos

La retroalimentación (o realimentación) es un proceso fundamental en el diseño de circuitos electrónicos, especialmente en amplificadores.

Tipos de Retroalimentación

La retroalimentación puede ser de dos tipos principales:

• Retroalimentación negativa (degenerativa): El sistema responde oponiéndose al cambio en la señal de entrada o a perturbaciones.
• Retroalimentación positiva (regenerativa): El sistema responde reforzando el cambio en la señal de entrada, lo que puede llevar a la oscilación.

En el diseño de amplificadores, se aplica predominantemente la retroalimentación negativa para mejorar sus características, como por ejemplo, ampliar el ancho de banda.

Topologías Básicas de Retroalimentación

Existen cuatro topologías básicas de retroalimentación, dependiendo de cómo se muestrea la señal de salida y cómo se mezcla la señal de retroalimentación con la entrada. Estas se aplican a diferentes tipos de amplificadores:

Amplificadores de Voltaje

Estos amplificadores toman una señal de voltaje de entrada y producen una señal de voltaje de salida amplificada. Una topología adecuada para ellos es la de mezcla en serie y muestreo de voltaje (serie-paralelo).

Amplificadores de Corriente

Estos amplificadores toman una señal de corriente de entrada y producen una señal de corriente de salida amplificada. Utilizan una topología de mezcla en paralelo y muestreo de corriente (paralelo-serie).

Amplificadores de Transconductancia

Estos amplificadores convierten una señal de voltaje de entrada en una señal de corriente de salida. Emplean una topología de mezcla en serie y muestreo de corriente (serie-serie).

Amplificadores de Transresistencia

Estos amplificadores convierten una señal de corriente de entrada en una señal de voltaje de salida. Utilizan una topología de mezcla en paralelo y muestreo de voltaje (paralelo-paralelo).

Retroalimentación Negativa: Principios y Beneficios

La retroalimentación negativa es un tipo de retroalimentación en la cual el sistema responde en una dirección opuesta a cualquier perturbación. Este proceso implica tomar una fracción de la señal de salida y reintroducirla en la entrada de forma que se oponga a la señal original. Esto tiende a estabilizar la salida, procurando que se mantenga en condiciones constantes. Esta característica da lugar a menudo a equilibrios (en sistemas físicos) en los cuales el sistema tiende a volver a su punto de operación inicial automáticamente tras una perturbación.

La retroalimentación negativa es ampliamente utilizada en el diseño de amplificadores, ya que presenta múltiples e importantes beneficios:

• Estabilización de la ganancia: Reduce la sensibilidad de la ganancia del amplificador frente a variaciones en los parámetros de los dispositivos activos (debidas a la temperatura, variaciones de la fuente de alimentación o envejecimiento de los componentes).
• Modificación de impedancias: Permite al diseñador ajustar la impedancia de entrada y salida del circuito de manera controlada, facilitando la interconexión con otras etapas o dispositivos.
• Reducción de la distorsión: Disminuye la distorsión no lineal introducida por los componentes activos del amplificador.
• Aumento del ancho de banda: Extiende el rango de frecuencias sobre el cual el amplificador opera con una ganancia relativamente constante.

Debido a estas ventajas, la retroalimentación negativa es imprescindible en aplicaciones como amplificadores de audio y etapas de potencia.