Filtro de paso de banda: función de circuito y transferencia (activo y pasivo)

Ultima edición el 21 septiembre, 2023

Los filtros de paso de banda son dispositivos electrónicos que permiten el paso de señales que se encuentran dentro de un rango de frecuencia específico, mientras que atenúan o bloquean las señales que se encuentran fuera de ese rango. Estos filtros son utilizados en una amplia variedad de aplicaciones, desde la industria musical hasta la ingeniería electrónica.

Existen dos tipos de filtros de paso de banda: activo y pasivo. Los filtros activos utilizan amplificadores operacionales para aumentar la ganancia de la señal, mientras que los filtros pasivos no requieren de amplificación externa. Ambos tipos de filtros utilizan componentes electrónicos como resistencias, capacitores e inductores para crear un circuito que permita el paso de señales de frecuencia específica.

La transferencia de estos filtros se refiere a la relación entre la señal de entrada y la señal de salida, y se puede medir a través de la función de transferencia. Esta función permite analizar la respuesta del filtro en términos de frecuencia y ganancia, y es esencial para diseñar y ajustar el filtro de acuerdo a las necesidades de la aplicación.

En este artículo, exploraremos en detalle la función de circuito y transferencia de los filtros de paso de banda, tanto activos como pasivos, y cómo se pueden utilizar en diferentes tipos de aplicaciones electrónicas. También examinaremos las ventajas y desventajas de cada tipo de filtro, y cómo seleccionar el filtro adecuado para una aplicación específica.

Tipos de filtros de paso de banda

Los filtros de paso de banda son circuitos electrónicos que permiten el paso de señales eléctricas en un rango de frecuencias determinado, mientras que atenúan o bloquean las señales fuera de ese rango. Este tipo de filtros es muy utilizado en la industria de las comunicaciones y en la electrónica de consumo para separar diferentes señales o para amplificar una banda específica de frecuencias.

Filtros de paso de banda activos

Los filtros de paso de banda activos utilizan amplificadores operacionales u otros componentes activos para lograr el paso de señales en un rango de frecuencias determinado. Estos filtros son especialmente útiles cuando se requiere una ganancia adicional en la señal de entrada. Los filtros de paso de banda activos se pueden clasificar en:

• Filtro de paso de banda Sallen-Key: este tipo de filtro utiliza dos capacitores y dos resistencias para crear un filtro de segundo orden. Es muy utilizado en aplicaciones de audio y en la industria musical.
• Filtro de paso de banda de múltiples etapas: este filtro utiliza varias etapas de amplificación para crear un filtro de banda más complejo. Es muy utilizado en aplicaciones de radio y televisión.

Filtros de paso de banda pasivos

Los filtros de paso de banda pasivos utilizan solamente componentes pasivos, como resistencias, capacitores e inductores, para lograr el paso de señales en un rango de frecuencias determinado. Estos filtros no requieren una fuente de alimentación externa y son más económicos que los filtros de paso de banda activos. Los filtros de paso de banda pasivos se pueden clasificar en:

• Filtro de paso de banda LC: este tipo de filtro utiliza un inductor y un capacitor para crear un filtro de segundo orden. Es muy utilizado en aplicaciones de radio y televisión.
• Filtro de paso de banda de cuarto de onda: este filtro utiliza una línea de transmisión de longitud específica para permitir el paso de señales en un rango de frecuencias determinado. Es muy utilizado en antenas y transmisores.

Los filtros de paso de banda se pueden clasificar en activos y pasivos, y dentro de cada tipo existen diferentes configuraciones y diseños que se adaptan a las necesidades específicas de cada aplicación.

Circuito y aplicación de un filtro de paso de banda

Un filtro de paso de banda es un circuito que permite el paso de señales de una frecuencia específica mientras atenúa las señales de otras frecuencias. Este tipo de filtro se utiliza en una variedad de aplicaciones, desde la industria del audio hasta la comunicación inalámbrica.

Circuito de un filtro de paso de banda pasivo

Un filtro de paso de banda pasivo utiliza solo componentes pasivos, como resistencias, capacitores e inductores. El circuito básico consta de un inductor en serie y dos capacitores en paralelo.

La frecuencia de corte superior e inferior del filtro se determina por los valores de capacitancia y de inductancia. A medida que la frecuencia de la señal se acerca a la frecuencia de corte superior o inferior, la atenuación aumenta.

Circuito de un filtro de paso de banda activo

En un filtro de paso de banda activo, se utiliza un amplificador operacional para proporcionar ganancia y mejorar la selectividad del filtro. El circuito básico consta de un amplificador operacional, resistencias y capacitores.

La frecuencia de corte superior e inferior se determina por los valores de resistencia y capacitancia. La ganancia del filtro se puede ajustar cambiando el valor de las resistencias.

Aplicaciones del filtro de paso de banda

El filtro de paso de banda se utiliza en una variedad de aplicaciones, incluyendo:

• Sistemas de comunicación inalámbrica: se utiliza para seleccionar una frecuencia específica de la señal y rechazar las interferencias.
• Industria del audio: se utiliza para separar las frecuencias de los bajos y los agudos.
• Medición de señales: se utiliza para eliminar las frecuencias no deseadas de la señal medida.

Puede ser implementado utilizando componentes pasivos o activos y se utiliza en una variedad de aplicaciones, desde la industria del audio hasta la comunicación inalámbrica.

Funcionamiento de los filtros paso de banda activos y pasivos

¿Qué es un filtro de paso de banda?

Un filtro de paso de banda es un circuito que permite el paso de señales que se encuentran dentro de un rango de frecuencias específico, mientras que atenúa las señales que se encuentran fuera de ese rango. Este tipo de filtro es muy utilizado en diversas aplicaciones, como por ejemplo en la transmisión de señales de radio y televisión.

Filtro de paso de banda activo

Un filtro de paso de banda activo es aquel que utiliza amplificadores operacionales para su funcionamiento. La ventaja de este tipo de filtro es que puede proporcionar ganancia de señal, lo que puede ser útil en algunas aplicaciones.

El circuito de un filtro de paso de banda activo se compone de un amplificador operacional y dos circuitos RC (resistencia-capacitancia) que forman un filtro pasa-bajos y pasa-altos. La señal de entrada se divide en dos ramas, una que pasa por el filtro pasa-bajos y otra por el filtro pasa-altos. Luego, estas señales se combinan en la salida para obtener la señal de paso de banda.

Filtro de paso de banda pasivo

Un filtro de paso de banda pasivo, por otro lado, no utiliza amplificadores operacionales para su funcionamiento. En su lugar, utiliza componentes pasivos como resistencias, capacitores e inductores para formar el circuito del filtro.

El circuito de un filtro de paso de banda pasivo se compone de un filtro pasa-bajos y un filtro pasa-altos conectados en serie. La señal de entrada se divide en dos ramas, una que pasa por el filtro pasa-bajos y otra por el filtro pasa-altos. Luego, estas señales se combinan en la salida para obtener la señal de paso de banda.

Transferencia del filtro de paso de banda

La transferencia de un filtro de paso de banda se refiere a la relación entre la señal de entrada y la señal de salida del filtro en función de la frecuencia. La transferencia se puede expresar mediante una ecuación matemática o mediante un gráfico de amplitud en función de la frecuencia.

La transferencia de un filtro de paso de banda activo se puede expresar mediante la siguiente ecuación:

H(jω) = K / [(jω)^2 + (ω/Q)jω + 1]

donde K es la ganancia de la señal, ω es la frecuencia angular, Q es el factor de calidad del filtro y j es la unidad imaginaria.

La transferencia de un filtro de paso de banda pasivo se puede expresar mediante la siguiente ecuación:

H(jω) = R2 / [(jωL1 + R1)(jωC2 + R2)]

donde R1 y R2 son las resistencias del filtro, L1 y C2 son la inductancia y capacitancia del filtro, respectivamente, y j es la unidad imaginaria.

Conclusiones

Los filtros de paso de banda activos y pasivos son circuitos muy útiles en la transmisión de señales de radio y televisión, así como en otras aplicaciones que requieren el filtrado de señales en un rango de frecuencias específico. El filtro de paso de banda activo utiliza amplificadores operacionales para su funcionamiento, lo que permite proporcionar ganancia de señal, mientras que el filtro de paso de banda pasivo utiliza componentes pasivos para su funcionamiento. La transferencia de estos filtros se puede expresar mediante ecuaciones matemáticas o gráficos de amplitud en función de la frecuencia.

Características de los filtros paso de banda

Los filtros de paso de banda son circuitos que permiten el paso de señales con una frecuencia determinada y atenúan las señales con frecuencias por encima o por debajo de esta banda. A continuación, se detallan las características más importantes de estos filtros:

1. Rango de frecuencia

Los filtros de paso de banda tienen un rango de frecuencia específico que permite el paso de señales dentro de esta banda. Este rango se define por la frecuencia de corte inferior (f₁) y la frecuencia de corte superior (f₂). Todas las señales con una frecuencia fuera de este rango son atenuadas.

2. Ganancia

La ganancia de un filtro de paso de banda se define como la relación entre la amplitud de la señal de salida y la amplitud de la señal de entrada dentro de la banda de paso. Esta ganancia puede ser ajustada mediante la selección de componentes específicos del filtro.

3. Ancho de banda

El ancho de banda de un filtro de paso de banda se define como la diferencia entre la frecuencia de corte superior y la frecuencia de corte inferior. Cuanto más estrecho sea el ancho de banda, mayor será la selectividad del filtro.

4. Fase

La fase de un filtro de paso de banda se refiere al desfase que se produce entre la señal de entrada y la señal de salida dentro de la banda de paso. La fase puede afectar a la calidad de la señal y debe ser considerada al diseñar un filtro de paso de banda.

5. Tipos de filtros

Existen dos tipos de filtros de paso de banda: activos y pasivos. Los filtros pasivos se componen únicamente de elementos pasivos como resistencias, capacitores e inductores, mientras que los filtros activos incluyen componentes activos como amplificadores operacionales.

Estos filtros tienen características como rango de frecuencia, ganancia, ancho de banda, fase y pueden ser de tipo activo o pasivo.

Especificaciones técnicas de los filtros paso de banda

Los filtros de paso de banda son circuitos electrónicos que permiten el paso de una banda de frecuencias específica y atenúan las frecuencias fuera de esa banda. Estos filtros pueden ser pasivos o activos, lo que significa que pueden estar compuestos solo por componentes pasivos (resistencias, capacitores e inductores) o por componentes activos (amplificadores operacionales).

Especificaciones técnicas

Las especificaciones técnicas de un filtro de paso de banda son los valores y características que deben cumplir los componentes para que el filtro funcione adecuadamente. Algunas de estas especificaciones son:

• Frecuencia central: es la frecuencia a la que el filtro permite el paso máximo de señal.
• Ancho de banda: es el rango de frecuencias entre las cuales el filtro permite el paso de señal. Se expresa en Hz o en porcentaje de la frecuencia central.
• Factor de calidad: es una medida de la selectividad del filtro, es decir, de su capacidad para atenuar las frecuencias fuera de la banda de paso. Se calcula dividiendo la frecuencia central por el ancho de banda.
• Ganancia: es la relación entre la amplitud de la señal de salida y la de la señal de entrada, medida en decibelios (dB).
• Impedancia de entrada: es la resistencia que presenta el filtro a la señal de entrada.
• Impedancia de salida: es la resistencia que presenta el filtro a la señal de salida.

Ejemplo de filtro de paso de banda

Un ejemplo de filtro de paso de banda pasivo es el siguiente:

Este filtro está compuesto por dos circuitos RC (resistencia-capacitancia) en serie. El capacitor C1 y la resistencia R1 forman un circuito pasabajos, que atenúa las frecuencias por encima de la frecuencia de corte 1/2πR1C1. El capacitor C2 y la resistencia R2 forman un circuito pasaaltos, que atenúa las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte 1/2πR2C2. La banda de paso se encuentra entre las dos frecuencias de corte.

Las especificaciones técnicas de este filtro podrían ser:

• Frecuencia central: 10 kHz
• Ancho de banda: 5 kHz (del 7.5 kHz al 12.5 kHz)
• Factor de calidad: 2
• Ganancia: 0 dB
• Impedancia de entrada: 10 kΩ
• Impedancia de salida: 1 kΩ

Es importante tener en cuenta que las especificaciones técnicas de un filtro pueden variar dependiendo del diseño y la aplicación específica. Por ejemplo, un filtro de paso de banda para audio puede tener diferentes especificaciones que un filtro para señales de radiofrecuencia.

Aplicaciones de los filtros paso de banda

Los filtros de paso de banda son circuitos electrónicos que permiten el paso de señales de frecuencia dentro de un rango específico, mientras que atenúan o eliminan las señales de frecuencia fuera de ese rango. Estos filtros se utilizan en una variedad de aplicaciones en las que se necesita filtrar señales de frecuencia específicas. A continuación se detallan algunas de las aplicaciones más comunes de los filtros paso de banda:

1. Comunicaciones

Los filtros de paso de banda se utilizan ampliamente en sistemas de comunicaciones para separar las señales de radiofrecuencia de diferentes canales. Por ejemplo, en un sistema de radio FM, el filtro de paso de banda se utiliza para separar la señal de radio de la estación deseada de otras estaciones que transmiten en frecuencias cercanas. De esta manera, se logra una mejor calidad de la señal y una mayor claridad en la recepción de la señal deseada.

2. Electrónica de audio

Los filtros de paso de banda se utilizan en la electrónica de audio para separar las frecuencias de los diferentes componentes de la señal de audio. Por ejemplo, un filtro de paso de banda se puede utilizar para separar las frecuencias de graves y agudos para crear un sonido más equilibrado y claro. También se utilizan en sistemas de amplificación de sonido para evitar la distorsión de la señal.

3. Procesamiento de señales médicas

Los filtros de paso de banda se utilizan en el procesamiento de señales médicas para filtrar la señal de interés de otras señales no deseadas. Por ejemplo, en un electrocardiograma (ECG), el filtro de paso de banda se utiliza para eliminar las señales de interferencia de la red eléctrica y otros ruidos de alta frecuencia.

4. Sistemas de control

Los filtros de paso de banda se utilizan en los sistemas de control para filtrar las señales de referencia y de retroalimentación. Por ejemplo, en un sistema de control de velocidad de un motor, el filtro de paso de banda se utiliza para filtrar la señal de velocidad de la retroalimentación del motor y la señal de referencia de velocidad para evitar la oscilación y el ruido en la señal de control.

5. Instrumentación

Los filtros de paso de banda se utilizan en instrumentación para filtrar señales de frecuencia específicas para su análisis. Por ejemplo, en un osciloscopio, el filtro de paso de banda se utiliza para filtrar las señales de frecuencia no deseadas y para mejorar la claridad de la señal en la pantalla del osciloscopio.

Tipos de filtros de paso de banda

Existen dos tipos principales de filtros de paso de banda: activos y pasivos. Los filtros activos utilizan amplificadores operacionales para mejorar la ganancia y la respuesta de la frecuencia del filtro. Los filtros pasivos no utilizan amplificadores y se basan en componentes pasivos como inductores, capacitores y resistencias para filtrar la señal.

Ejemplos de filtros de paso de banda activos:

• Filtro de paso de banda Sallen-Key
• Filtro de paso de banda Butterworth
• Filtro de paso de banda Chebyshev

Ejemplos de filtros de paso de banda pasivos:

• Filtro de paso de banda de RLC
• Filtro de paso de banda de doble T
• Filtro de paso de banda de muesca

Ya sea en comunicaciones, electrónica de audio, procesamiento de señales médicas, sistemas de control o instrumentación, los filtros de paso de banda son una herramienta valiosa para mejorar la calidad y la claridad de la señal.

Análisis de la transferencia de los filtros paso de banda

El filtro de paso de banda es un circuito que permite el paso de señales de una determinada frecuencia mientras atenúa las señales de frecuencias más altas y más bajas. Este tipo de filtro es muy utilizado en la electrónica, en aplicaciones como la radio, la televisión, la telefonía y la música.

Función del circuito de filtro de paso de banda

El circuito de filtro de paso de banda está diseñado para permitir el paso de señales de una banda de frecuencia específica, mientras que atenúa las señales de frecuencias más altas y más bajas. En otras palabras, este circuito filtra las señales que se encuentran fuera de la banda de frecuencia deseada. El filtro de paso de banda puede ser activo o pasivo, dependiendo de su diseño.

Transferencia de los filtros de paso de banda

La transferencia de un filtro de paso de banda es la relación entre la amplitud de la señal de entrada y la amplitud de la señal de salida en la banda de frecuencia deseada. La transferencia del filtro de paso de banda se puede analizar para determinar cómo afecta el circuito a las señales de diferentes frecuencias.

En un filtro de paso de banda activo, la transferencia depende de los componentes electrónicos activos, como los amplificadores operacionales. En cambio, en un filtro de paso de banda pasivo, la transferencia depende de los componentes electrónicos pasivos, como los inductores y los capacitores.

Análisis de la transferencia de los filtros de paso de banda

Para analizar la transferencia de un filtro de paso de banda, es necesario conocer su función de transferencia y sus características de respuesta de frecuencia. La función de transferencia se puede calcular utilizando las ecuaciones que describen el comportamiento del circuito. Las características de respuesta de frecuencia se pueden representar en un gráfico que muestra la amplitud de la señal de salida en función de la frecuencia de la señal de entrada.

Un ejemplo de un filtro de paso de banda es el circuito LC. Este circuito utiliza un inductor y un capacitor para crear una resonancia en una banda de frecuencia específica. La función de transferencia de un circuito LC se puede calcular utilizando la siguiente ecuación:

H(s) = (s^2 + s/Q + 1)/(s^2 + s/Q + 1)

Donde H(s) es la función de transferencia, s es la frecuencia compleja, y Q es el factor de calidad del circuito.

La respuesta de frecuencia de un circuito LC se puede representar en un gráfico que muestra la amplitud de la señal de salida en función de la frecuencia de la señal de entrada. Este gráfico muestra una banda de frecuencia en la que la señal de salida es más alta que en las frecuencias fuera de la banda de paso.

La función de transferencia y las características de respuesta de frecuencia son herramientas clave para analizar el comportamiento de los filtros de paso de banda.

Análisis de la transferencia de los filtros paso de banda

El filtro de paso de banda es un circuito que permite el paso de señales de una determinada frecuencia mientras atenúa las señales de frecuencias más altas y más bajas. Este tipo de filtro es muy utilizado en la electrónica, en aplicaciones como la radio, la televisión, la telefonía y la música.

Función del circuito de filtro de paso de banda

El circuito de filtro de paso de banda está diseñado para permitir el paso de señales de una banda de frecuencia específica, mientras que atenúa las señales de frecuencias más altas y más bajas. En otras palabras, este circuito filtra las señales que se encuentran fuera de la banda de frecuencia deseada. El filtro de paso de banda puede ser activo o pasivo, dependiendo de su diseño.

Transferencia de los filtros de paso de banda

La transferencia de un filtro de paso de banda es la relación entre la amplitud de la señal de entrada y la amplitud de la señal de salida en la banda de frecuencia deseada. La transferencia del filtro de paso de banda se puede analizar para determinar cómo afecta el circuito a las señales de diferentes frecuencias.

En un filtro de paso de banda activo, la transferencia depende de los componentes electrónicos activos, como los amplificadores operacionales. En cambio, en un filtro de paso de banda pasivo, la transferencia depende de los componentes electrónicos pasivos, como los inductores y los capacitores.

Análisis de la transferencia de los filtros de paso de banda

Para analizar la transferencia de un filtro de paso de banda, es necesario conocer su función de transferencia y sus características de respuesta de frecuencia. La función de transferencia se puede calcular utilizando las ecuaciones que describen el comportamiento del circuito. Las características de respuesta de frecuencia se pueden representar en un gráfico que muestra la amplitud de la señal de salida en función de la frecuencia de la señal de entrada.

Un ejemplo de un filtro de paso de banda es el circuito LC. Este circuito utiliza un inductor y un capacitor para crear una resonancia en una banda de frecuencia específica. La función de transferencia de un circuito LC se puede calcular utilizando la siguiente ecuación:

H(s) = (s^2 + s/Q + 1)/(s^2 + s/Q + 1)

Donde H(s) es la función de transferencia, s es la frecuencia compleja, y Q es el factor de calidad del circuito.

La respuesta de frecuencia de un circuito LC se puede representar en un gráfico que muestra la amplitud de la señal de salida en función de la frecuencia de la señal de entrada. Este gráfico muestra una banda de frecuencia en la que la señal de salida es más alta que en las frecuencias fuera de la banda de paso.

La función de transferencia y las características de respuesta de frecuencia son herramientas clave para analizar el comportamiento de los filtros de paso de banda.

Diseño de los filtros paso de banda

Diseño de los filtros paso de banda

Los filtros paso de banda son circuitos que permiten el paso de señales en una banda de frecuencia determinada, mientras que atenúan o bloquean las señales fuera de esa banda. Estos filtros son ampliamente utilizados en aplicaciones de audio, radio, telecomunicaciones y sistemas de control.

Existen dos tipos de filtros paso de banda: activos y pasivos. Los filtros activos utilizan amplificadores operacionales y otros componentes activos, mientras que los filtros pasivos se basan en componentes pasivos como resistencias, capacitores e inductores.

Diseño de filtros paso de banda activos

El diseño de filtros paso de banda activos implica la utilización de amplificadores operacionales y otros componentes activos para crear un circuito que proporcione una ganancia en la banda de frecuencia deseada y una atenuación fuera de esa banda.

Para diseñar un filtro paso de banda activo, se deben seguir los siguientes pasos:

1. Determinar la frecuencia central de la banda de paso
2. Calcular la ganancia de voltaje requerida en la banda de paso
3. Seleccionar el tipo de filtro (Butterworth, Chebyshev, Bessel, etc.)
4. Calcular los valores de los componentes del filtro
5. Simular y ajustar el filtro

Por ejemplo, para diseñar un filtro paso de banda activo con una frecuencia central de 1 kHz y una ganancia de 10 dB en la banda de paso, se puede utilizar un filtro Butterworth de segundo orden. Los valores de los componentes se pueden calcular utilizando una fórmula específica para el filtro Butterworth y luego simular el circuito para ajustar los valores de los componentes y obtener la respuesta deseada.

Diseño de filtros paso de banda pasivos

El diseño de filtros paso de banda pasivos implica el uso de componentes pasivos como resistencias, capacitores e inductores para crear un circuito que proporcione una atenuación fuera de la banda de paso y una ganancia en la banda de frecuencia deseada.

Para diseñar un filtro paso de banda pasivo, se deben seguir los siguientes pasos:

1. Determinar la frecuencia central de la banda de paso
2. Calcular la ganancia de voltaje requerida en la banda de paso
3. Seleccionar el tipo de filtro (Butterworth, Chebyshev, Bessel, etc.)
4. Calcular los valores de los componentes del filtro
5. Simular y ajustar el filtro

Por ejemplo, para diseñar un filtro paso de banda pasivo con una frecuencia central de 1 kHz y una ganancia de 10 dB en la banda de paso, se puede utilizar un filtro de segundo orden con inductores y capacitores. Los valores de los componentes se pueden calcular utilizando una fórmula específica para el filtro de segundo orden y luego simular el circuito para ajustar los valores de los componentes y obtener la respuesta deseada.

Tanto los filtros activos como los pasivos son útiles en diferentes aplicaciones y pueden ser diseñados utilizando los pasos mencionados anteriormente.

En conclusión, el filtro de paso de banda es un componente fundamental en la electrónica y la ingeniería de comunicaciones. Su función es seleccionar una banda específica de frecuencia y permitir que pase a través del circuito, mientras que rechaza las frecuencias fuera de esa banda. Los filtros de paso de banda pueden ser activos o pasivos, y su transferencia puede ser representada por una variedad de ecuaciones y gráficos. Con una comprensión adecuada de su funcionamiento y una selección cuidadosa de sus componentes, los filtros de paso de banda pueden ser utilizados para mejorar la calidad de las señales de audio y de radio, y para evitar interferencias no deseadas.

En conclusión, el filtro de paso de banda es un circuito electrónico utilizado para permitir el paso de señales de una frecuencia específica a través del circuito, mientras que atenúa o elimina las señales de frecuencias fuera del rango deseado. Los filtros pueden ser pasivos o activos, dependiendo de si contienen componentes activos, como transistores o amplificadores operacionales. La transferencia de un filtro de paso de banda se puede representar mediante una función matemática que describe cómo la amplitud y la fase de la señal se modifican en función de la frecuencia. Los filtros de paso de banda se utilizan comúnmente en aplicaciones de audio, comunicaciones y electrónica de señalización.