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10 abr 2016

Filtrado de ruido de alta frecuencia 2/2

Filtrado de ruido de alta frecuencia. Caso práctico de filtro paso bajo.
Filtro de ruido de alta frecuencia

Sintetizador de audio analógico. Contiene un filtro paso alto y otro paso bajo

En el artículo anterior (ver aquí)  introdujimos los filtros paso bajo de primer orden. En esta ocasión veremos un caso práctico que ilustre su diseño.

Pongamos que se tiene una señal alterna senoidal con amplitud 10 voltios y frecuencia 50 Hz. La misma tiene un ruido de alta frecuencia (desconocida), que se quiere eliminar.

La señal con ruido, como vimos en el artículo anterior, equivale a una suma de la señal que interesa y la señal o señales de ruido.

Señal con ruido de alta frecuencia

Señal con ruido

 

Utilizaremos un filtro pasivo RC, que se monta de la siguiente manera.

Filtro paso bajo pasivo

Filtro paso bajo pasivo para ruido de altas frecuencias

 

Para calcular la frecuencia de corte a la que ajustaremos el filtro tenemos en cuenta que la frecuencia que queremos preservar se encuentra en 50 Hz, por lo que hemos de filtrar desde esta en adelante. Dejando un margen prudente situaremos el filtro en 500 Hz, pero podríamos haber elegido 400, 600 o cualquier otra frecuencia inferior al ruido que queremos filtrar.

Para el cálculo de los componentes, hemos de llegar a un compromiso entre el valor de la resistencia y el del condensador. Para una aplicación general podemos fijar un valor de resistencia del orden de kiloohmios y obtener el valor del condensador.

Para una frecuencia de 500 Hz y una resistencia de 10 k? obtenemos un condensador de 31 nF.

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Con estos valores conseguimos un filtro con la siguiente respuesta en frecuencia.

Filtro paso bajo

Filtro paso bajo con frecuencia de corte a 500 Hz

Como se puede observar, la caída de 3 dB que marca la frecuencia de corte se encuentra a 500 Hz, como hemos calculado.

Ahora haremos pasar la señal con ruido a través del filtro diseñado.

Señal filtrada

Señal filtrada

 

El ruido de alta frecuencia ha sido atenuado hasta casi desaparecer, lo cual confirma el buen funcionamiento del filtro.

Los filtros pasivos tienen la ventaja de la sencillez y el bajo coste, pero tienen inconvenientes. El filtro anterior estaba trabajando en vacío, sin carga conectada, o bien conectado a una etapa del circuito con impedancia de entrada muy alta, como un amplificador operacional. En estos casos, que podrían darse en la realidad, como se ha visto, el filtro funciona bien. Sin embargo, si conectamos una carga considerable a la salida ocurriría lo siguiente.

Filtro paso bajo con carga

Filtro paso bajo con carga

 

Imaginemos una carga, que bien podría ser la siguiente etapa del circuito, equivalente a una resistencia de 5 kiloohmios.

Señal filtrada con carga

Señal filtrada con carga

Se observa un problema importante, la amplitud ha caído de 10 voltios a algo menos de 3.5. Esto ocurre debido a que la carga forma un divisor de tensión con la resistencia R del filtro. De esta forma se puede calcular que el voltaje a la salida toma un valor de 3.33 V.

Para solucionar este problema se utilizan los filtros activos.

Filtro activo con ganancia unitaria

Filtro activo con ganancia unitaria

Una configuración típica de filtro paso bajo activo se realiza con un amplificador operacional, que cuenta con una alta impedancia de entrada. Esto permite que no haya una caída de tensión como en el filtro pasivo. Además, el operacional es capaz de fijar la tensión de salida a un valor, de forma que no importa qué carga se le conecte siempre que la corriente demandada esté dentro de los límites del componente.

En el esquema anterior se muestra una configuración con ganancia unitaria, es decir sin amplificación, de manera que la salida filtrada seguirían siendo 10 V. En algunas ocasiones, cuando se utiliza un filtro activo, se aprovecha para amplificar la señal. Esto se puede realizar con tan solo un par de resistencias más.

Filtro activo con amplificación

Filtro activo con amplificación

La ganancia que ofrece el filtro se puede calcular con la siguiente relación.

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De esta forma, si quisiéramos, a la vez que filtramos la señal, amplificarla a 1.5 veces, podríamos elegir los valores de resistencia de la imagen. Si la señal de entrada es de 10V de amplitud, la salida se amplifica a 15V.

Señal filtrada y amplificada

Señal filtrada y amplificada

Si conectásemos una carga que demandase una intensidad dentro de los límites del amplificador operacional, la salida seguiría filtrada y amplificada a la misma tensión.

Con este ejemplo que hemos visto a lo largo del artículo se pueden diseñar filtros básicos que son muy útiles y suficientes en diversas ocasiones del diseño electrónico.

Ver artículo precedente aquí

 

AUTOR: PEDRO F. FERNÁNDEZ

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