FILTROS

INTRODUCCIÓN

Los filtros son dispositivos que permiten validar en la salida una parte de la señal de entrada, rechazando la otra. Los filtros pueden dejar pasar o rechazar bandas de frecuencias (pasa-banda o rechaza-banda) o pueden dejar pasar solamente altas frecuencias o bajas frecuencias (pasa-alta o pasa-baja).

Los filtros pueden ser activos o pasivos. En los activos, la separación de la señal ocurre mientras se amplifica la frecuencia. De esta manera tendremos un número de amplificadores dedicados para números iguales de vías (multiamplificación), cada uno conectado a su propio altavoz. Es por supuesto un filtro activo, porque requiere de la energía eléctrica para funcionar y puede proporcionar, además de la atenuación y separación de las otras vías, un incremento de nivel en caso de necesidad. Por el contrario, un filtro pasivo se coloca entre el amplificador y el altavoz y se convierte en parte integral de él tomando energía del amplificador para su operación. No se puede lograr una ganancia en las vías, en realidad, se introducen algunas atenuaciones.

Existe un tercer tipo de filtro, el filtro pasivo de nivel de línea. Se realiza la separación antes de los amplificadores, resulta más económico pero la consecuencia o el precio que se pagará por el uso de componentes pasivos es la inevitable atenuación que se introduce en la señal.

FRECUENCIA DE CORTE

La frecuencia de corte es la frecuencia desde la cual un filtro comienza a funcionar rechazando la banda de frecuencias indeseadas. Aunque el término corte da idea de algo abrupto, éste no es repentino sino que resulta más o menos gradual, dependiendo del tipo de filtro.

FILTROS PASA-ALTA

Un filtro pasa-alta permite el paso a través del mismo de todas las frecuencias superiores a su frecuencia de corte sin atenuación. Las frecuencias por debajo del punto de corte serán atenuadas. Como la frecuencia por debajo del punto de corte se reduce, esta atenuación, definida en db por octava, se incrementa. Los filtros pasa-alta estándares siguen incrementos de 6 db por octava, así los filtros de 6 DB, 12 DB, 18 DB y 24 DB por octava son comunes. Debe observarse que cuanto mayor es la pendiente de atenuación, mayor es el desplazamiento de fase dentro de la banda de paso.

Las aplicaciones más comunes para los filtros pasa-alta son eliminar o por lo menos reducir la información indeseada en el espectro de audio por debajo de 40 hertzios a 70 hertzios. Esto elimina la señal de sub-audio (para proteger altavoces contra daños y evitar pérdidas de potencia del amplificador), el estruendo de etapa (5 hertzios a 30 hertzios), y el ruido del viento o de la respiración (40 hertzios a 70 hertzios).

respuesta filtro pasa-alta

Respuesta en frecuencia de un filtro pasa-alta de primer orden.

FILTROS PASA-BAJA

Un filtro pasa-baja tiene las mismas características que uno pasa-alta con la excepción de que permite el paso de las bajas frecuencias sin alterarlas en lugar de las altas.

Estos componentes no se encuentran tan comúnmente como los filtros pasa-alta, pero todavía se encuentran extensamente en sistemas de sonido. Se han utilizado generalmente para la eliminación de información de alta frecuencia, generalmente conteniendo silbido y ruido. Con el advenimiento de la circuitería digital, sin embargo, se utilizaron extensamente como filtros anti-aliasing. Éstos son generalmente filtros "pared de ladrillo" (brick wall filters), así llamados debido a su pendiente casi vertical (48db a 100db por octava). Estos filtros se construyen en equipos digitales y son por lo tanto inaccesibles para su ajuste. Sus efectos en el sonido pueden ser audibles en equipos de baja calidad debido al severo desplazamiento de fase y a la alta inclinación de la pendiente.

respuesta filtro pasa-baja

Respuesta en frecuencia de un filtro pasa-baja de primer orden.

FILTROS PASA-BANDA

Un filtro pasa-banda deja el paso sin cambios a la porción central de una señal, en el dominio de las frecuencias, rechazando las contiguas.

Un problema inherente en este tipo de filtro se conoce comúnmente como "ringing". Esto es "la tendencia de un filtro a resonar en su frecuencia natural cuando es excitado por un pulso de onda senoidal en esa frecuencia". Este efecto está presente en cierto grado en todos los ecualizadores pero está a un nivel bastante bajo que se enmascarará por el resto de la señal.

respuesta filtro pasa-alta

Respuesta en frecuencia de un filtro pasa-banda.

FILTROS RECHAZA-BANDA

Este filtro, al contrario que el pasa-banda, selecciona una frecuencia específica y la atenúa mientras que deja todas las demás inalteradas.

ORDEN Y PENDIENTE

Los filtros son agrupados por orden, según el número de elementos reactivos que lo componen. Se denomina filtro de primer orden, si está construido solamente por un solo elemento reactivo: un inductor es un filtro de primer orden. Tendremos un filtro de segundo orden al combinar juntos un inductor y un condensador, un filtro de tercer orden resulta de insertar un nuevo inductor, y así sucesivamente. Entonces podemos atribuir a un filtro su orden contando los elementos reactivos que lo componen. Pero cuidado, a menudo en vez de un único elemento es preferible por varias razones utilizar una combinación de dos o más elementos, conectados en serie o en paralelo. En ese caso nos referiremos a la combinación como un solo componente.

Cada orden está caracterizado por su propia pendiente de atenuación específica. Esto se representa en decibelios por octava (dB/oct), y es el ritmo con el cual el filtro rechazará las frecuencias indeseadas.

Para entenderlo mejor, un filtro permitirá solamente el paso de cierta porción de frecuencia. Esa porción recibe el nombre de ancho de banda o banda de paso y a ella se le asigna el valor convencional de 0dB. En un extremo, la frecuencia de corte, estará sujeta a una atenuación de -3dB, mientras que mas allá de esa frecuencia, la señal será atenuada gradualmente, tanto, cuanto más alto sea el orden del filtro.

Un filtro de primer orden, produce un descenso de 6dB/oct mas allá de la frecuencia de corte. Por ejemplo, un pasa-bajos de primer orden, que filtra con una frecuencia de corte de 500Hz; dejará el paso intacto de las frecuencias menores logrando una atenuación de -3dB en 500 Hz, después de lo cual se recibirá una atenuación de -6dB a la primera octava (1KHz), -12dB a la segunda octava (2KHz), -18dB en la tercera octava (4 KHz) y así sucesivamente en las octavas siguientes, con una pendiente constante de 6dB para cada octava siguiente.

Un filtro de segundo orden produce un descenso de -12dB/oct después de la frecuencia de corte. Refiriéndonos al ejemplo anterior; tendremos siempre -3dB a los 500 Hz, pero, en 1 KHz la atenuación se incrementará en -12dB, mientras que en 4 KHz el incremento de atenuación será de -36dB. Un filtro de tercer orden provoca un descenso de -18dB/oct después de la frecuencia de corte y un filtro de cuarto orden de -24dB/oct, etc. Esta descripción nos da cuenta de un aumento de -6dB de la pendiente de atenuación en el incremento de cada orden del filtro.