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Evolución tecnológica de los filtros

Es difícil encontrar un sistema de comunicaciones o un instrumento de medida que no contenga algún tipo de filtrado de señal. Anualmente se producen en el mundo millones de filtros de audiofrecuencia. Entre 1920 y 1960 la mayoría de los filtros de audio se realizaban utilizando circuitos discretos RLC. Ya en los años 50 se empezó a pensar que se podría reducir el tamaño y el coste de los filtros reemplazando los inductores (grandes y caros) por circuitos activos. Esta sustitución se basa en la idea de que un circuito constituido por resistencias, condensadores y algún elemento activo (transistores, amplificadores operacionales, tubos de vacío, etc.) puede exhibir resonancia (pares de polos complejos conjugados, factores de calidad altos y por tanto transiciones abruptas en magnitud y en fase que permiten una mayor selectividad en el filtro) tal como lo hacen los circuitos RLC. Estos circuitos permanecieron dentro del contexto académico hasta que a mediados de los años 60 aparecieron los primeros amplificadores operacionales, componentes activos de buena calidad y baratos. Aunque en ese momento la reducción de tamaño no fue muy significativa se consiguió tener filtrado y amplificación simultáneamente. La reducción en el coste comenzó a principios de los años 70 con la aparición de las primeras tecnologías integradas (Hibrid ICs) que redujo el coste de fabricación a la mitad. El avance de las tecnologías de circuitos integrados supuso aún mayores reducciones de coste y tamaño. Hoy día se realizan filtros activos en tiempo continuo completamente integrados en tecnologías VLSI, filtros basados en técnicas de condensadores en conmutación y filtros digitales basados en procesadores digitales de señal (DSPs).

Circuitos (filtros) pasivos. La Fig. 1.13(a) muestra un ejemplo de filtro pasivo, construido por una interconexión de bobinas, resistencias y condensadores. En particular, la figura muestra un filtro paso de baja. Hasta bien entrados los años 60 este tipo de filtros se usó de modo predominante, aunque presentaba el inconveniente de ocupar mucho espacio para aplicaciones de audio, debido al tamaño de las bobinas. Además, la reproducibilidad del circuito es pobre, haciendo necesario el manufacturado manual y la selección por medidas.

Los elementos son poco sensibles por lo que pueden conducir altas intensidades, son muy usados aún en la actualidad en el diseño de fuentes de alimentación.

Circuitos (filtros) activos. Los avances en electrónica han reducido enormemente el tamaño de resistencias y condensadores; no así el de inductores. Por otra parte, los inductores son caros, tienen pérdidas, tienen no-linealidades importantes, no pueden aislarse adecuadamente. Los problemas de los filtros pasivos determinaron su sustitución progresiva mediante circuitos que evitaban las bobinas y las reemplazaban mediante interconexiones de elementos activos, resistencias y condensadores. Sin embargo, esto no pudo realizarse de forma práctica hasta que hubo amplificadores operacionales baratos y precisos (a mediados de los 60 aparecía el antecesor del 741). Antes de la invención del transistor la síntesis activa no era usual porque los tubos de vacío, los elementos disponibles en ese momento, eran caros, poco fiables, muy grandes y consumían mucha energía. La evolución en reducción de tamaño y coste de los procesos de integración ha continuado imparable hasta la actualidad. En relación con los filtros activos se han desarrollado distintas técnicas de síntesis, entre las que se encuentran la emulación de prototipos pasivos. Otras alternativas son la emulación directa (usando giradores) o la síntesis mediante conexión de etapas bicuadráticas, entre otras (Fig. 1.13(b)).

Además de evitar las bobinas, los filtros activos permiten mayor funcionalidad, proporcionan amplificación y, si se manufacturan de forma monolítica, su producción puede ser automatizada, con las consiguientes ventajas de reducir el coste y los errores.

Filtros digitales. El diseño ha comenzado una nueva era con los avances en circuitos integrados y microprocesadores. Hoy en día es posible realizar digitalmente la mayoría de las funciones de procesamiento, hacerlo económicamente y en tiempo real, con las ventajas de los circuitos digitales: mayor insensibilidad a ruidos, mayor robustez en la implementación, etc. Como ejemplo el circuito de la Fig. 1.14 realiza la misma función que el de la Fig. 1.13(a).

La entrada del filtro son las muestras x(nT) de una señal x(t) y la salida las muestras y(nT) de la respuesta deseada. El filtro está compuesto de elementos de retraso (registros de desplazamiento), multiplicadores y sumadores. Es un minicomputador simulando digitalmente las operaciones que intervienen en un sistema analógico. En este contexto, simulación digital es el diseño de un sistema digital que realiza las mismas funciones que un sistema analógico dado. En este sentido el filtro digital de la Fig. 1.14 es un simulador digital del filtro analógico de la Fig. 1.13(a).

Puesto que en esta asignatura nos centraremos en filtros en tiempo continuo, pasivos y activos, es conveniente sistematizar las ventajas e inconvenientes que ambos tipos de filtros presentan en la actualidad. Los filtros activos proporcionan las siguientes ventajas:

1) El tamaño y peso se ha visto enormemente reducido respecto a los equivalentes pasivos.

2) La fiabilidad de los circuitos es mucho mayor ya que los pasos de fabricación pueden automatizarse totalmente.

3) En grandes cantidades el coste de los filtros activos integrados es mucho más bajo que el de los equivalentes pasivos.

4) El comportamiento es mejor porque se pueden fabricar componentes de muy alta calidad.

5) Se puede integrar filtros activos y circuitería digital en el mismo chip.

6) El diseño y ajuste suele ser más simple.

7) Pueden realizar un conjunto más amplio de funciones de filtrado.

8) Pueden proporcionar amplificación.

Sin embargo, presentan también algunos inconvenientes respecto a las realizaciones pasivas:

1) Los componentes activos tienen un ancho de banda finito lo que limita su rango de aplicaciones. Por el contrario, los filtros pasivos pueden usarse sin problemas hasta altas frecuencias.

2) Los filtros pasivos son menos sensibles a cambios de los procesos de fabricación o incluso ambientales.

3) Los filtros activos requieren fuentes de alimentación.

4) La amplitud que los dispositivos activos pueden procesar con distorsión aceptable se limita a niveles alrededor de 1 V. Por otra parte, las resistencias y los dispositivos activos generan ruido. Por tanto, el rango dinámico es reducido respecto al de circuitos pasivos.