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Informe 3: Filtro pasa banda. Andrés Felipe Amaya Pedraza 2143029 Escuela de ingeniería eléctrica, electrónica y de telecomunicaciones. E3T.Universidad Industrial de Santander. Bucaramanga, Colombia. Abstract— Los filtros son dispositivos cuya misión principal es seleccionar/rechazar una determinada banda frecuencial deseada/no deseada. Para cumplir con esta tarea, existen diferentes tipos de filtros de acuerdo con la aplicación y en función de las bandas frecuenciales que se requiere eliminar. Así, podemos clasificarlos según su función en tres categorías: paso bajos, pasa bandas, paso altas.

I.

● ●

Ecualizar audios Acoplar una señal a un rango de frecuencia útil

INTRODUCCIÓN

E

n el siguiente informe se presenta un diseño para un

filtro pasa banda bajo características específicas deseadas como: banda de paso, pendientes de subida-bajada, y la ganancia en la respectiva banda de paso. Para este diseño se utilizó un software especializado llamado “Filter Pro”, el cual recibe como parámetros de entrada las características anteriormente mencionadas y proporciona un esquema circuital con valores preseleccionados para los elementos del circuito (resistencias y capacitores) para que de esta forma el usuario tenga una guía a la hora de realizar la implementación. II.

Fig. 1 Esquemático filtro pasa banda segundo orden. Tipos de filtros Existen diferentes configuraciones de filtros que poseen características definidas y son: Filtro de Butterworth

MARCO TEÓRICO:

Criterios de diseño: Para el desarrollo de esta práctica se plantea el diseño e implementación de un filtro pasa banda que cumpla con las siguientes características: ● ● ● ● ● ● ● ●

Av = 1 Lineal Orden superior a 2 Ancho de banda 99 [kHz] (intervalo 1-100 kHz) Magnitud en 1 kHz = -3 dB Magnitud en 100 kHz = -3 dB Magnitud en 100 Hz = -40 dB Magnitud en 1 MHz = -40 dB

Un filtro electrónico que tiene como función modificar y manipular el espectro en frecuencia de una señal de entrada para obtener a la salida la función que se requiere aplicar a diferentes sistemas, entre sus diversas aplicaciones se encuentran: ● Eliminar ruidos

Fig. 2 Filtro de Butterworth Es un filtro diseñado para producir la respuesta más plana

posible hasta la frecuencia de corte desde donde su caída es 20n dB siendo n el número de polos del filtro. Filtro Chebyshev

2 transición permitiendo un rizado constante en ambas bandas. Los filtros elípticos son los más eficientes en el sentido de dar lugar al menor orden para una anchura de la banda de transición determinada. Filtro de Bessel

Fig. 5 Filtro de Bessel

Fig. 3 Filtro Chebyshev Los filtros Chebyshev poseen mejor respuesta para las frecuencias cercanas a la frecuencia de corte (Wc), que un filtro Butterworth. Debido a la banda de transición, su curva característica tiene una pendiente mayor que la correspondiente a la de Butterworth. Sin embargo, el filtro chebyshev presenta rizado (RIPPLES) en la banda pasante.

Los filtros de Bessel son filtros solo polos que no pretenden optimizar la anchura de la zona de transición sino asegurar fase lineal en toda la banda pasante, ya que los filtros anteriores la degradan progresivamente. Mediante el software Filter Pro de Texas Instrument e introduciendo los parámetros deseados se obtuvieron los siguientes filtros:

Filtro elíptico

Fig. 4 Filtro elíptico Los filtros elípticos o de Cauer consiguen estrechar la zona de

Fig. 6 Filtro #1 pasa bajas orden 3 Chebyshev

3 Configuración Sallen-Key

Fig. 7 Filtro #2 pasa bajas orden 3 Butterworth

Fig. 8 Filtro #1 pasa altas orden 2 Chevyshev

La configuración de Sallen-Key es una de las topologías de filtro más utilizadas y se muestra en la Figura 8.49. Una de las razones de esta popularidad es que esta configuración muestra la menor dependencia del rendimiento del filtro con respecto al rendimiento del opamp. Esto se debe al hecho de que el amplificador operacional está configurado como un amplificador, a diferencia de un integrador, lo que minimiza los requisitos de ancho de banda de ganancia del amplificador operacional. Esto indica que, para un amplificador operacional dado, podrá diseñar un filtro de frecuencia más alta que con otras topologías, ya que el producto de ancho de banda de ganancia del amplificador operacional no limitará el rendimiento del filtro como lo haría si estuviera configurado como un integrador. La fase de señal a través del filtro se mantiene (configuración no inversora).

Fig. 10 Características de LF353 III.

ELEMENTOS USADOS EN LA IMPLEMENTACIÓN:

El funcionamiento del circuito depende directamente del opam para esto se seleccionaron algunos opam’s disponibles y su parámetro de comparación más importante es el GBW.

Fig. 9 Filtro #2 pasa altas orden 2 Butterworth

Elemento

GBW

LF353

4 MHz

OPA627

16 MHz

4

Fig. 11 Características de LF353 Fig. 14 Etapa filtro pasa altas

Fig. 12 Características de OPA627

IV.

SIMULACIÓN EN ORCAD

A continuación, se presentan los esquemáticos en orcad mediante los cuales se realizó la simulación para observar los parámetros deseados:

Fig. 15 Respuesta frecuencial del filtro Observación: Debido a las características del filtro pasa banda específicamente su ganancia en banda plana y su frecuencia central se obtiene un GBW relativamente pequeño y por esto al simular con diferentes opam’s los resultados fueron prácticamente iguales y se seleccionó un LF353 el cual es de fácil acceso.

V.

RESULTADOS EXPERIMENTALES.

A continuación, se muestra el circuito implementado:

Fig. 13 Etapa filtro pasa bajas

5

Fig. 16 Montaje circuital implementado. Fig. 19 Respuesta (amarillo) ante una entrada 2 [V] f = 10 [kHz]

Fig. 17 Respuesta (amarillo) ante una entrada 2 [V] f = 1 [MHz] Fig. 20 Respuesta (amarillo) ante una entrada 2 [V] f = 1 [kHz]

Fig. 18 Respuesta (amarillo) ante una entrada 2 [V] f = 100 [kHz] Fig. 21 Respuesta (amarillo) ante una entrada 2 [V] f = 0.1 [kHz]

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VI.

CONCLUSIONES.

1.

La banda de paso es dependiente de los valores de impedancia del circuito, por lo cual es necesario implementarlo con elementos de precisión.

2.

Es importante considerar la configuración del filtro y el tipo de filtro para lograr los requisitos de desempeño.

3.

El valor de GBW del opam es un factor importante al momento de seleccionarlo, sin embargo, en este caso no es relevante debido a la ganancia en banda plana y el ancho de banda del filtro por esta razón no se realiza una comparación entre distintos opams ya que sus resultados son similares.

4.

Los valores implementados en el montaje físico y simulación difieren un poco debido a que en la práctica no se logró conseguir el valor exacto, por esta razón las frecuencias de corte del filtro se vieron un poco desplazadas del valor para el cual se diseñó....