En tutoriales anteriores, analizamos dos de los componentes más importantes de un sistema de audio: micrófonos y parlantes.
A modo de descripción general, un sistema de audio está diseñado para:
- Recibir señales de audio, generalmente a través de un micrófono.
- Grabar audio en un dispositivo de almacenamiento, como un archivo de computadora.
- Transmitir audio, a través de canales de comunicación cableados o inalámbricos.
- Reproduce señales de audio a través de altavoces.
Los circuitos de audio realizan procesamiento de señales, esencialmente transformando ondas sonoras en señales eléctricas, que luego pueden cambiarse mediante amplificación, filtrado o mezcla. Estas señales también se pueden almacenar y reproducir.
un sistema de audio
Los filtros de audio son parte de este sistema y funcionan como amplificadores o circuitos pasivos con distintas respuestas de frecuencia. Al igual que los micrófonos y los parlantes, estos filtros son una parte importante de los componentes básicos de un sistema de audio. Pueden amplificar o atenuar una variedad de frecuencias de entrada de audio.
Sin embargo, estos filtros se diferencian de un simple amplificador de audio o fuente de entrada, que no tiene un funcionamiento dependiente de la frecuencia. Aumenta toda la señal de audio de entrada, independientemente de su frecuencia. Sin embargo, un filtro de audio es un amplificador dependiente de la frecuencia que funciona en el rango desde 0 Hz hasta más de 20 kHz. Al amplificar o atenuar específicamente un rango de frecuencias en la señal de audio, es posible mejorar el tono del audio de entrada.
Un crossover de audio y un ecualizador son tipos de filtros de audio. El crossover de audio es un filtro electrónico que se utiliza para dividir la señal de audio entrante en diferentes rangos de frecuencia, que luego se envían a diferentes controladores (como altavoces de agudos, de rango medio y de graves). El ecualizador de audio es un filtro electrónico que se utiliza para amplificar la señal de audio, según una función dependiente de la frecuencia. La salida de un ecualizador tiene diferentes niveles amplificados para diferentes frecuencias.
El crossover y el ecualizador juegan un papel importante en los dispositivos de audio. A continuación, analizaremos los tipos de filtros disponibles y sus características.
Tipos de filtros
Los filtros de audio son circuitos electrónicos diseñados para amplificar o atenuar un cierto rango de componentes de frecuencia. Sirven como un tipo único de amplificador pasivo o circuito con salidas dependientes de la frecuencia. Básicamente, ayudan a eliminar cualquier ruido no deseado de una señal de audio, mejorando el tono de la salida.
Estos filtros desempeñan un papel importante en las telecomunicaciones y la electrónica de audio y se pueden clasificar según su diseño, respuesta de frecuencia o ambos.
Proyecto
Los filtros de audio clasificados según su diseño son archivadores pasivos o activos. Un dispositivo electrónico que requiere una fuente de alimentación para su funcionamiento es un componente activo, y aquel que no la necesita, es un componente pasivo.
Filtros activos : requieren una fuente de energía y están diseñados con componentes activos como transistores o amplificadores operacionales (op-amps). Los transistores o amplificadores operacionales requieren una fuente de alimentación de CC para su polarización. Cuando se utilizan componentes activos, no es necesario utilizar inductancia para construir el filtro, lo que reduce el tamaño y el costo del circuito y mejora la eficiencia del filtro.
Filtros pasivos: no requieren una fuente de alimentación para funcionar; estos filtros están diseñados utilizando componentes pasivos como resistencias, condensadores o inductancias. La impedancia de los condensadores y las inductancias depende de la frecuencia, por lo que el filtro se puede diseñar utilizando combinaciones de resistencia-condensador, resistencia-inductancia o resistencia-condensador-inductor.
Respuesta frecuente
Los filtros de audio también se pueden clasificar según su respuesta de frecuencia, que se refiere al rango de frecuencias que se amplifican o se les permite pasar a través de un filtro (la banda de paso). La banda de paso es la región de la curva de frecuencia de un filtro donde el voltaje o la potencia del circuito es máximo.
Dependiendo de la banda de frecuencia, existen varios tipos de filtros, incluidos los de paso alto, paso bajo, paso de banda, eliminación de banda, muesca, paso total y ecualización.
Repasemos cada uno…
Filtro de paso alto (HPF): pasa señales con una frecuencia superior a la frecuencia de corte y bloquea todas las señales inferiores a la frecuencia de corte. La frecuencia de corte ocurre cuando el voltaje o la amplitud de la señal cae dentro de 0,707 o 3 dB del voltaje de la banda de paso. En este punto, la potencia del circuito comienza a caer.
La curva de frecuencia típica de un filtro de paso alto.
Como puede verse en este gráfico, las señales de baja frecuencia no se atenúan completamente en la frecuencia de corte. Pero las frecuencias que rompen el filtro de paso alto tienen muy poca ganancia. Técnicamente, hay una “frecuencia de caída” en el corte.
Filtro de paso bajo: pasa señales con una frecuencia inferior al corte y bloquea frecuencias superiores.
La respuesta de frecuencia de un filtro de paso bajo.
Como puede verse en este gráfico, las señales de alta frecuencia no se atenúan completamente en la frecuencia de corte. Las frecuencias que atraviesan el filtro de paso bajo tienen poca ganancia.
Filtro de paso de banda: solo pasa frecuencias dentro de un cierto rango de corte y rechaza aquellas que están fuera de ese rango. Tiene dos frecuencias de corte: la inferior y la superior. La frecuencia central y el ancho de banda de este filtro determinan las frecuencias de corte superior e inferior.
La respuesta de frecuencia de un filtro de eliminación de banda.
Filtro de parada de banda: pasa todas las frecuencias excepto una banda específica. Esto significa que pasa todas las frecuencias de señal por debajo del límite inferior y por encima del límite superior, pero no las frecuencias entre el límite inferior y superior. Las frecuencias de corte más alta y más baja son desviaciones de la frecuencia central para las cuales la ganancia del circuito del filtro es idealmente cero (prácticamente mínima).
Filtro de muesca: un filtro de eliminación de banda con una banda de eliminación extremadamente estrecha. Como resultado, estos filtros ofrecen un factor de alta calidad.
Filtro de paso total: pasa todas las frecuencias con la misma ganancia, pero modifica la relación de fase entre ellas. La salida de las bandas de frecuencia también muestra diferencias de fase entre ellas.
La respuesta de frecuencia de cambio de fase de un filtro de paso total.
Filtro de ecualizador: nunca atenúa ni pasa completamente un rango específico de frecuencias, sino que amplifica las frecuencias basándose en una función dependiente de la frecuencia.
Diseño + respuesta de frecuencia
Los filtros también se pueden clasificar según su diseño y respuesta de frecuencia. Estos incluyen filtros de paso alto pasivos o activos, filtros de paso bajo pasivos o activos, de paso de banda pasivos o activos y filtros de eliminación de banda pasivos o activos.
Filtro pasivo de paso alto : bloquea señales de frecuencia más baja y permite señales de frecuencia más alta. Este tipo de filtro se utiliza normalmente para dirigir los elementos de alta frecuencia de una señal de audio a un tweeter y suele diseñarse utilizando una red de resistencia-condensador (RC), un circuito eléctrico formado por resistencias y condensadores.
El paso alto pasivo no tiene limitación de ancho de banda y se puede diseñar seleccionando valores de resistencia y condensador. Como filtro pasivo, no requiere fuente de alimentación para polarización de CC, por lo que tiene pocos componentes. Ofrece una salida de alta corriente pero no es capaz de amplificar señales de audio.
Aunque se puede utilizar un inductor como parte del diseño del filtro, son caros y voluminosos.
Un circuito simple de un filtro pasivo de paso alto.
Para esta red RC, la frecuencia de corte está relacionada con la resistencia y el condensador de la siguiente manera:
fh = 1/ (2πRC)
Al definir el valor de la resistencia y el capacitor y la frecuencia de corte preferida, es posible diseñar un filtro de paso alto. En el circuito anterior, la frecuencia de corte es de aproximadamente 160 Hz. Un filtro de paso alto dejará pasar todas las frecuencias superiores a 160 Hz y atenuará las frecuencias más bajas.
Filtro activo de paso alto : puede diseñarse utilizando transistores o amplificadores operacionales. El filtro en el diagrama del circuito utiliza un amplificador operacional en la salida de la red RC, lo que lo convierte en un filtro activo. Un amplificador operacional es un circuito integrado que puede amplificar señales eléctricas débiles. Dispone de dos entradas de alta impedancia. Así, mientras la red RC bloquea cualquier elemento de baja frecuencia, el amplificador operacional amplifica un rango de frecuencia permitido.
En este caso, la red RC está conectada al pin de entrada no inversor del amplificador operacional, por lo que su salida no está invertida. Cuando se conecta al pin inversor del amplificador operacional, la señal de audio de salida se desfasa 180 grados desde la señal de audio de entrada.
Un circuito simple de un filtro de paso alto activo.
El filtro de paso alto activo tiene una ganancia alta no unitaria, lo que significa que la señal de audio de salida está libre de ruido y bien amplificada. Tampoco tiene efecto de carga. El amplificador operacional tiene una impedancia de entrada alta y una impedancia de salida baja, por lo que cargarlo en la fuente tampoco es un problema. Sin embargo, debido al amplificador operacional, el circuito de filtro tendrá limitaciones de ancho de banda.
Normalmente, estos filtros son pequeños y compactos. Sin embargo, un diseño de filtro activo involucra más componentes que requieren una fuente de CC para su polarización y requerirán una fuente de alimentación externa para funcionar.
Filtro pasivo de paso bajo : la señal de entrada pasa a través de una resistencia (en lugar de un condensador, como ocurre con un filtro de paso alto). El condensador está conectado entre la resistencia y tierra.
Sin embargo, los filtros pasivos de paso bajo pueden tener diferentes diseños usando:
- Una red RC o resistencia-inductor (RL) para un filtro de primer orden
- Una red de resistencia-inductor-condensador (RLC) para un filtro de segundo orden
- Combinando varios filtros de primer orden en una serie para obtener una señal de audio más precisa y de alto orden
Así, por ejemplo, un filtro de primer orden tiene un condensador o un inductor, lo que afecta la respuesta de frecuencia del filtro. Mientras que un filtro de segundo orden tiene dos secciones de filtro RC, como dos condensadores o dos inductores, que afectan su respuesta de frecuencia.
Un circuito de un filtro de paso bajo pasivo de primer orden.
El filtro pasivo de paso bajo permite el paso de todas las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte, pero atenúa las que están por encima de la frecuencia de corte. Estos filtros no tienen límite de ancho de banda y no requieren una fuente de energía para funcionar. Por lo general, se utilizan para dirigir elementos de baja frecuencia de una señal de audio a un woofer.
Filtro de paso bajo activo: utiliza un amplificador operacional o un amplificador de transistores en su salida y antes de usar filtros pasivos RC, RL, RLC o filtros de paso bajo de orden múltiple. Un amplificador operacional amplifica elementos de baja frecuencia antes de entregar el sonido a un amplificador de potencia o altavoces.
La ganancia proporcionada a través del amplificador operacional es la principal ventaja de este filtro, además de reducir cualquier ruido o distorsión de alta frecuencia. Pero tiene limitaciones de ancho de banda y requiere una fuente de CC para polarizar los amplificadores o el circuito de transistores.
Filtro de paso de banda pasivo : diseñado combinando un filtro de paso bajo y de paso alto y generalmente diseñado utilizando una red RLC.
Un circuito de un filtro de paso de banda pasivo de primer orden.
En este circuito, un filtro de paso alto está conectado en serie con un filtro de paso bajo.
Observación:
- La frecuencia de corte del filtro de paso alto es la frecuencia de corte más baja del filtro de paso de banda.
- La frecuencia de corte del filtro de paso bajo es la frecuencia de corte más alta del filtro de paso de banda.
- Por lo tanto, sólo las frecuencias entre estas dos frecuencias de corte pueden pasar la salida del filtro.
Estos filtros se utilizan normalmente para apuntar a un rango específico de frecuencias para controladores de rango medio. Debido a que existen múltiples componentes en su construcción, estos filtros son grandes y pesados.
Filtro de paso de banda activo: tiene un amplificador operacional o transistor conectado antes de su salida y después del circuito de paso de banda pasivo. El amplificador operacional amplifica la banda de frecuencias permitida y su ancho de banda debe coincidir con el del filtro de paso de banda.
Un circuito de un filtro de paso de banda pasivo de primer orden.
Filtro pasivo de eliminación de banda: atenúa un rango de frecuencias, permitiendo que pasen tanto las más bajas como las más altas que sus dos frecuencias de corte. Un filtro pasivo de eliminación de banda de primer orden generalmente se diseña utilizando una red RLC, donde la señal de entrada pasa primero a través de una resistencia. La red LC está conectada entre la resistencia y tierra.
Este circuito combina el de los filtros de paso alto y de paso bajo.
Observación:
- La frecuencia de corte del filtro de paso alto es la frecuencia de corte más alta del filtro de eliminación de banda.
- La frecuencia de corte del filtro de paso bajo es la frecuencia de corte inferior del filtro de eliminación de banda.
- Por lo tanto, sólo las frecuencias que excluyen aquellas entre las frecuencias de corte de los filtros de paso alto y de paso bajo pueden pasar a través de la salida.
Estos filtros también se denominan filtros de rechazo de banda, eliminación de banda y muesca en T.
Filtros de eliminación de banda activos: tienen un amplificador operacional o transistor en la salida, que amplifica las señales de frecuencia permitidas antes de enviarlas a un amplificador de potencia o controlador de audio. Este amplificador operacional debe tener un ancho de banda que coincida con la curva de frecuencia deseada del filtro de eliminación de banda.
Términos
A continuación se muestran algunos términos que se utilizan a menudo en relación con los filtros de audio.
Ancho de banda: el rango de frecuencias que se permite pasar a través del filtro o la diferencia entre las frecuencias de corte superior e inferior. A veces llamado ancho de banda de banda de paso, el ancho de banda determina la respuesta de frecuencia del filtro dentro del rango de frecuencia definido.
El ancho de banda de un filtro de audio según su curva de frecuencia.
Factor de calidad (factor Q): pérdidas en el circuito resonador. La relación entre la energía almacenada en el resonador y la energía suministrada por ciclo para mantener la amplitud constante de una señal. Cuanto mayor sea la Q, menos pérdidas y viceversa.
Q = (Energía almacenada / Energía perdida por ciclo)
En términos de ancho de banda, Q se determina mediante esta ecuación:
Q = (fc/PN)
Dónde…
fc = frecuencia resonante
BW = ancho de banda o ancho de resonancia
El factor Q se puede determinar utilizando la curva de frecuencia del filtro de audio...
El factor Q de un filtro de audio a partir de su curva de frecuencia.
