¿Qué es el filtro de paso alto: funcionamiento y sus aplicaciones?

Los filtros son los circuitos electrónicos que permiten componentes de frecuencia particulares y atenúan los componentes de frecuencia no deseados de una señal de entrada. Estos se encuentran en varias aplicaciones electrónicas para permitir un rango particular de frecuencias de una señal. Básicamente, los filtros se dividen en dos tipos según el tipo de componentes utilizados en el diseño y la operación. Son filtros pasivos y filtros activos. Dependiendo del rango de frecuencias, los filtros se clasifican en 4 tipos. Son filtros de paso bajo, filtros de paso alto, filtros de paso de banda y filtros de parada de banda. Este artículo describe el filtro de paso alto, que se puede utilizar como filtro activo y pasivo. ¿Qué es un filtro de paso alto? El filtro tiene la capacidad de permitir componentes de alta frecuencia de una señal y atenúa todos los componentes de baja frecuencia de una señal. señal, se conoce como filtro de paso alto. Puede permitir componentes de alta frecuencia mayores que la frecuencia de corte y rechaza todos los demás componentes de frecuencia no deseados de una señal. Estos tipos de filtros se encuentran en varios circuitos de RF y sistemas de procesamiento de señales. En la práctica, este filtro permitirá frecuencias más bajas de una señal, que es más baja que la frecuencia de corte. Circuito de filtro de paso alto Este circuito es el mismo que el de un circuito de filtro de paso bajo, excepto que los componentes de la resistencia y el condensador se intercambian como se muestra en la siguiente figura.Circuito de filtro de paso alto Dos elementos pasivos, resistor y condensador, están conectados en combinación en serie para permitir frecuencias más altas que la frecuencia de corte de una señal. El voltaje de salida de una señal se obtiene a través de la resistencia aplicando voltaje de entrada a través del capacitor. Este tipo de filtro se incluye en el circuito de filtro de paso alto de primer orden. El HPF de segundo orden no es más que una cascada de dos circuitos de filtro de paso alto RC en serie. El aumento de ganancia de la banda de paso en el HPF de segundo orden será a una tasa de + 40dB / década. RC HPC pasivo El circuito de filtro de paso alto RC pasivo se puede diseñar en dos combinaciones como resistor y condensador (RC HPF pasivo); resistor e inductor (pasivo RL HPF) según la aplicación. El RC HPF pasivo se utiliza para aplicaciones en rangos de audio o de baja frecuencia. Los circuitos pasivos RL HPF se utilizan para aplicaciones en RF o rangos de alta frecuencia. El circuito de filtro de paso alto también se denomina filtro de paso alto RC pasivo debido al uso de elementos pasivos como una resistencia y un condensador. La principal ventaja es que no es necesario aplicar ninguna fuente de alimentación externa ni ningún componente de amplificación. El RC HPF pasivo es un circuito RC HPF simple como se muestra en la figura anterior. El condensador y la resistencia están conectados en serie donde el voltaje de salida se desarrolla a través de la resistencia. Debido a la reactancia del condensador, el filtro solo permite altas frecuencias de una señal mayor que la frecuencia de corte y bloquea las frecuencias más bajas de una señal por debajo de la frecuencia de corte. Características Estas características del filtro de paso alto se explican en términos de respuesta de frecuencia y desplazamiento de fase de una señal de salida.Características ideales La característica principal de un HPF es que permite que todos los componentes de alta frecuencia sean mayores que la frecuencia de corte y atenúa todas las frecuencias bajas. de una señal, que son inferiores a la frecuencia de corte. Las características ideales de un HPF se muestran a continuación. La banda de paso se conoce como HPF y permite frecuencias más altas que son mayores que la frecuencia de corte. Este filtro atenúa las bajas frecuencias, lo que se conoce como banda de supresión.Características ideales del filtro de paso alto Respuesta de frecuencia La frecuencia de una señal de salida es directamente proporcional a la ganancia. A medida que aumenta la frecuencia, aumenta la ganancia. La respuesta de frecuencia de un filtro de paso alto RC depende de la reactancia de un capacitor. El capacitor produce la cantidad requerida de reactancia o alta reactancia para atenuar las bajas frecuencias de una señal, es decir, por debajo de la frecuencia de corte. A baja reactancia del condensador, el filtro de paso alto RC permite los componentes de alta frecuencia de una señal, es decir, mayor que la frecuencia de corte. Pero, prácticamente, el filtro de paso alto RC permite las frecuencias bajas por debajo de su frecuencia de corte. La ganancia del filtro de paso alto RC se convierte en la unidad cuando la reactancia es baja / cero en las frecuencias altas. Ese es el voltaje de salida es el mismo que el voltaje de entrada dado. Para permitir altas frecuencias y rechazar las bajas frecuencias, la reactancia capacitiva disminuye con un aumento en la frecuencia, lo que resulta en aumentos en el voltaje de salida y la ganancia. La reactancia capacitiva se da como, Xc = 1 / 2πfc Donde 'fc' = frecuencia de corte en Hz 'Xc' = reactancia capacitiva La respuesta de frecuencia y las características de cambio de fase de un filtro de paso alto RC se muestran a continuación.Características RC HPF En la figura, podemos observar que las bajas frecuencias se bloquean / rechazan y aumentan el voltaje de salida en + 20dB / década cuando la frecuencia está en la frecuencia de corte y R = Xc. El filtro de paso alto RC permite las frecuencias altas (desde la frecuencia de corte hasta el infinito) cuando el voltaje de salida es 0.7071 o 70.71% de su voltaje de entrada, es decir, a niveles de entrada y salida de -3dB (calculando 20 log Vout / Vin). Eso significa que la respuesta de frecuencia de un HPF es que las señales de alta frecuencia están permitidas desde la frecuencia de corte hasta el infinito. En la frecuencia de corte, el desplazamiento de fase de la señal de entrada y la señal de salida son los mismos, es decir, a 45 °. Cuando la frecuencia de una señal es mayor que la frecuencia de corte, el ángulo de fase es cero. Eso significa que la señal de salida está en fase con respecto a la señal de entrada a altas frecuencias. El tiempo necesario para cargar y descargar un condensador se expresa en la forma de la constante de tiempo, denotada por 'τ'. La constante de tiempo de un filtro de paso alto RC se da comoτ = RC = 1 / 2πfcω = 1 / τ = 1 / RC La frecuencia de corte de un RC HPF se da como, fc = 1 / 2πRC El desplazamiento de fase de un RC HPF es dado comoΦ = tan-1 (1 / 2πfRC) Donde 'fc' = frecuencia de corte en Hz 'f' = frecuencia de operación en Hz 'R' = valor de resistencia en ohmios 'C' = valor del capacitor en Faradios Paso alto Filtro usando amplificador operacional El filtro de paso alto que usa amplificador operacional es muy fácil de diseñar e implementar porque utiliza un número limitado de. de componentes electrónicos y elimina el ruido y el zumbido. El diagrama de circuito del filtro de paso alto que usa amplificador operacional se muestra a continuación. El RC HPF pasivo está conectado al amplificador operacional no inversor para amplificación y control de ganancia de voltaje.Filtro de paso alto con amplificador operacional La salida está limitada por las características de bucle abierto del amplificador operacional. La salida del RC HPF se aplica a un amplificador operacional para la amplificación y control de la ganancia de voltaje de la señal de salida. La ganancia de voltaje del filtro de paso alto usando el amplificador operacional se da como Aᵥ = Vout / Vin = Af (f / fc) / √ (1+ (f / fc) 2) Donde Av = ganancia de voltaje en dB = 1 + R2 / R1Af = ganancia de banda de paso fc = frecuencia de corte en Hzf = frecuencia de operación en Hz Cuando f <fc (bajas frecuencias) , luego Vout / Vin <AfCuando f = fc (en la frecuencia de corte), entonces Vout / Vin = Af / 2 ^ ½ = 0.7071AfWhen f> fc (altas frecuencias), entonces Vout / Vin = Af El ancho de banda de bucle cerrado de El amplificador operacional determina la frecuencia más alta del HPF, que tiene la ganancia de banda de paso constante Af. La magnitud de la ganancia de voltaje se da como Av (dB) = 20 log (Vout / Vin) -3dB = 20 log (0.707 Vout / Vin) ) Filtro de paso alto activo Si el filtro de paso alto RC está conectado al elemento activo como un amplificador operacional para permitir las frecuencias altas y rechazar las frecuencias bajas, entonces se llama HPF activo. La respuesta de frecuencia y el desplazamiento de fase del HPF activo son los mismos que los del RC HPF. El propósito del filtro de paso alto activo es controlar la ganancia de voltaje y amplificar la señal de salida. El diagrama del circuito del filtro de paso alto activo para amplificación se muestra a continuación.HPF activo para amplificación El circuito RC HPF está conectado al amplificador operacional no inversor. La salida y la frecuencia de corte del filtro de paso alto pasivo son controladas por el amplificador operacional. Donde el ancho de banda y las características de ganancia del amplificador operacional determinan la frecuencia de corte. Este tipo de filtro actúa como filtro de paso de banda. El amplificador operacional aumenta la amplitud de la señal de salida y la ganancia de voltaje de salida de la banda de paso se da como 1 + R2 / R1, que es lo mismo que el filtro de paso bajo. Función de transferencia Para derivar la función de transferencia del filtro de paso alto, vamos a Considere un circuito RC HPF pasivo como se muestra arriba. Del circuito anterior, Vo = voltaje de salida a través de la resistencia Vi = voltaje de entrada aplicado a través del capacitor Tomando la Transformada de Laplace en ambos lados de entrada y salida, H (s) = Vₒ (s) / Vᵢ (s) H (s) = R / (R + (1 / sC)) La ecuación anterior se convierte en, H (s) = sCR / (1 + sCR) Sustituyendo s = jw en la ecuación anterior H (jω) = jωCR / (1 + jωCR) Entonces la ecuación se convierte en La magnitud de la función de transferencia HPF se representa como | H (jω) | = ωCR / √ (1+ (ωCR) ^ 2) Si ω = 0, entonces la función de transferencia HPF = 0 Si ω = 1 / CR, entonces la función de transferencia HPF = 0.707 Si ω = infinito, entonces la función de transferencia HPF = 1 Por lo tanto, las características de la función de transferencia anteriores muestran que el filtro de paso alto RC pasivo puede permitir las frecuencias altas desde la frecuencia de corte hasta i infinito. es decir, varía de 0 a 1 si ω varía de 0 a infinito. Butterworth HPF El filtro de paso alto Butterworth es uno de los tipos de HPF que proporciona una respuesta de frecuencia plana en la banda de paso. Debido a su respuesta de frecuencia plana, no habrá ondulaciones. También se conoce como filtro plano-plano, utilizado en varias aplicaciones donde la ganancia de lazo cerrado de la banda de paso es la unidad. El diagrama del circuito y la respuesta de frecuencia del filtro de paso alto Butterworth de primer orden se muestran a continuación. Estos son muy fáciles y sencillos de diseñar.Butterworth HPF La ganancia aumenta a una tasa de + 20dB / década para el Butterworth HPF de primer orden y mientras que para el Butterworth HPF de segundo orden, será de + 40dB / década.Características de Butterworth HPF Aplicaciones Las aplicaciones de los filtros de paso alto son Altavoces para amplificar señales Procesamiento de imágenes Se utiliza en la amplificación de corriente CC y para el acoplamiento de CA Sistemas de control y sistemas de procesamiento de audio Divisores DSL en teléfonos Aplicaciones de RF Por lo tanto, se trata de una descripción general del filtro de paso alto (tanto de tipo activo como pasivo) - definición, circuito, Butterworth HPF, HPF usando amplificador operacional y sus aplicaciones. Aquí tienes una pregunta: "¿Cuáles son las ventajas y desventajas de los filtros de paso alto?"

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