El filtro activo: deja pasar solo las frecuencias que quieres
Recorre la frecuencia y encuentra la frontera entre paso y corte
La curva es la respuesta en frecuencia del filtro, que muestra cuánto de la señal pasa en cada frecuencia. El eje horizontal es logarítmico y el vertical está en decibelios. Al recorrer la frecuencia de entrada y mover el punto de trabajo, por debajo del corte marcado en el eje horizontal la respuesta es plana y la señal pasa tal cual, pero más allá del corte la respuesta baja en pendiente y la señal se va recortando cada vez más. El indicador muestra en decibelios cuánto se reduce la señal a esa frecuencia.
La impedancia de un condensador depende de la frecuencia
Una resistencia tiene el mismo valor sea cual sea la frecuencia, pero un condensador no. La impedancia de un condensador es inversamente proporcional a la frecuencia: Zc = 1/(2πfC). A frecuencias muy bajas, es decir, con señales que cambian despacio, la impedancia es muy grande y bloquea casi como un circuito abierto; a frecuencias muy altas la impedancia se hace pequeña y deja pasar casi como un cable. Así, el condensador se comporta como una resistencia cuyo valor cambia con la frecuencia, y esa propiedad es la base de los filtros que separan frecuencias.
RC fija dónde se corta: la frecuencia de corte
Al emparejar una resistencia con un condensador se obtiene un filtro de 1.er orden. La frecuencia en la que las dos impedancias tienen igual magnitud es la frecuencia de corte fc = 1/(2πRC), y a esa frecuencia la respuesta está -3 dB por debajo de la banda de paso plana. Por debajo del corte, la impedancia del condensador es grande y la señal pasa casi tal cual; por encima, la impedancia se hace cada vez más pequeña y desvía la señal por un camino lateral, así que la respuesta cae -20 dB cada vez que la frecuencia se multiplica por 10. El producto de R y C decide dónde cortar, y cuanto mayor es el producto, más baja es la frecuencia de corte.
Activo: el amplificador operacional añade ganancia y un búfer
Con resistencias y condensadores solos ya se hace un filtro, pero un filtro pasivo así tiene puntos débiles. Sin ganancia no puede agrandar la señal y, como hay una resistencia en el lado de salida, al conectar una etapa siguiente su carga altera el corte. Si se colocan la misma resistencia y el mismo condensador alrededor de un amplificador operacional, se obtiene un filtro activo. Una forma habitual pone un condensador en paralelo con la resistencia de realimentación de un amplificador inversor; al subir la frecuencia, el condensador puentea la resistencia de realimentación y la ganancia baja. El amplificador operacional da ganancia a la banda de paso (a menudo con la razón de resistencias -Rf/Rin, elegida aparte del corte) y empuja la salida con firmeza gracias a su baja impedancia de salida, para que la etapa siguiente no la perturbe. Apilando varias etapas también se logra un corte más abrupto, así que un filtro activo recorta con limpieza la banda deseada de una señal.
De vuelta a la primera pantalla
Con la frecuencia de entrada baja, la respuesta estaba en la banda de paso plana y la señal salía tal cual; al subir la frecuencia, la respuesta cayó al pasar el corte y la señal se fue recortando. Lo que trazó esa frontera fue la impedancia del condensador, que cambia con la frecuencia, y el corte fc = 1/(2πRC), donde se iguala a la resistencia. Un RC pasivo solo ya puede cortar, pero al añadir un amplificador operacional se pone ganancia en la banda de paso y la baja impedancia de salida bloquea la interferencia de la etapa siguiente, así que el corte es limpio. Ese es el filtro activo. El amplificador operacional, que partió del ideal de ganancia infinita y pasó por sus límites reales, se ha convertido en un circuito útil que elige frecuencias.
Lo que sigue
Hasta aquí hemos visto dispositivos y circuitos que manejan señales. El último grupo cambia de escenario y pasa a la electrónica de potencia, que maneja la energía misma en lugar de señales. Yendo un paso más allá de la rectificación con diodos (B), trata los fundamentos de la SMPS, que convierte la tensión con eficiencia mediante conmutación. Allí los dispositivos solo se encienden y apagan del todo para reducir pérdidas, y el transistor no funciona como amplificador sino como interruptor.