El filtro activo: deja pasar solo las frecuencias que quieres
Barre la frecuencia y halla la línea entre pasar y cortar
La curva es cuánto pasa en cada frecuencia, la respuesta en frecuencia del filtro. Barre la frecuencia de entrada para mover el punto de operación. Por debajo del corte la respuesta es plana y la señal pasa, pero por encima del corte la respuesta cae y la señal se corta cada vez más.
La impedancia de un capacitor cabalga sobre la frecuencia
Un resistor tiene el mismo valor sin importar la frecuencia, pero un capacitor es distinto. La impedancia de un capacitor es inversamente proporcional a la frecuencia: Zc = 1/(2πfC). A muy baja frecuencia, una señal que cambia despacio, la impedancia es muy grande y bloquea como si estuviera casi abierto; a muy alta frecuencia la impedancia es pequeña y deja pasar la señal como si estuviera casi conectado. Así, un capacitor se comporta como un resistor cuyo valor cambia con la frecuencia, y justo esta propiedad es el corazón de un filtro que clasifica por frecuencia.
RC fija dónde ocurre el corte: el corte
Empareja un resistor con un capacitor y obtienes un filtro de primer orden. En la frecuencia donde las dos impedancias se igualan, la frecuencia de corte fc = 1/(2πRC), la respuesta está 3 dB por debajo de la banda de paso plana. Por debajo del corte la impedancia del capacitor es grande y la señal pasa casi intacta; por encima su impedancia se hace cada vez menor, desviando la señal, así que la respuesta cae -20 dB por década. Dónde ocurre el corte lo fija el producto de R y C.
Activo: el op-amp añade ganancia y un búfer
Un resistor y un capacitor solos hacen un filtro, pero tal filtro pasivo es débil. No tiene ganancia para amplificar la señal, y una resistencia queda en su salida, así que conectar una etapa siguiente deja que esa carga perturbe el corte. Pon el mismo RC en torno a un op-amp y se vuelve un filtro activo. El op-amp da a la banda de paso una ganancia (a menudo la razón de resistores -Rf/Rin, fijada aparte del corte), impulsa la salida con firmeza con baja impedancia de salida para que la etapa siguiente no pueda desplazarla, y permite apilar varias etapas para un corte más empinado. Así, un filtro activo recorta limpiamente la banda que quieres de una señal.
De vuelta a la primera pantalla
Cuando la frecuencia de entrada era baja, la respuesta estaba en la banda de paso plana y la señal salía; al subir la frecuencia, pasó el corte y la respuesta cayó y la señal se cortó cada vez más. Lo que trazó esa frontera fue el modo en que la impedancia de un capacitor cabalga sobre la frecuencia, y el corte fc = 1/(2πRC) donde iguala a la resistencia. Un RC pasivo solo puede cortar, pero añadir un op-amp pone ganancia en la banda de paso y bloquea la interferencia de la etapa siguiente con baja impedancia de salida, cortando limpiamente. Este es el filtro activo. El op-amp, que partió del ideal de ganancia infinita y pasó por sus límites reales, queda al fin completado en un uso que clasifica por frecuencia.
Lo que sigue
Hasta aquí hemos visto dispositivos y circuitos que manejan señales. En el último grupo cambiamos de escenario y vamos a la electrónica de potencia, que maneja no señales sino la potencia misma. Dando un paso más allá de la rectificación por diodos (B), miramos lo básico de una SMPS que convierte voltaje con eficiencia mediante conmutación. Allí, donde los dispositivos solo se encienden y apagan para reducir pérdidas, el transistor se vuelve un interruptor en vez de un amplificador.