Los filtros son circuitos electrónicos capaces de controlar el paso o la atenuación de frecuencias. Los filtros pasa altos atenúan las frecuencias inferiores a una frecuencia de corte, los filtros pasa bajos atenúan las superiores y los filtros pasa banda permiten únicamente un intervalo determinado entre una frecuencia de corte inferior y otra superior.
En radio, audio y amplificación, la elección del filtro depende de la señal que se desea conservar, de las frecuencias que deben eliminarse y del lugar donde se instala el circuito. En una cadena de audio pueden utilizarse para separar graves, medios y agudos, mientras que en la salida de un amplificador de radiofrecuencia se emplea normalmente un filtro pasa bajos para atenuar los armónicos generados por la amplificación.
Qué es un filtro y qué significa frecuencia de corte
Un filtro es algo que deja pasar un tipo de frecuencias. La frecuencia es el número de veces que pasa algo. En electrónica y electricidad la frecuencia es cuántas veces en un segundo la onda sube y baja.
Para calcularlo lo que se hace es dividir 1 entre el tiempo que tarda en hacerse una repetición. A este tiempo la gente de bien le llama periodo. La medida de la frecuencia es el Hercio.
La frecuencia de corte es el límite a partir del cual el filtro comienza a atenuar la señal de forma apreciable. Para cada uno de ellos, la pendiente representa la rapidez con la que se atenuan las frecuencias. A menudo se mide en decibelios por octava (dB/octava).
Una pendiente suave produce una transición progresiva entre la banda que pasa y la que se atenúa, mientras que una pendiente pronunciada realiza un corte más selectivo. La respuesta en frecuencia suele representarse mediante diagramas de Bode.
Filtros pasivos y filtros activos
Dentro de los filtros destinados a controlar frecuencias de audio, podemos clasificarlos en activos y pasivos. La diferencia entre ellos se encuentra en que los pasivos están compuestos por resistencias (R), condensadores (C) y bobinas (L) sin amplificación, mientras que los filtros activos emplean un amplificador (operacional) para obtener una mejor respuesta de frecuencia junto a resistencias y condensadores.
Los filtros pasivos no necesitan alimentación propia, pero pueden introducir pérdidas y su respuesta puede verse afectada por la impedancia de la carga. Los filtros activos permiten combinar filtrado y amplificación, aunque necesitan alimentación y no suelen utilizarse directamente para manejar potencias elevadas sin una etapa posterior.
Filtro pasa bajos: cuándo utilizarlo
Los filtros pasa-bajos sirven para atenuar las frecuencias de una señal cuando son superiores a la frecuencia de corte elegida. También se les llama LPF = Low Pass Filter, HCF = High Cut Filter y Filtro Corte-Alto.
Lo que hacen estos filtros es dejar pasar solamente las frecuencias que están por debajo. Por eso lo de paso bajo. Los filtros paso bajo se utilizan para audio: radios, televisores, para acentuar los bajos.
En el caso de un filtro paso bajo, al principio el diagrama de Bode estará recto, dejando pasar las frecuencias bajas, pero luego decae la ganancia. Si cae la ganancia no se amplifica nada, no pasa. No lo escuchamos.
Uso en mezcla y ecualización
Cuando se leen artículos sobre mezcla y ecualización, a menudo se habla de añadir filtros pasa-altos o pasa-bajos para hacer que el sonido sea más limpio, para limpiar las grabaciones de frecuencias no deseadas.
Seamos claros: la mayoría de las veces, los filtros pasa-bajos son innecesarios e incluso deben evitarse. La mayoría de las veces, no necesitas limpiar la parte alta de tu espectro con un Low Pass Filter porque eso hará que tus grabaciones pierdan “vida”.
Las frecuencias agudas del master son la suma de los armónicos y el ruido característico de cada uno de los instrumentos de tu mezcla. Como resultado, si tu filtro afecta a toda la mezcla, esta parecerá más débil y apagada porque le faltará aire.
Aplicaciones concretas del pasa bajos
Si utilizas un filtro pasa-bajos en todas las pistas individuales, por supuesto, llegarás al mismo problema que se describió anteriormente. Sin embargo, hay una serie de situaciones en las que añadir un filtro de este tipo será efectivo.
- Para atenuar el lado digital/artificial de ciertos instrumentos, especialmente sintetizadores.
- Para dar más espacio a la voz al quitar un poco de aire a los otros instrumentos.
- Para cortar el silbido o crujido de amplificadores de guitarra.
En particular para todo lo relacionado con hard rock/metal donde los amplificadores generan una alta ganancia. Se trata de casos muy específicos.
Finalmente, los filtros pasa-bajos también pueden resultar útiles cuando se añaden a reverberaciones o delays, colocados en pistas Send. De hecho, esto permite que las reflexiones sean un poco menos presentes pero al mismo tiempo más realistas. Y sobre todo, evita cubrir la grabación en bruto por sí misma.
Un ejemplo consiste en utilizar un filtro pasa-bajos ajustado a 4.5 kHz, con una pendiente usual de 12 dB/octava, y aplicado solo en el delay. La diferencia es clara: la resonancia resulta menos presente y más natural.
Alternativas al filtro pasa bajos
En lugar de usar el filtro pasa-bajos básico de tu DAW o de tu ecualizador favorito, puedes probar otros con una pendiente más suave o, por el contrario, muy fuerte, para un corte quirúrgico de las frecuencias.
Otra opción es usar un filtro resonante, que cortará tanto el silbido de tu amplificador de guitarra como el ruido de los platillos de tu pista de toms, mientras le da más cuerpo a tu instrumento.
La solución también puede ser usar filtros en estante, también llamados high-shelf filter. Estos te permitirán esculpir las frecuencias de tu mezcla a voluntad, pero de una manera mucho más sutil y, sobre todo, mucho más musical. El sonido original será respetado y ganarás en realismo.
Filtro pasa altos: cuándo utilizarlo
Los filtros pasa-altos sirven para atenuar las frecuencias de una señal cuando estas son inferiores a una frecuencia de corte elegida. También tienen otros nombres: HPF = High Pass Filter, LCF = Low Cut Filter y Filtro Corte-Bajo.
Un filtro paso alto únicamente deja pasar las frecuencias que superen la frecuencia de corte. Todo lo que no llegue a la frecuencia de corte no se oirá a la salida del filtro.
En el caso de un filtro paso alto, el diagrama de Bode funciona al revés que el del paso bajo. No deja pasar las frecuencias bajas y, cuando llega a la frecuencia de corte, se estabiliza y se queda recta la ganancia a 0 dB, dejando pasar sin amplificar la señal.
Aplicación en grabación y mezcla
En lo que respecta al filtrado de graves con filtros pasa-altos, tiene sentido. De hecho, sin ellos, los retumbos del bajo, la guitarra y la batería se mezclarían para formar un barro sonoro indistinto.
El filtro pasa alto se da mejor en el resto de los instrumentos para que precisamente no choquen con el bombo y el bajo. No siempre es necesario utilizarlo en el bombo y en el bajo; en esos casos puede ser preferible aplicar ecualización para atenuar únicamente las frecuencias necesarias.
Un filtro pasa alto ajustado a unos 30 Hz permite conservar el bajo y otros sonidos graves cuando solo se pretende eliminar el contenido más bajo de la señal.
Aplicación en sistemas de sonido
El filtro pasa altos (HPF) es un circuito electrónico que recibe a su entrada el rango de frecuencias completo y entrega únicamente las frecuencias altas. En el proceso son atenuadas las frecuencias bajas y medias dejando pasar las frecuencias altas.
Cuando hablamos de frecuencias altas, es un término relativo que depende del diseño y de la aplicación del circuito. Para un sistema concreto, el filtro puede entregar su realce más alto de frecuencias altas en un rango comprendido desde los 2 KHz, hasta los 16 KHz.
El filtro pasa altos se conecta a un amplificador y el amplificador se conecta a parlantes especializados en frecuencias altas, llamados tweeters.
Filtro pasa banda: cuándo utilizarlo
Un filtro pasa banda es un circuito electrónico que permite el paso de un determinado rango de frecuencias de una señal y atenúa el resto de frecuencias.
Los filtros pasa banda realizan simultáneamente un corte por abajo y un corte por arriba. Solamente dejan pasar las frecuencias que hay en un rango determinado por los elementos del circuito.
Para un pasa banda existen dos frecuencias de corte: la inferior y la superior. La respuesta en frecuencia presenta una banda de paso entre ambos límites y una atenuación fuera de ella.
Separación de graves, medios y agudos
Uno de los grandes descubrimientos que mejoraron significativamente la fidelidad del sonido en altas potencias, fue dividir las frecuencias para cada parlante específico.
Por eso aparece el crossover o divisor de frecuencias que como su nombre lo indica, divide las frecuencias para luego ser reproducidas por cada parlante, woofer, medio y tweeter, respectivamente.
La necesidad de mejorar la potencia y calidad del sonido, llevó a pensar en dividir las frecuencias antes de ser amplificadas y usar un amplificador para cada frecuencia. Es en ese momento que se comienzan a usar los filtros pasa bandas.
Los sonidos profesionales Line array son de 3, 4 y 5 vías. Tienen un Divisor de frecuencias activo que está formado por varios filtros pasa bandas.
| Vía | Filtro utilizado | Altavoz asociado |
|---|---|---|
| Agudos | Filtro pasa altos | Tweeter |
| Medios | Filtro pasa medios | Drivers y parlantes medios |
| Graves | Filtro pasa bajos | Woofer |
Para el caso anterior se usa un Amplificador que le entrega al divisor de frecuencias una señal de rango completo, para ser dividida en dos, tres o 4 frecuencias que el crossover reparte en parlantes diseñados exclusivamente para reproducir frecuencias específicas.
Un filtro pasa banda se debe colocar a la entrada de un amplificador de respuesta plana y el amplificador debe tener parlantes que reproduzcan las frecuencias respectivas.
Es decir: si vamos a usar el filtro pasa altos, debemos colocar solo tweeters en la salida del amplificador. Si vamos a usar el filtro pasa medios, debemos usar parlantes medios y si es el filtro pasa bajos, por lógica debemos usar un woofer.
Filtro pasa medios
El filtro pasa medio (MPF) es circuito electrónico que recibe a su entrada el rango de frecuencias completo y entrega únicamente las frecuencias medias. En el transcurso son atenuadas las frecuencias bajas y altas dejando pasar las frecuencias medias.
Este filtro entrega su punto de realce más alto de frecuencias medias, en un rango comprendido, desde los 500 Hz, hasta los 4 KHz, estando el punto más alto entre 1Khz y 2KHz.
El filtro pasa medio se conecta a un amplificador y el amplificador se conecta a parlantes especializados en frecuencias medias, llamados drivers y parlantes medios.
Filtro pasa banda activo sencillo
Los filtros pasa banda pueden construirse combinando un filtro pasa altos y un filtro pasa bajos. Tal y cómo ves primero está el filtro paso alto y luego el bajo.
Podría invertirse pero se utiliza así porque se prefiere que el segundo circuito sea el más pequeño porque actúa como una carga. Así que primero el alto y luego el bajo.
Los filtros activos emplean un amplificador operacional junto a resistencias y condensadores para obtener una mejor respuesta de frecuencia y, cuando se necesita, aportar ganancia a la señal.
Para obtener una buena respuesta de medios hemos utilizado el amplificador operacional JRC4558. Este circuito integrado es muy famoso en los amplificadores de guitarra eléctrica por su excelente respuesta de banda media y gran limpieza de sonido.
El circuito integrado JRC4558 es el amplificador operacional más utilizado en preamplificadores de audio. Cada operacional trabaja en una etapa del circuito: la primera restringe las frecuencias bajas, mediante dos condensadores de 0.1 uF que se encuentran; uno a la entrada del operacional y el otro a la salida del mismo.
Esta etapa también preamplifica un poco la señal de medios y altos. Luego la segunda etapa hace un realce de frecuencias medias y restringe las frecuencias altas mediante el condensador de 470 pF y el de 200 pF.
Como el JRC4558 es bastante escaso, hemos usado uno de otra marca. Por eso vemos en la foto el C4558, de la marca NEC. De no conseguirlo puede reemplazarlo el NE5532.
La resistencia de 5.1K que se encuentra en serie a la entrada, divide la resistencia de 100k que va entre los terminales 1 y 2 del C4558. Entonces tenemos que: 100/5.1 = 19.6 de ganancia.
Si desea bajar la ganancia, puede subir la resistencia de 5.1K, cambiándola por una de 10K o 15K. Pero si por el contrario desea subir la ganancia, puede cambiarla por una de 3.3K o menos. Recuerde no excederse en estos cambios.
Filtros pasa altos y pasa bajos con R y C
Filtro pasivo pasa bajos
El filtro se hace con estos dos elementos. Digamos que se puede deducir que la frecuencia de corte tiene esta expresión, donde R es el valor de la resistencia y C el valor del condensador.
Como ves, poco misterio tiene la cosa. El circuito no es más que una resistencia y un condensador en serie.
También tienes que fijarte que la salida que tomamos es el voltaje que hay en el condensador. Luego verás por qué es importante el orden.
Si te fijas en la ecuación, a una resistencia y un condensador mayor, la frecuencia será más baja. Para el cálculo deberás de pasar todo al Sistema Internacional, en Ohms y Faradios.
Filtro pasivo pasa altos
Seguimos teniendo un circuito en serie. La diferencia está en el voltaje de salida.
En lugar de estar cuando ya ha pasado la resistencia y el condensador se encuentra justo cuando acaba el condensador. De esta manera lo que hacemos es tener el voltaje de salida como el voltaje de la resistencia.
A pesar de esto, la forma de calcular la frecuencia de corte es la misma: mismos elementos, misma ecuación.
Cuando la frecuencia es muy alta el circuito se cierra por el condensador y deja pasar la corriente. Pero si son muy bajas el condensador actúa como un circuito abierto, como si no estuviese conectado, y lo que pasa es que la corriente no circula.
Filtro activo pasa altos para audio
El filtro pasa altos recibe el rango completo de frecuencias y atenúa las frecuencias medias y bajas, dejando pasar las altas. El punto de corte real depende de los valores de los componentes y de la configuración del amplificador operacional.
El circuito integrado que utilizamos es el TL072, ya que su respuesta no es tan baja como el TL082. Otra opción es el TL062 que tiene un sonido más delgado.
El TL072 es un amplificador operacional doble de tecnología FET. Es ideal para circuitos de audio de bajo ruido, como preamplificadores o como en este caso, para nuestro filtro pasa altos.
Los dos operacionales que se encuentran en su interior son utilizados en dos etapas; el primer operacional recibe la señal por medio de un condensador de 0.01 uF que restringe el paso de frecuencias bajas y medias.
Este primer operacional preamplifica la señal para luego ser recibida por el segundo operacional. La segunda etapa realza las frecuencias altas y vuelve a atenuar las frecuencias medias y bajas, para lograr una señal de sólo frecuencias altas.
La resistencia de 15K que se encuentra en serie a la entrada, divide la resistencia de 100k que va entre los terminales 1 y 2 del TL072. Entonces tenemos que: 100/15 = 6.66 de ganancia.
Si al trabajar este filtro con un amplificador tiene un exceso de brillos o frecuencias altas estridentes, deberá subir la resistencia de 15K, cambiándola por una de 20K o 22K. Pero si por el contrario hace falta volumen, podemos cambiarla por una de 10K o menos.
Filtros para armónicos en radiofrecuencia
A la salida de un amplificador hay que poner un filtro paso bajo no un filtro pasa banda, si se quiere eso viene después como las cavidades en los repetidores.
El amplificador de radiofrecuencia puede generar, además de la frecuencia fundamental, componentes en frecuencias armónicas. Un filtro de salida se utiliza para atenuar esas componentes antes de que lleguen a la antena.
Los filtros no matan las frecuencias fuera de su banda de paso, simplemente las echan hacia atrás. Es simple principio de conservación de la energía: si la energía no pasa hacia la salida y el filtro no la puede disipar, suponiendo componentes ideales L y C, pues la única opción es que esa energía se refleje.
Da igual si es serie o paralelo el primer elemento, fuera de la banda de paso tenderá en un caso hacia el circuito abierto y hacia el corto en el otro, el resultado es el mismo: reflexión.
Transmisión y reflexión
Es muy fácil de comprobar: con un VNA mide el S21, transmisión, y te dará la respuesta del filtro; a continuación mide el S11, reflexión, y comprobarás como lo que hace el filtro es reflejar la señal fuera de su banda de paso.
Todos los filtros presentan un coeficiente de reflexión, desadaptación, pero decir que devuelven todos los armónicos al amplificador no describe todos los casos de funcionamiento.
Sí en un filtro hay reflexión de la energía, mayor cuanto peor está diseñado el filtro, pero porque se calientan los componentes en el filtro, porque en él se pierde energía, la fundamental y la de los armónicos.
Un filtro bien diseñado debe presentar una baja pérdida de inserción en la banda de paso y una atenuación elevada fuera de ella, además de mantener una adaptación adecuada a la impedancia del sistema.
Por qué se utiliza un pasa bajos y no un pasa banda
El filtro pasa bajos deja pasar la frecuencia fundamental y atenúa las frecuencias superiores, incluidos los armónicos que se encuentran por encima del límite de la banda de trabajo.
Un filtro pasa banda, en cambio, solo deja pasar un intervalo concreto de frecuencias y puede atenuar también señales que no sean armónicos superiores, incluida una parte de la banda deseada si su ajuste no corresponde a la señal fundamental.
Un amplificador push pull bien equilibrado, simétrico en construcción y polarización, ya autocancela muy espectacularmente los armónicos pares 2º, 4º, etc.
En algunos amplificadores ponen en paralelo un condensador con el transformador de salida para disminuir las frecuencias superiores.
Las placas de filtros pasa bajos para cada banda son habituales en los amplificadores de radiofrecuencia, especialmente cuando el equipo debe trabajar en varias bandas.
¿Dónde se disipa la energía rechazada?
En un filtro ideal formado únicamente por componentes reactivos, la energía fuera de la banda de paso se refleja hacia la fuente. En un filtro real, una parte puede perderse en las resistencias parásitas, en las bobinas, en los condensadores y en otros elementos del circuito.
Si tanto preocupa esa reflexión de los armónicos, hay una solución más vieja que el ir a pie, que es poner a la entrada del pasabajos o pasabanda un filtro pasaaltos acabado en una carga artificial.
De este modo los armónicos se disipan en esa carga no volviendo hacia atrás al estar perfectamente adaptado. Incluso si se pone un diodo en esa carga desacoplado puedes calcular la potencia de la suma de estos armónicos.
En frecuencias altas de VHF UHF usan los circuladores, los cuales suelen llevar una carga; de esa manera no hay reflejada. Pero en HF creo que no hay circuladores.
Adaptación, cable coaxial y longitud eléctrica
La longitud del cable entre el amplificador, el filtro y la carga puede influir en la impedancia que ve cada circuito. Lo de la longitud del coaxial parece que a los balun hay que obligarles a que vean una impedancia real de 50 ohms.
Eso ya me lo he encontrado midiéndolos con el VNA: directamente dan lectura incorrecta, teniendo que poner algo de coaxial entre balun y VNA, para obtener unas lecturas coherentes.
Algunos juegan con la longitud del cable que va del ampli a los filtros. En ciertos montajes se habla de poner 140cm de RG142 y recortar de 3 en 3 cm este cable hasta que se ajuste.
Otros hablan de hacer un choque entre filtros y ampli con 90cm de cable, de 2 o 3 vueltas. La longitud exacta no debe tomarse como universal, porque depende del circuito, de la impedancia, de la frecuencia y de la forma en que están construidos los transformadores y balunes.
La variación de la ROE al cambiar la longitud del coaxial no significa necesariamente que el filtro esté eliminando mejor los armónicos. Puede indicar que se está transformando la impedancia o desplazando el punto donde se mide la desadaptación.
Montaje de amplificadores y filtros de RF
Primero hay que ver donde está el fallo en el ampli, luego si tanto preocupa esa reflexión de los armónicos hay una solución más vieja que el ir a pie, que es poner a la entrada del pasabajos o pasabanda un filtro pasaaltos acabado en una carga artificial.
Un montaje de alta potencia debe tener el amplificador en una caja justa a su tamaño que tenga blindaje completo, con conectores y cables coaxiales adecuados.
El amplificador tiene que estar en una caja con blindaje completo, aislada del campo electromagnético de la placa de filtros pasa bajos para cada banda, y esta placa de filtros también blindada.
Una auto oscilación, otro error, una masa no continua, falta de apantallamiento o desadaptación de la entrada pueden producir fallos que no deben atribuirse automáticamente al filtro de salida.
En una prueba inicial conviene conectar la salida directamente a una carga resistiva y trabajar con la mínima potencia posible. También puede utilizarse un atenuador de 6 dB cuando sea adecuado para la medición.
El cambio de bandas no es problema cuando el filtro sigue al excitador y los relés seleccionan el circuito correspondiente. Los relés pueden estar paralelos con un optoacoplador para no cargar el +3v del excitador.
Cómo elegir el filtro adecuado
| Necesidad | Filtro recomendado |
|---|---|
| Eliminar graves o retumbos | Pasa altos |
| Eliminar agudos, silbidos o ruido superior | Pasa bajos |
| Conservar un intervalo de frecuencias | Pasa banda |
| Separar graves, medios y agudos antes de amplificar | Divisor activo con varios filtros |
| Atenuar armónicos de un amplificador de RF | Pasa bajos de salida |
| Disipar energía reflejada | Carga artificial adaptada o circulador |
El filtro pasa alto es la elección adecuada cuando el problema está por debajo de la frecuencia útil. El filtro pasa bajo es la elección adecuada cuando el problema está por encima de la frecuencia útil.
El filtro pasa banda es apropiado cuando solo interesa una zona delimitada del espectro, como una sección de medios en audio o un canal concreto en un sistema de recepción.
Para armónicos de un transmisor o amplificador de radiofrecuencia, se utiliza normalmente un filtro pasa bajos situado después de la etapa final y antes de la antena o de la carga, siempre que su frecuencia de corte permita el paso de la fundamental.
En audio, no conviene utilizar filtros de forma automática en todas las pistas ni aplicarlos al master sin escuchar el resultado. Un filtro pasa bajos demasiado agresivo puede hacer que las grabaciones pierdan potencia, claridad y aire.
En radiofrecuencia, tampoco conviene considerar que un filtro “se come” los armónicos sin más: puede transmitirlos atenuados, reflejarlos hacia la fuente o disipar parte de su energía en pérdidas reales. La medición de S21, S11, potencia, ROE y comportamiento térmico permite distinguir cada situación.
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