Cómo comprender y gestionar el diseño analógico
En el último blog de nuestra serie sobre la importancia (y la carencia) de funcionalidades ingenieriles en el diseño analógico, hablaremos sobre cómo diseñar rápidamente un circuito de filtro analógico totalmente funcional sin calcular manualmente los valores de los componentes y sin utilizar números complejos ni ecuaciones diferenciales.
Imagen 1: menú de tipo de filtro.
Con la ayuda de herramientas de software gratuitas como Analog Filter Wizard y LTSpice —ambas de Analog Devices—, los ingenieros electrónicos pueden ahora diseñar y simular el comportamiento de un circuito de filtro antes de crearlo en el laboratorio o usarlo en un entorno de prueba.
El reto del diseño
La voz humana tiene una frecuencia de entre 300 Hz y 3 kHz aproximadamente. El reto consiste en diseñar un filtro de paso de banda (FPB) que permita el paso de las señales dentro de este rango (la banda de paso) a través del circuito y rechace las frecuencias que estén fuera del rango (la banda de eliminación). Encontramos una aplicación práctica de este filtro en los sistemas telefónicos, en los que se limita la banda de la señal antes de digitalizarla con un convertidor analógico-digital (CAD).
La construcción del circuito
En primer lugar, abrimos la herramienta Analog Filter Wizard y seleccionamos la opción de filtro de paso de banda (imagen 1).
A continuación, abrimos la pestaña «Especificaciones» y aparece una sencilla interfaz gráfica de usuario (GUI) en la que el ingeniero puede introducir las especificaciones del filtro; a continuación, el programa traza un gráfico de la respuesta en frecuencia del filtro correspondiente. En este ejemplo, los valores mostrados en la imagen 2 generan una respuesta en frecuencia que se ajusta al comportamiento deseado del filtro.
La banda de paso es el rango de frecuencias para el que la señal de salida es al menos del 70 % con respecto a la señal de entrada, y corresponde a la zona sombreada en azul entre las dos frecuencias de corte de -3 dB. El desplazamiento del filtro se especifica en -40 dB/década, lo que significa que las señales cuyas frecuencias sean diez veces superiores (o inferiores) a las dos frecuencias de corte de 300 Hz y 3 kHz respectivamente se atenuarán (se reducirán) a un nivel cien veces menor.
Imagen 2: respuesta en frecuencia del filtro de paso de banda.
En la pestaña «Componentes», aparecen los elementos necesarios para construir el filtro. Se pueden añadir los niveles de tensión que utilizará el circuito y seleccionar tipos de componentes personalizados (resistencias, condensadores y amplificadores operacionales); también es posible limitarse a aceptar los componentes predeterminados seleccionados por la herramienta.
Imagen 3: componentes en el circuito del filtro de paso de banda.
En la imagen, la configuración del circuito es para un filtro Butterworth de cuarto orden que se compone de un filtro Sallen-Key de segundo orden de paso bajo y un filtro Sallen-Key de segundo orden de paso alto. El conjunto proporciona la respuesta en frecuencia de paso de banda deseada.
Con la función «Solo SPICE» (en la pestaña «Siguientes pasos»), los ingenieros pueden descargar los archivos de software necesarios para simular el circuito con la herramienta LTSpice, que puede descargarse en la página web de Analog Devices.
Definición de las señales de entrada
En la imagen 4 se puede ver el esquema de LTSpice después de abrir el archivo «TransientAnalysis.asc» (suministrado por el Analog Filter Wizard). Se pueden ver claramente las dos etapas de filtro de segundo orden, las fuentes de alimentación (V2, V3) y la fuente de la señal de entrada (VIN).
Imagen 4: circuito de la simulación del filtro de paso de banda en LTSpice.
Los diseñadores pueden hacer rápidamente dos tipos de simulación para asegurarse de que el diseño del filtro se comporte según lo especificado.
- Análisis transitorio
- Análisis en CA
El análisis transitorio simula el comportamiento del filtro para una señal temporal real con una tensión de entrada y una frecuencia determinadas. La tensión de entrada máxima debe estar dentro del rango de funcionamiento de los amplificadores operacionales elegidos.
El análisis en CA simula el comportamiento del filtro en toda la gama de posibles frecuencias de la señal de entrada.
Simulación del circuito y análisis de la salida
En el análisis transitorio, la señal de entrada es una onda sinusoidal de 1 V (pico) con una frecuencia de 1 kHz. La imagen 5 muestra que la señal pasa sin atenuación por el filtro, ya que la entrada (en verde) y la salida (en azul) son casi idénticas. Este comportamiento es el esperado, ya que 1 kHz está dentro de la banda de paso del filtro.
Imagen 5: una señal temporal de 1 kHz pasa por el filtro sin recibir atenuación.
Si ejecutamos la misma simulación para una señal de entrada con una frecuencia de 30 kHz (imagen 6), la señal de salida es de casi 0 V; de nuevo, este es el comportamiento esperado, ya que esta frecuencia no se encuentra en la banda de paso (está en la banda de eliminación).
Imagen 6: el filtro rechaza una señal temporal de 30 kHz.
El esquema de prueba para el archivo «ACAnalysis.asc» descargado mediante Analog Filter Wizard aparece en la imagen 7.
Imagen 7: prueba de análisis en CA con LTSpice.
La imagen 8 muestra la respuesta en frecuencia del filtro generada por el análisis en CA, que se acerca mucho al que aparecía al especificar el rendimiento del filtro en el Analog Filter Wizard (imagen 2).
Imagen 8: respuesta en frecuencia del filtro de paso de banda.
Conclusión
En esta serie de cuatro artículos, nuestro objetivo ha sido concienciar sobre la escasez y la necesidad de ingenieros electrónicos con conocimientos sobre el diseño analógico. Hemos repasado los fundamentos del diseño de filtros analógicos y hemos analizado las herramientas que utilizan los ingenieros en su trabajo. En la actualidad, el diseño de circuitos analógicos dista mucho de ser un principio de diseño que depende de la visión subjetiva del ingeniero; este proceso ha evolucionado hasta convertirse en una metodología muy estructurada, y simplificada en gran medida por herramientas avanzadas de hardware y software que automatizan tareas para las que, en el pasado, había que hacer cálculos manuales que consumían mucho tiempo.
Esperamos que los ingenieros más jóvenes que lean esto empiecen a ver el diseño de circuitos analógicos de un modo distinto, como un conjunto de habilidades muy valoradas y una opción profesional gratificante.
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