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Herramientas de próxima generación para llevar el diseño analógico a la era digital

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El diseño de filtros tradicional

Normalmente, un circuito de filtro analógico está compuesto por diferentes componentes activos y pasivos (amplificadores operacionales, resistencias, condensadores y, a veces, bobinas).

Hay multitud de tipos de filtro disponibles, y cada uno de ellos tiene especificaciones asociadas, lo que complica aún más el diseño. Es necesario emplear una estrategia metódica en el diseño, y esta empieza por decidir el tipo de filtro que necesitamos. Algunas de las opciones disponibles son las siguientes:

  • Filtro de paso bajo o FPB, para eliminar las señales de alta frecuencia.
  • Filtro de paso alto o FPA, para eliminar las señales de baja frecuencia.
  • Filtro de paso banda; solo permite el paso de las señales que se encuentren en un determinado rango de frecuencias.

El siguiente paso consiste en seleccionar una función de transferencia del filtro que cumpla con las especificaciones de este, por ejemplo:

  • Ancho de banda: describe el rango de frecuencias que un circuito va a dejar pasar sin atenuación (con una reducción nula o muy pequeña en su amplitud).
  • Desplazamiento: describe el ritmo de la atenuación; es decir, la rapidez con la que el filtro empieza a eliminar los componentes de frecuencia no deseados en la señal del sensor.
  • Fase: el retraso relativo entre la señal de entrada y la de salida. Es algo importante si se utiliza un bucle de retroalimentación en la cadena de señal, ya que afectará a la estabilidad del bucle.

Una función de transferencia es una fórmula matemática compleja que describe la respuesta en frecuencia del filtro, es decir, la relación entre la señal de entrada y la de salida. Los diseñadores analógicos deben lograr que la respuesta en frecuencia deseada del filtro sea lo más cercana posible a las respuestas en frecuencia precalculadas para los distintos tipos de filtro, como se definen en las tablas de filtros (Butterworth, Bessel, Chebyshev, etc.). Tras seleccionar el tipo de filtro que más se aproxime al rendimiento deseado, el diseñador deberá calcular los valores de los componentes antes de poder fabricar (o emular) un circuito real.

Tras esto, se podrá evaluar el rendimiento del filtro para ver si cumple con las especificaciones correspondientes. Esto puede llevar mucho tiempo y resultar frustrante, ya que, con frecuencia, es necesario repetir este proceso varias veces hasta lograr el mejor equilibrio posible.

El diseño moderno de filtros

Es posible que el proceso descrito anteriormente sea el más conocido, pero la realidad actual es muy distinta, gracias a herramientas como Analog Filter Wizard, de Analog Devices. Este software automatiza por completo el flujo del diseño de filtros, desde la selección inicial del filtro hasta la creación de prototipos reales. Tras una primera selección (FPA, FPB o paso banda), el diseñador solo tiene que introducir las especificaciones del filtro en una sencilla interfaz que muestra la respuesta en frecuencia del filtro y la ajusta de forma dinámica (imagen 2).

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Imagen 2: configuración de la respuesta en frecuencia del filtro con Analog Filter Wizard.

Para hacer más ajustes, basta con volver a introducir los valores de las especificaciones o mover un control deslizante. Tras especificar la respuesta en frecuencia deseada, la herramienta muestra automáticamente el circuito con el que será posible lograrla (imagen 3). No hace falta que el diseñador ajuste manualmente las funciones de transferencia con las tablas de los distintos tipos de filtros.

La herramienta proporciona incluso los valores de los componentes, así que no es necesario ningún cálculo, y no se limita a proporcionar un modelo «ideal» de circuito, sino que el diseñador puede especificar las tolerancias de los componentes para tener una idea de cómo va a funcionar en realidad. También suministra los archivos SPICE totalmente funcionales (sin necesidad de depuración), a fin de poder simular de un modo rápido y sencillo el efecto de la temperatura y la tensión.

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Imagen 3: circuito de filtro necesario para lograr la respuesta en frecuencia deseada.

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