Filtros Activos Elimina Banda - Una implementación práctica

Universidad Nacional de Misiones
Facultad de Ingeniería
Ingeniería Electrónica
Electrónica Analógica
Informe
Filtros Activos – Una implementación práctica
Autores:
Hoff Romina Andrea
Krujoski Matías Gabriel
Statkievicz Elías José
Docentes Responsables:
Dr. Ing. Anocibar Hector R.
Ing. Olsson Jorge A.
Ing. Xiscatti Pérez Christian
Sr. Zarratea Diego
Fecha: 2 de Junio
Oberá, Misiones
2014

Electrónica Analógica Filtros Activos – Una implementación práctica
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Introducción
En el presente informe de laboratorio se documenta el proceso de diseño de un conjunto de filtros
activos con la asistencia de software específico. Además, se detallan los procedimientos implicados
en la construcción de una placa experimental de los filtros diseñados. Finalmente, se incluyen los
detalles sobre los ensayos de funcionamiento realizados a los circuitos construidos y se presentan los
resultados obtenidos con sus respectivos análisis.
Metodología
En ésta sección se describen los recursos de los cuales se hizo uso en la implementación práctica del
filtro activo presentado.
Equipos, materiales y software
En la etapa de diseño del filtro se recurrió a los programas listados en la Tabla 1.
Tabla 1:Detalle de programas utilizados
Programa Versión Aplicación
FilterPro Desktop TI 3.1 Diseño matemático y eléctrico de los filtros.
PSpiece Schematics 9.2 Simulación de validación de los diseños.
Proteus Profesional 7 Diseño del diagrama PCB.
Para la implementación práctica del circuito se utilizaron las herramientas listadas en la Tabla 2; y
los materiales detallados en la Tabla 3.
Tabla 2:Detalle de herramientas utilizadas
Elemento Uso
PC Diseño del esquema de PCB.
Impresora láser Impresión del esquema PCB en hoja fotográfica.
Plancha eléctrica doméstica. Transferencia del esquema PCB a la placa virgen.
CEDL2P Cuba electrolítica para corrosión ácida de la placa.
Jarra eléctrica Calentamiento de agua para corrosión ácida en “baño maría”.
Perforadora de banco Perforaciones para componentes.
Soldador tipo lápiz 40W Soldado de componentes del circuito.
Des-soldador por succión. Desoldado para correcciones/modificaciones.
Alicate de micro-corte. Cortado de sobrantes de terminales.

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Tabla 3: Detalle de materiales utilizados
Elemento Cant. Características Aplicación
IC RC4136 1 DIL 7, Quad Operational Amplifiers AO de los filtros.
Cap. Elect. 2 10µF, 16V, polarizado. Filtro alimentación.
Cap. Cerám. 2 100nF, 50V. Filtro alimentación.
Cap. Elect. 8 1µF, 100V, polarizado Elementos pasivos.*
Cap. Elect. 2 2,2µF, 100V, polarizado Elementos pasivos.*
Resistor film C 1 560 Ω, 1/4W. Elementos pasivos.
Resistor film C 1 1,2 kΩ, 1/4W. Elementos pasivos.
Resistor film C 6 10 kΩ, 1/4W. Elementos pasivos.
Trimpot 1 5 kΩ, multivuelta. Calibración.
Pin 39 Pin metálico pasante. Puntos de prueba, jumpers.
Bornera 1 Azul, 3 vías. Conexión alimentación.
Bornera 1 Azul, 2 vías. Conexión de salida.
Conector 1 Audio estéreo 3,5mm a PCB. Conexión de entrada.
PCB virgen 1 Epoxi, Cu 200µm; 10x20cm. Placa.
Papel fotográfico 1 A4, 150grs/m2
, terminación lisa. Transferencia de PCB.
* Los capacitores que forman parte de la etapa pasiva de cualquier filtro activo deben ser
despolarizados porque se encuentran operando con señales de corriente alterna; sin embargo, por
desabastecimiento en el mercado local éstos fueron implementados con los capacitores electrolíticos
detallados, tomando el recaudo de seleccionar una aislación para mayor tensión a los efectos de evitar
daños en el dieléctrico por la aplicación de corriente alterna.
Procedimiento de Diseño del Filtro Activo
A los efectos de centrar el trabajo en la implementación práctica de diversos filtros activos y evaluar
su desempeño real, la tarea de diseño conceptual de los mismos fue relegada al software FilterPro
Desktop de la compañía Texas Instruments. En la Figura 1 se presenta una impresión de la pantalla
inicial del asistente para diseño que incorpora el mencionado programa. En primera instancia se debe
seleccionar del listado, el tipo de filtro que se desea diseñar; en éste caso corresponde a
Bandstop/Notch.

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Figura 1: Primera pantalla del asistente de diseño, selección del tipo de filtro
Como segunda etapa de diseño se deben especificar los parámetros matemáticos que definen la
respuesta en frecuencia que se desea obtener del filtro en proceso de diseño; a través de una pantalla
como la exhibida en la Figura 2.
Figura 2: Segunda pantalla del asistente de diseño, especificaciones de la respuesta del filtro

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El trabajo consiste fundamentalmente en diseñar dos filtros con diferente aplicación, y para cada uno
de ellos diseñar con dos topologías. El filtro para eliminar el ruido de la red simplemente debe
centrarse en 50 Hz; sin embargo, el filtro para subwoofer debe poder eliminar una frecuencia no
específica en el rango de los 15 Hz a los 35 Hz. De modo que, a efectos didácticos se ejecutó el
cálculo de diseño para dos filtros elimina banda centrados en esos extremos del rango para el filtro
de subwoofer. Así, en la Tabla 4 se resumen las especificaciones de diseño que fueron adoptadas para
cada uno de los filtros.
Tabla 4: Detalle de especificaciones de diseño de los filtros
Filtro 50 Hz
Filtro de Subwoofer
Inferior Superior
Ganancia (A0) [dB] 0 0 0
Frecuencia Central (f0) [Hz] 50 15 35
Ripple permitido (Rp) [dB] 3 3 3
Banda de Paso (BWp) [Hz] 45 10 10
Orden 2 2 2
Una vez cargados los parámetros de diseño en el asistente, este conduce a una pantalla como la
presentada en la Figura 3.
Figura 3: Tercera pantalla del asistente de diseño, respuesta matemática del filtro

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En la respuesta del filtro pueden compararse los resultados obtenidos mediante diversos estimadores;
y así elegir cuál de ellos se utilizará en el cálculo de los elementos pasivos asociados al amplificador
operacional del filtro; en este caso se selecciona el Butterworth. El paso siguiente consiste en elegir
la topología, a través de una pantalla como la de la Figura 4.
Figura 4: Cuarta pantalla del asistente de diseño, selección de topología del filtro
Llegado este punto del diseño, para cada uno de los filtros se obtienen dos resultados; uno en topología
de Multiple Feedback y otro Sallen –Key. De manera generalizada, un filtro elimina banda MF toma
la forma de la Figura 5 y el S-K resulta como el de la Figura 6.
-
+
-
+
C2
C1
R3
R1
R2
R5
R4 R6
in
out
Figura 5: Topología general del filtro elimina banda Multiple Feedback

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-
+
C3
C2
R3
R1
R5
R4
in
out
R2
C1
Figura 6: Topología general del filtro elimina banda Sallen - Key
Una vez seleccionada la topología que se desea diseñar, el asistente realiza los cálculos de todos los
componentes pasivos y devuelve los resultados en un reporte completo. En la realización del presente
trabajo dicho proceso se repitió para completar todos los diseños requeridos en sus respectivas
topologías; así, en la Tabla 5 se resumen los resultados obtenidos.
Tabla 5: Resumen de resultados de diseño de los filtros
Elemento
Filtro 50 Hz Filtro de Subwoofer
MF S-K
Inferior Superior
MF S-K MF S-K
R1 [kΩ] 3,3 3,3 18 10 18 4,7
R2 [kΩ] 6,8 3,3 33 10 33 4,7
R3 [kΩ] 2,2 1,8 4,7 4,7 0,68 2,2
R4 [kΩ] 10 2,2 10 2,2 10 2,2
R5 [kΩ] 10 1,2 10 1,5 10 1,8
R6 [kΩ] 10 -- 10 -- 10 --
C1 [µF] 1 1 1 1 1 1
C2 [µF] 1 1 1 1 1 1
C3 [µF] -- 2 -- 2 -- 2
En los resultados de diseño para el filtro de subwoofer puede observarse que entre el límite superior
del rango de frecuencias central del mismo (35 Hz) y el límite inferior (15 Hz) para la topología MF
sólo se modifica el valor de un resistor, el identificado como R3, esto permite reemplazarlo por un
trimpot que puede manejar un rango de variación suficiente como para reproducir estos valores
extremos de resistencia y así lograr un filtro elimina banda con frecuencia central ajustable. Sin
embargo, para la topología SK no se encuentran coincidencias entre los diseños para las frecuencias
extremas; por lo que se decide recalcular el mismo con una frecuencia central intermedia a la banda

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15 a 35 Hz. Este proceso de rediseño se hace con una frecuencia central de 20 Hz. En la Tabla 6 se
detallan los resultados obtenidos.
Tabla 6: Elementos para el
filtro de Subwoofer, 20Hz
Elemento S-K
R1 [kΩ] 8,2
R2 [kΩ] 8,2
R3 [kΩ] 3,9
R4 [kΩ] 2,2
R5 [kΩ] 1,8
R6 [kΩ] --
C1 [µF] 1
C2 [µF] 1
C3 [µF] 2
De este modo, los diseños obtenidos mediante el software utilizado, son validados a través de la
simulación de los circuitos con el programa PSpiece Schematics. En la Figura 7 se exhibe la respuesta
en frecuencia del filtro de 50 Hz mediante simulación, para ambas topologías.
Figura 7: Respuesta de simulación para el filtro elimina banda en 50 Hz
En la simulación para el filtro de 50 Hz se aprecia que ambas topologías presentan su máxima
atenuación a frecuencias distintas de la establecida como central. Además, es de notar que la topología
Sallen-Key presenta una ganancia estática en la banda de paso, que no debería estar según las
especificaciones de diseño. A pesar de éstos aspectos encontrados en la simulación, se consideran
validados ambos diseños para poder implementarlos.
En la Figura 8 se exhiben los resultados de simulación para el filtro elimina banda de subwoofer, para
ambas topologías y con ajuste del valor de R3 en la MF a sus valores límites dados en la Tabla 5, en
tanto que para la topología Sallen-Key se consideran los valores de la Tabla 6.
Frequency
0Hz 10Hz 20Hz 30Hz 40Hz 50Hz 60Hz 70Hz 80Hz 90Hz 100Hz
VDB(Vmf) VDB(Vsk)
-40
-20
0
20

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Frequency
0Hz 10Hz 20Hz 30Hz 40Hz 50Hz 60Hz 70Hz 80Hz 90Hz 100Hz
VDB(Vmf) VDB(Vsk)
-30
-20
-10
0
10
Figura 8: Respuesta de simulación para el filtro elimina banda de Subwoofer
En la Figura 8 se puede apreciar que nuevamente la topología Sallen-Key presenta una ganancia en
la banda de paso que se considera indeseada, en función de las especificaciones con que fuere
proyectado el filtro. Además, es posible observar dos curvas de respuesta para la topología Multiple
Feedback, dadas para los valores extremos del trimpot R3, que confirman el supuesto de poder
modificar la frecuencia central del filtro mediante el ajuste de dicho resistor únicamente. En función
de todo lo analizado, los diseños para el filtro de subwoofer se consideran validados para su
implementación.
Procedimiento de Diseño y Construcción del Circuito Impreso
Con los diseños de cada filtro validados, se procedió a diseñar una placa de circuitos impresos que
permita implementar todos los circuitos propuestos en forma práctica para facilitar su evaluación
experimental. Para el diseño de dicho circuito se tomaron los requerimientos detallados a
continuación:
 Debido a que los filtros están pensados para su aplicación en el campo del audio, la placa debe
poder conectarse con facilidad a una fuente de audio.
 El circuito será intercalado entre una fuente de audio y un amplificador; en consecuencia, se
trata de un circuito de señal que no tiene mayores requerimientos en cuanto a la potencia que
maneja.
 Contemplando su orientación didáctica, las distintas topologías para cada uno de los filtros
deben ser fácilmente intercambiables; además, ha de brindar la posibilidad de aplicar cada
uno de los filtros por separado, o ambos en cascada sí así se quisiese; como también brindar
la opción de hacer un bypass a los filtros y permitir el paso de señal sin alteraciones.
 Con el fin de facilitar su evaluación experimental, debe ofrecer practicidad para conectar
instrumentos de laboratorio en aquellos puntos que se consideran de interés en el esquema de
cada filtro.

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Con el fin de dar cabida a las especificaciones detalladas previamente y considerando el carácter
experimental del circuito a diseñar, se definió las dimensiones de la placa en 20x10 cm; un tamaño
varias veces superior a lo estrictamente necesario para acomodar a todos los componentes que
incorpora. Sin embargo, el exceso de espacio entre los componentes facilita la incorporación de
“puntos de prueba” con pin para realizar mediciones sobre el circuito en funcionamiento. Además,
las diversas topologías y forma de operación (individual, cascada o bypass) pueden ser
intercambiables fácilmente mediante jummpers.
Los amplificadores operacionales necesarios para cada filtro fueron tomados del integrado RC4136,
del fabricante Texas Instruments, porque el mismo incluye exactamente los cuatro AO que se
requieren.
Recurriendo al programa Proteus ARES Profesional se diagramó el esquema de PCB presentado en
la Figura 9; esta imagen está escalada y corresponde a una vista del lado de los componentes al sólo
efecto de orientar sobre la ubicación de elementos en el circuito.
UNaM-FacultaddeIngeniería
ElectrónicaAnalógica-2014
HoffR.-KrujoskiM.-SosaG.-StatkieviczE.
Oberá,Misiones,Argentina
Figura 9: Diagrama de PCB (fuera de escala)
Una vez comprobado el diseño de PCB, tanto sus conexiones eléctricas como espaciado de
componentes y terminales, el mismo fue impreso en una hoja de papel fotográfico con impresora
láser. Luego, la copia impresa del diseño de PCB fue transferida por el método térmico al lado de
cobre, previamente pulido y limpio, de la placa virgen; logrando así el enmascarado para realizar
posterior ataque ácido. Finalizado el proceso de corrosión ácida, fue neutralizado el reactivo y se
limpió el enmascarado de la placa; para finalmente aplicarle dos manos de flux protector.
Luego de secado el flux, se realizaron las perforaciones para instalación de los componentes del
circuito; concluyendo así el ensamblado con el proceso de soldadura.

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Procedimiento de Ensayo del Filtro Activo
Sí se pretende relevar las curvas de respuesta en frecuencia de los filtros, puede aplicarse directamente
el método de medición punto a punto de amplitud y fase para una señal de entrada que no debe superar
1 V de amplitud pico-pico.
A continuación se describe las distintas configuraciones que deben hacerse sobre el circuito para
evaluar el funcionamiento de las diversas etapas.
Filtro de 50 Hz, topología Multiple Feedback
Para poder ensayar, en forma individual, este filtro se requiere conectar los jummpers detallados en
el esquema de la Figura 10.
-
+
-
+
C8
C1
R2
R1
R4
R5
R6
R7
in
out
JP1
R3
JP2
JP4
JP9
R13
RC4136
12
14
13
3
1
2
RC4136
JP6
Figura 10: Diagrama Filtro 50 Hz Multiple Feedback
Si en lugar de ensayar únicamente éste filtro, se quiere poner su salida en cascada con el otro filtro,
debe reemplazarse el JP6 por JP10. Además, la señal de entrada puede ser provista a través de la ficha
de audio o en el punto de prueba 1 (etiquetado como PP1); y la señal de salida puede ser tomada
desde la bornera dispuesta a tal efecto o desde el punto de prueba 3 (PP3).
Filtro de 50 Hz, topología Sallen – Key
En la Figura 11 se presenta el diagrama detallado de las conexiones para implementar este filtro.

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-
+
C6
C4
R12
R10
R9
R8
in
out
R11
C2
JP7 JP8
JP5
JP3
JP6
RC4136
12
13
14
Figura 11: Diagrama Filtro 50 Hz Sallen - Key
También en éste caso, sí se desea poner a éste filtro en cascada con el otro filtro; debe reemplazarse
el JP6 por JP10.
Filtro de Subwoofer, topología Multiple Feedback
Cabe destacar que éste es el filtro que permite ajustar la frecuencia central de la banda mediante el
trimpot identificado como RV1 en el esquema de la Figura 12.
-
+
-
+
C12
C5
R15
R14
R17
R18
R19
R20
in
out
JP11
R16
JP12
JP14
JP18
R26
RC4136
10
8
9
4
6
5
RC4136
RV1
Figura 12: Diagrama Filtro Subwoofer Multiple Feedback
Para utilizar este filtro en cascada con el de 50 Hz debe eliminarse el JP11.
Filtro de Subwoofer, topología Sallen-Key
Este filtro posee una frecuencia central fija, diseñada en 20 Hz; para implementarlo se debe repropucir
el esquema de la Figura 13.

Página 12 de 15
-
+
C10
C9
R25
R23
R22
R21
in
out
R24
C7
JP16 JP17
JP15
JP13
RC4136
10
9
8
Figura 13: Diagrama Filtro Subwoofer Sallen - Key
Resultados Experimentales
Siguiendo los procedimientos enunciados en el apartado correspondiente, se relevaron de forma
experimental las curvas de respuesta para cada uno de los filtros diseñados; en las secciones siguientes
se incluyen los resultados obtenidos.
Filtro de 50Hz
Recurriendo al método de medición punto a punto, se relevó la curva de respuesta para ambas
topologías del filtro de ruido de línea. En la Figura 14 se aprecian las respuestas obtenidas en forma
experimental.
Figura 14: Curvas de respuesta experimental para el filtro de 50 Hz
10
1
10
2
-30
-20
-10
0
10
f [Hz]
Mg[dB]
MFB
Sallen-Key
10
1
10
2
0
50
100
150
f [Hz]
Fase[grados]
MFB
Sallen-Key
Filtro 50 Hz

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Según los datos relevados, se aprecia que el filtro de Multiple Feedback presenta un comportamiento
más aproximado a lo que se esperaba según el diseño del mismo y los resultados de simulación. En
cambio, el Sallen – Key, no alcanza a brindar la atenuación de diseño en ningún punto de la respuesta
en frecuencia; además, el valle de éste último filtro se encuentra considerablemente desplazado hacia
las bajas frecuencias respecto del diseño.
Estas discrepancias apreciadas en los ensayos prácticos pueden deberse al cambio de los capacitores
cerámicos por electrolíticos; ya que éstos últimos poseen una constante de tiempo superior.
Filtro de Subwoofer
Mediante la misma técnica de medición de respuesta en frecuencia se relevó los filtros para
subwoofer; con la particularidad de que la topología Multiple Feedback debió relevarse tres veces,
una con el ajuste del trimpot al mínimo, otra al máximo y una tercera en un punto intermedio. En la
se exhiben los resultados obtenidos.
Figura 15: Curvas de respuesta experimental para el filtro de Subwoofer
En la respuesta obtenida en forma experimental se puede apreciar con claridad como se modifica la
frecuencia central del filtro MF al cambiar el valor del preset. Además, puede notarse que pare este
filtro la topología Sallen- Key logró ofrecer el nivel de atenuación proyectado en la frecuencia central.
Conclusiones
Luego de desarrolladas las experiencia implicadas en la implementación práctica de filtros activos se
puede concluir que éstas fueron muy productivas; consiguiéndose en general satisfacer las
especificaciones con que fueren diseñados los circuitos.
10
1
10
2
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
f [Hz]
Mg[dB]
MFb wmin
MFb wmed
MFb wmax
Sallen-Key
10
1
10
2
0
50
100
150
200
f [Hz]
Fase[grados]
MFb wmin
MFb wmed
MFb wmax
Sallen-Key
Filtro Subwoofer

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Además, se destaca que resultó una experiencia muy enriquecedora la tarea de diseñar el conjunto de
filtros configurables mediante un juego de jummpers en una placa de circuito impreso.
Gracias a los resultados obtenidos, se determina que la topología Multiple Feedback presenta mayor
versatilidad de calibración mediante elementos circuitales sencillos, como los presets. Sin embargo,
cabe destacar la menor cantidad de componentes requeridos por la topología Sallen-Key.
En cuanto al software utilizado en el diseño de los filtros, se resalta su usabilidad y versatilidad;
tomándolo así como herramienta referente para futuros trabajos.

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