Tipos de Filtros Ecualizadores

ELECTRÓNICAS DE FILTROS

FILTROS ANALÓGICOS:

Actúan directamente sobre la señal eléctrica de audio captada

• Pasivos: Utilizan bobinas, condensadores y resistencias
• Activos: Utilizan resistencias, condensadores y elementos activos (transistores, amplificadores integrados)

FILTROS DIGITALES

Actúan sobre la señal de audio después de haber sido digitalizada

• Filtros sofisticados y caros
• Poco utilizados hasta ahora (mesas digitales)
• Distorsión y ruido despreciables (sólo el producido por la conversión A/D – D/A)
• Pendientes muy elevadas
• Se puede hacer que la respuesta en fase sea 0

FUNCIÓN QUE REALIZAN

FILTRO PASA ALTOS

Un filtro pasa altos permite el paso a todas las frecuencias por encima de una frecuencia determinada, sin modificación alguna, mientras que por debajo de esta frecuencia se registra una atenuación progresiva del resto de frecuencias (Figura 3).

Existen filtros pasa-altos con diversas pendientes de actuación, los más comunes tienen pendientes de 6 dB., 12 dB., 18 dB. y 24

Figura 3. Octava según la atenuación que presenten.

FILTRO PASA ALTOS

Actúa de forma similar al pasa-altos, pero las frecuencias que son atenuadas son las que se encuentran por encima del punto de corte (Figura 4).

Figura 4.

FILTRO PASA BANDA Y BANDA ELIMINADA

Cuando un filtro es, a la vez, pasa-altos y pasa-bajos es conocido como filtro pasa-banda. Este tipo de filtros son los que se incorporan en todo tipo de ecualizadores, para así poder trabajar con unas bandas de frecuencias perfectamente determinadas (Fig. 5).

Figura 5. Filtros pasa bajo

FILTRO NOTCH

Es un filtro que se usa principalmente para fines de corrección (ver apartado dedicado a ecualizadores gráficos y paramétricos). Este filtro puede atenuar una banda de frecuencias extremadamente muy estrecha dejando pasar todas las demás frecuencias a cada lado del filtro. Por ejemplo, un problema muy común en sonido es el zumbido que produce la corriente alterna (AC). Un filtro notch puede eliminarlo sin afectar apreciablemente a las frecuencias adyacentes.

Ejemplos Gráficos

CURVA CARACTERÍSTICA

En la Figura 18.2 podemos observar los diferentes circuitos de filtro activos de primer orden más básicos, junto con sus curvas características de respuesta (reales e ideales).El filtro paso-bajo representado en la Figura18.2.a posee una ganancia unitaria y su frecuencia de corte (fc) queda determinada mediante la siguiente expresión: 

fc = 1/(2π RC)

para un punto en el cual se igualan la reactancia capacitiva del condensador C y la resistencia R. Lo mismo le sucede al circuito de filtro paso-alto representado en la Figura18.2.b con su frecuencia de corte.

En el filtro paso-banda representado en la Figura 18.2.c se puede observar que ha quedado constituido por un circuito en cascada, formado por un filtro paso-alto y uno paso-bajo de primer orden, cuyas frecuencias de corte inferior (fc1) y superior (fc2) coinciden con las frecuencias de corte de los filtros que lo constituyen.

Figura 18.2. Curvas de respuesta ideales de los diferentes tipos de filtros y símbolos que se utilizan para representarlos (la linea continua representa la curva ideal y la discontinua, la real).

La Figura 18.2 nos muestra también los símbolos normalizados adoptados para representar cada una de estas funciones y sus curvas de respuesta ideales (en línea continua sombreada) de cada uno de estos filtros.

Las líneas discontinuas representan las curvas de respuesta reales. Se puede observar cómo evoluciona la ganancia, G, en función de la frecuencia para la señal tratada a partir de la frecuencia de corte, presentando una pendiente de 20 dB por década o 6 dB por octava. La curva de respuesta de un filtro real la podemos dividir en varias bandas, atendiendo al tipo de filtro utilizado, según podemos apreciar en la Figura 18.2. En la práctica, los resultados reales difieren de los ideales, aunque se pueden obtener aproximaciones muy satisfactorias. 

De la curva de respuesta obtenida para el filtro paso-banda representado en la Figura 18.2.c se deduce que su comportamiento no es el ideal, por lo que es preciso definir las diferentes bandas que componen esta curva de respuesta.

Podemos observar en la Figura18.3.a que existen cinco bandas. Así, se toman como puntos de corte superior e inferior fc1 y fc2, que coinciden con los de media potencia (donde la ganancia cae al 70,7 por 100 de la ganancia máxima, también denominados puntos de atenuación de -3 dB, que es la medida en decibelios obtenida para esta atenuación de la ganancia máxima (Gmax)) que denominamos banda de paso (BP) o ancho de banda (Ab). 

Las bandas de transición (BT) están comprendidas entre las frecuencias de corte inferior y superior y aquellas frecuencias en las que la ganancia cae hasta el 10 por 100 del valor máximo (fs1 y fs2). A partir de esta caída en las frecuencias hacia arriba y hacia abajo aparecen las bandas de corte suprimidas (BS). La Figura 1 8.3.b representa estas mismas bandas para un filtro paso-bajo.

Figura 18.3. a) Representación de las diferentes bandas de frecuencia que componen un filtro paso-banda. b) Diferentes bandas de frecuencia de un filtro paso-bajo.

CONCEPTOS A TENER EN CUENTA

SELECTIVIDAD

Puede definirse como la capacidad de un filtro para seleccionar, en un espectro de frecuencias dado, una determinada frecuencia o una banda determinada. Este concepto tiene una gran importancia en los filtros paso-banda y elimina-banda, aunque menos en los paso-bajo y paso- alto, debido a que éstos permiten el paso de una banda de frecuencia muy amplia inferior y superior respectivamente a la frecuencia de corte dada.

FACTOR DE CALIDAD (Q)

Debemos recordar que un factor Q elevado conlleva una selectividad también alta (para un valor determinado de fo) ya que implica un menor ancho de banda (Ab) y viceversa. Por el contrario: Menor Q → Mayor ∆ f → Menor Pendiente.

Este factor viene expresado por la fórmula: 

Q = fo / Ab

Podemos observar que depende de cociente entre la frecuencia central fo, y el ancho de banda Ab (Figura 18.4).A menor amortiguamiento del filtro (mayor Q), tenemos una pendiente inicial de caída mayor y una mayor Distorsión.

Figura 18.4. Curvas de respuesta que representan la relación entre el factor de calidad Q y la selectividad de un filtro.

ORDEN DE UN FILTRO (N)

Todos los filtros tienen una banda de paso y una banda suprimida, términos que son auto explicativos. La atenuación progresiva en la banda excluida a partir de la frecuencia de corte de los filtros paso-bajo y paso-alto queda determinada por el orden del filtro.

Los filtros de primer orden, por ejemplo, presentan una atenuación progresiva de 6 dB/octava en la banda suprimida. Esta atenuación se incrementa por el factor n para órdenes superiores, donde n es el orden del filtro. Como puede apreciarse en los filtros de segundo y tercer orden (y así sucesivamente) sufren atenuaciones progresivas de 12 y 18 dB/octava respectivamente; (así pues, un filtro activo de orden n contiene, al menos, n células RC (o n/2 células LC) en su estructura).

N = es el orden del filtro

Primer Orden :> n = 1  Pendiente 6 dB/Oct 

Segundo Orden :>  n = 2  Pendiente 12 dB/Oct 

Tercer Orden :> n = 3  Pendiente 18 dB/Oct 

Filtros Paso Alto y Paso Bajo → orden n → pendiente 6·n dB/oct

(Donde n puede ser cualquier número entero)

Filtros Paso Banda y Banda Eliminada → orden n → pendiente 3·n dB/oct 

(Donde n tiene que ser un número par)

Orden de un filtro (n) → Grado de complejidad → Coste del filtro 

A mayor orden:

• Mayor pendiente de atenuación 
• Mayor distorsión. 
• Empeora la respuesta en esa señal. 
• El filtro tarda más tiempo en reaccionar 

Se producen muchas oscilaciones que evolucionarán en el tiempo.

DESFASES EN LOS FILTROS ACTIVOS

Otra de las características que intervienen en los filtros activos es el desfase que se produce entre las señales de entrada y salida. Estos desfases que se introducen con los circuitos de filtro pueden producir algunos problemas en la transmisión de las señales, llegando incluso a causar serias perturbaciones en su buen funcionamiento.

La siguiente fórmula representa la Función de Transferencia del filtro:

H(f): Módulo (amplitud o atenuación de Vs en función de la frecuencia)

Ф(f): Fase (causa distorsión de impulsos. Desfase entre la señal de entrada y de salida del 

                  sistema.)

Vs = Ve · H(f)  :> siempre buscaremos que H(f) = 1 para que Vs = Ve

Suponiendo Ve(f) un nivel uniforme a todas las frecuencias, vemos el desarrollo sobre un filtro paso bajo.

El efecto de generar desplazamientos de fase causará un retardo temporal, que estará en función de la frecuencia. Finalmente, se obtendrá una degradación en los transitorios y un sonido excesivamente «brillante», en el que, además, se puede notar un deterioro de la imagen estereofónica.

Los desfases que introducen los diferentes circuitos de filtro se pueden corregir introduciendo en serie con éstos unos circuitos correctores o compensadores de fase que mejoren estos retardos y permitan obtener un desfase, en una frecuencia determinada, entre las señales de entrada y salida. Este desfase no afecta a la amplitud de las señales transmitidas en relación con sufrecuencia (por lo que también se denominan filtros paso todo), restableciéndose de nuevo la fase en su salida.

En cuanto a la característica de fase de un filtro, podemos observar en la Figura 18.8 que entre el voltaje de salida y el de entrada existe una diferencia de 0° cuando se aplica al filtro una señal de frecuencia nula, voltaje continuo, disminuyendo a -45° a la fc y manteniéndose en -90° en frecuencias mucho más elevadas que la frecuencia de corte. 10

Figura 18.8. Respuesta de fase producida en los filtros.

TIPOS DE FILTROS ACTIVOS

Los filtros activos más comunes utilizan una función matemática específica que permite aproximar su curva de respuesta a la ideal de cada tipo de filtro. Dentro de los filtros activos más utilizados se encuentran los siguientes: Butterworth, Chebyshev, Cauer o elíptico y Bessel.

No vamos a realizar un estudio detallado, ya que exige un tratamiento matemático muy complejo y falto de interés práctico, simplemente daremos unas nociones básicas sobre los diferentes tipos de filtros más utilizados y su cálculo más sencillo.

FILTROS BUTTERWORTH

Se dice que un filtro paso-bajo o paso-alto es de respuesta uniforme o plana cuando su respuesta de amplitud muestra un mínimo de variación en la banda de paso, esto es, no presenta picos ni atenuaciones progresivas prematuramente, quedando exenta de rizado (ripple). Es, pues, una curva decreciente en todas las frecuencias. La máxima aproximación a la curva de respuesta ideal se consigue en las proximidades de f = 0 Hz. La curva de respuesta Butterworth representa este hecho y se conoce también como curva de respuesta plana, debido a que no presenta rizado.

Es importante señalar que, cuanto mayor sea el orden de un filtro, tanto más se aproximará su respuesta a una de las curvas ideales representadas para los diferentes tipos de filtros. En la Figura 18.5 podemos apreciar la curva de respuesta de un filtro Butterworth.

En el filtro Butterworth la atenuación que sufre la tensión de salida disminuye a razón de 20 n dB por década o 6 dB por octava, donde n indica el orden del filtro. Por ejemplo, un filtro de segundo orden sufre una atenuación de 40 dB/década; uno de tercero, 60 dB/década, etc. Estas atenuaciones se refieren al valor de la ganancia máxima.

La curva de respuesta de los filtros Butterworth no es aceptable para frecuencias próximas a la de corte (fc), sobre todo si el filtro es de orden inferior, como hemos podido observar en la Figura 18.5. Por tal motivo, estudiamos los filtros Chebyshev, que tienen una mejor respuesta para frecuencias próximas a la de corte (fc).

Figura 18.5. Curvas de respuesta del filtro Butterworth para diferentes ordenes de filtros.

FILTROS CHEBYSHEV

Considerando, pues, ambos filtros del mismo orden e idéntica estructura, la respuesta del filtro Chebyshev será, mejor en las proximidades de la frecuencia de corte y su pendiente mayor que la correspondiente al filtro Butterworth. Sin embargo, el filtro chebyshev presenta rizado (ripple) en su banda pasante, como podemos observar en la Figura18.6.

Figura 18.6. Curvas de respuesta del filtro Chebysher para diferentes ordenes de filtros.

El número de las ondas de rizado o ripples presentes en su banda de paso es igual al orden del filtro utilizado y su amplitud (AR) depende de un parámetro. Por ejemplo, podemos encontrar filtros Chebyshev de 0,5 dB, de 1,5 dB y hasta de AR = 3 dB, que es el valor máximo permitido. En el punto f = 0 Hz los ripples toman un valor; máximo o mínimo, según que el orden del filtro sea par o impar, respectivamente. Este efecto lo podemos observar en la Figura 18.6.

En los filtros Chebyshev se produce un hecho curioso y a la vez contradictorio, ya que al aumentar el rizado en su banda de paso corresponde una mayor atenuación en su banda de transición. Esto denota una simple elección por parte del proyectista, bien por la atenuación en la pendiente del filtro a partir de la frecuencia de corte (beneficiando así las características del filtro) o bien por el rizado, que perjudica al filtro.

El porcentaje de atenuación que sufren los filtros Chebyshev es, en la mayoría de los casos, superior a 20 n dB/década (n = orden del filtro). La ganancia y la atenuación de un filtro del tipo Chebyshev son mejores para un orden determinado que las correspondientes al filtro Butterworth. Sin embargo, la linealidad de fase del primero es mejor que la del segundo.

FILTROS DE CAUER O ELÍPTICOS

Los filtros de Cauer presentan rizado, tanto en la banda de paso como en la de corte. Tienen una mejor actuación en torno a la frecuencia de corte y presentan una pendiente bastante más pronunciada.

Por ello, se utilizan en circuitos que requieren mucha precisión en el punto de corte y una elevada atenuación en la banda de corte (Fig. 18.7).

Figura 18.7. Curva de respuesta del filtro Cauer

FILTROS BESSEL

La característica que define a un filtro con respuesta Bessel es que presenta una respuesta que se aproxima a la ideal, dentro de la banda de paso, para un orden de filtro alto. Además tiene una buena linealidad en su respuesta de fase. Sin embargo, la pendiente en la banda de corte es peor que en filtros con respuesta del tipo Butterworth o de Chebyshev, para un filtro del mismo orden.

Filtros BESSEL:                 Pendiente y Distorsión bajos           Poco utilizados en audio 
Filtros BUTTERWORTH:   Pendiente y Distorsión media          Muy utilizados
Filtros CHEBYSHEV:         Pendiente y Distorsión altos            Poco utilizados
Filtros CAUER:                  Pendiente y Distorsión muy altas     No utilizados

En audio se suelen utilizar filtros BUTTERWORTH de orden ≤ 4

FILTROS TÍPICOS DE AUDIO

FILTRO SUBSONICO (LOW FILTER)

- Filtro Paso Alto
- Fo de 20 a 50 Hz.
- Pendiente de 2º o 3° Orden (12 o 18 dB/Oct)
- Efectos:

• Elimina Señales "No Audibles"

• Evita descentraje de bobinas de altavoces

• Atenúa la fuerte resonancia brazo-cápsula de giradiscos

• Atenúa el rumble (ruido mecánico) en giradiscos y magnetófono.

7.2. FILTRO DE GRAVES

- Filtro Paso Alto

- Fo a 300 hz. 

- 2º orden (12 dB/Oct) 

- Efectos:

• Elimina banda de graves 
• Afecta muy poco a la voz 
• Elimina cuerpo y profundidad de la música
• Atenúa fuertemente el rumble 
• Atenúa el ruido de red (“Hum”, 50 hz.)
• Atenúa ruidos de aire acondicionado y reverberación 
• Compensa efecto proximidad en micros 
• Pueden ser utilizados para atenuar la señal audio  en áreas de frecuencias donde exista el peligro de ruidos o distorsiones de todo tipo como son, por ejemplo:

-    Las vibraciones producidas por las pisadas en un escenario, que a través de los 

pies de  micro pueden introducirse y llegar hasta las etapas de amplificación y los altavoces, con resultados nefastos al mezclarse con el resto del programa musical. Estas vibraciones, contienen frecuencias muy bajas, entre los 5 y los 25 Hz., y cómo están prácticamente fuera de las frecuencias musicales ordinarias, su atenuación no representa ningún problema.

-    Otro caso serían los golpes de viento que pueda provocar un cantante ante micrófono, que suelen introducir ruidos entre los 40 y los 80 Hz.; estas frecuencias se encuentran ya en un extremo del programa musical, y su atenuación puede ser más problemática.

En cualquier sistema de amplificación sonora es interesante poder disponer de un filtro pasa-altos, un punto de corte situado entre los 20 y los 40 hercios, y una pendiente de actuación que vaya de 12 dB por octava a 24 dB por octava. Este filtro no afectará directamente la buena reproducción de las notas musicales, ya que por debajo de los 40Hz., en un directo, no se suele trabajar; y por otro lado protegeremos a las etapas y a los altavoces de sobrecargas ocasionadas por frecuencias no deseadas. Estas sobrecargas pueden ser ocasionadas, también, por señales transitorias generadas por los mismos procesadores de la señal (compresor, reverberador, etc.). En ocasiones las etapas de potencia ya llevan incorporado un filtro pasa-altos, si las etapas con las que se trabaja no lo llevan, siempre tenemos la posibilidad de incorporarlo al equipo, justo antes de que la señal audio entre en la etapa de potencia.

FILTRO DE AGUDOS (HIGH FILTER, SCRATCH FILTER)

- Filtro paso bajo

- 2° a 4° orden (12 a 24 dB/Oct ) 

- Fo de 15 Khz a 20 Khz, según su aplicación práctica. 

- Efectos

• Elimina señal de audio contaminada por ruido
• Fo = 4 Khz:        Afecta algo a la inteligibilidad de la voz (canales telefónicos)
• Fo = 5 Khz:        En recepciones AM
• Fo = 8 Khz.        Reproducción fiel de la palabra; Atenúa Scratch de discos en mal estado
• F = 15 Khz:        Elimina soplido de cinta magnetofónica. En recepciones FM estéreo. Es difícil apreciar el recorte de banda producido

- Se utiliza para recortar frecuencias que están mas allá del espectro musical audible, y también para reducir ruidos ocasionados por el propio sistema de amplificación. A menudo se trabaja con altavoces que tienen un límite en lo referido a las frecuencias que pueden reproducir (por ejemplo un tweeter preparado para reproducir frecuencias entre 4 y18 KHz); al recibir frecuencias superiores a los 18 Khz, este tweeter distorsionará de forma inmediata. La incorporación de un filtro pasa-bajos con un punto de corte situado entre los16 y los 18 Khz resolvería este problema.

- En los sistemas de grabación digital se incorporan siempre unos filtros pasa-bajos con una pendiente muy pronunciada, del orden de los 48 dB por octava. Son filtros especiales que no permiten el paso a ninguna frecuencia que no pueda ser maestreada ó codificada en el sistema digital, y se conocen como filtros anti-aliasing.

7.4. FILTRO FISIOLÓGICO (LOUDNESS)

Sensación de sonoridad percibida por el oído a diferentes frecuencias cuando la intensidad sonora objetiva es constante (Curvas de Fletcher-Munson)

Intensidades bajas:  Sonoridad constante en frecuencia 

Intensidades elevadas: Poca sonoridad en graves y agudos

Corrección de respuesta de Sonoridad No Lineal del Oído. (Loudness)

El filtro fisiológico (Loudness) compensa la respuesta no lineal del oído en función del nivel de presión sonora.

CROSSOVER

No hemos incluido los filtros activos divisores de frecuencias, o crossovers, ya que la definición de estas unidades se encuentra en el capitulo donde se habla de altavoces y cajas acústicas. De toda formas algunos especialistas no consideran que los crossovers sean exactamente procesadores de señal, sino más bien “troceadores” de la misma.

CROSSOVER PASIVO

Maneja los niveles de señal correspondientes a la salida de la Etapa de Potencia.

CROSSOVER ACTIVO MULTIAMPLIFICADO

-    Posibilidad de regular la potencia enviada a cada vía

-    Fácil variación de frecuencias de corte en cada vía

-    Fácil ampliación de potencia en una vía (más amplificación)

-    Filtrado a nivel de línea, baja potencia (sonorización)

-    Menor distorsión y menores pérdidas de potencia.