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¿Qué es un filtro de RF Butterworth? Conceptos básicos

¿Qué es un filtro de RF Butterworth? Conceptos básicos


La topología del filtro Butterworth se usa ampliamente en muchas aplicaciones de filtros generales y de RF.

Una de las características clave del filtro Butterworth es que tiene lo que se denomina una respuesta máximamente plana dentro de su banda de paso.

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De hecho, el filtro Butterworth se considera a menudo como una buena forma de filtro que es adecuada para muchas aplicaciones, aunque no proporciona el corte más nítido.

Desarrollo de filtros Butterworth

En los primeros días de la tecnología inalámbrica, la tecnología de filtros no era tan avanzada como lo es hoy. En muchas áreas se llevó a cabo una investigación sobre los filtros y cómo podrían realizarse y predecir su rendimiento.

En un desarrollo, Stephen Butterworth, del Laboratorio de Investigación del Almirantazgo, llevó a cabo el desarrollo de un filtro que producía una respuesta plana dentro de la banda de paso. Butterworth publicó un artículo sobre su trabajo en el Reino Unido en octubre de 1930. El artículo se titulaba: "Sobre la teoría de los amplificadores de filtro" y en él desarrolló las ecuaciones básicas para un filtro plano máximo para su uso en amplificadores de válvulas de RF.

El artículo fue publicado en una revista titulada Experimental Wireless and Wireless Engineer. Este título fue publicado en el Reino Unido por Iliffe and Sons en la década de 1920 y principios de la de 1930, y luego cambió su título a: "Wireless Engineer and Experimental Wireless".

En el artículo Butterworth declaró:

Aparte de la compacidad del sistema, el amplificador de filtro tiene una ventaja sobre los sistemas ortodoxos en que el efecto de la resistencia está bajo control completo, de modo que podemos construir filtros en los que la sensibilidad sea uniforme en la región de paso.

En ese momento, gran parte de esta tecnología era relativamente nueva y, además, pasarían muchos años antes de que la tecnología informática estuviera disponible para analizar circuitos. Como resultado, los diseños de filtros tendían a exhibir grandes niveles de ondulación dentro de la banda y esto era un problema cuando las personas necesitaban respuestas más planas. Butterworth fue la primera persona que pudo lograr una respuesta dentro de la banda casi plana.

En su artículo, Butterworth produjo ecuaciones para filtros de dos y cuatro polos. Sin embargo, para minimizar la pérdida real del filtro, mostró cómo otras secciones se pueden intercalar con válvulas termoiónicas y amplificadores de tubo de vacío.

Respuesta de amplitud del filtro Butterworth

Como se mencionó anteriormente, la característica clave del filtro Butterworth es que tiene una respuesta máximamente plana dentro de la banda de paso, es decir, no tiene ondas de respuesta como en el caso de muchas otras formas de filtro de RF.

Existe una frecuencia conocida como frecuencia de corte. Esto se define como el punto en la respuesta del filtro Butterworth donde la potencia cae a la mitad, es decir, el voltaje cae al 71%, es decir, 1 / √2 de su amplitud máxima a frecuencias más bajas. También vale la pena señalar que la amplitud máxima, es decir, la pérdida mínima para la respuesta del filtro Butterworth se produce a 0 Hz o radianes / s.

Cuando se traza en escalas logarítmicas, la respuesta del filtro Butterworth es plana dentro de su banda de paso y luego se apaga con una tasa de caída lineal máxima de -6 dB por octava (-20 dB por década). Un filtro de segundo orden disminuye a -12 dB por octava, etc. La velocidad máxima de atenuación es en realidad la misma para todos los filtros de paso bajo y paso alto del mismo orden, independientemente del tipo de filtro.

En comparación con otras formas de filtro, como el Chebyshev o los formatos de filtro elíptico, el filtro Butterworth alcanza su tasa de caída máxima más lentamente. De hecho, el filtro Butterworth se derivó sobre la base de que el comportamiento por debajo de la frecuencia de corte era más importante que en cualquier otra frecuencia. Esto significa que es bueno para aplicaciones de audio. Sin embargo, significa que tiene una respuesta de amplitud tolerablemente buena y una buena respuesta de fase, aunque el rendimiento alrededor de la frecuencia de corte es pobre.

Respuesta de fase del filtro Butterworth

Una ventaja adicional del filtro Butterworth es que los filtros Butterworth tienen una respuesta de fase más lineal en la banda de paso que los tipos como los filtros Chebyshev o elípticos, es decir, el filtro Butterworth puede proporcionar un mejor rendimiento de retardo de grupo y también un nivel más bajo. de sobreimpulso.

Respuesta de impulso del filtro Butterworth

El filtro Butterworth también puede juzgarse en términos de su respuesta en el dominio del tiempo, incluida su respuesta a los impulsos. Tiene una respuesta que da un nivel cada vez mayor de sobreimpulso al aumentar el orden de los filtros. Para un filtro de cuarto orden, es decir, n = 4, el nivel de sobreimpulso supera el 11%.

Al analizar el formato de filtro óptimo, es mejor analizar las diferentes ventajas y desventajas de los diferentes tipos. El Butterworth proporciona una respuesta de banda plana y una respuesta de fase más lineal que muchos otros.

Ver el vídeo: Filtros. Conceptos básicos (Octubre 2020).