Mejore el rendimiento de las pruebas con fuentes de señal de bajo costo usando filtros en línea

¿Necesita una onda sinusoidal pura para una prueba, pero solo cuenta con un generador de funciones arbitrarias con un alto nivel de armónicos? Es posible que esté mezclando las salidas de dos generadores de señal y deba seleccionar el componente de banda lateral superior en la salida del mezclador. ¿Cómo puede hacer esto? La solución es usar filtros de RF en línea, como el CLPFL-0200 de Crystek Corporation (figura 1, izquierda) con un conector SMA y el CLPFL-0021-BNC (figura 1, derecha) con un conector BNC.

Figura 1: Los filtros coaxiales en línea, como el CLPFL-0200 con un conector SMA (izquierda) o el CLPFL-0021 con un conector BNC (derecha) pueden reducir los armónicos de la señal y el ruido en las fuentes de señal. (Fuente de la imagen: Crystek Corporation).

Los filtros de RF limpian las señales al atenuar de forma selectiva las frecuencias no deseadas mientras pasan los componentes de frecuencia deseados. Los filtros en línea, diseñados para usarlos con líneas coaxiales, tienen una impedancia nominal de 50 ohmios (Ω). Estos filtros reducen el ruido cuando reducen el ancho de banda de la señal. Además, controlan el espectro de la señal para reducir los armónicos, las imágenes y las señales interferentes.

Tipos de filtros

Existen varios tipos de configuraciones de filtros en línea, incluidos los de paso bajo, de paso alto y de banda pasante (figura 2).

Figura 2: Se muestran las respuestas de frecuencia de los filtros de paso bajo, de paso alto y de banda pasante. (Fuente de la imagen: Art Pini).

Los filtros de paso bajo pasan frecuencias por debajo de un punto de corte fijo y pueden eliminar los armónicos de una señal con el corte establecido justo por encima de la frecuencia fundamental. Los filtros de paso alto pasan frecuencias por encima de un corte fijo y pueden eliminar una señal de interferencia con el punto de corte establecido por encima de la frecuencia de la línea de potencia.  Los filtros de banda pasante atenúan las señales no deseadas al pasar frecuencias dentro de una banda deseada y se pueden utilizar como preselectores para un front-end de RF. La región donde la señal se transmite con poca pérdida se llama "banda pasante" y la región donde la señal está muy atenuada es la banda de parada. Las regiones entre la banda pasante y la banda de parada son las regiones de transición.

Selección del filtro adecuado

Los filtros están diseñados para características específicas de la respuesta en frecuencia. Estas incluyen la nitidez de la transición de la banda pasante a la banda de parada, la planitud de la banda pasante y la banda de parada, y la respuesta de fase en función de la frecuencia. Existen varios diseños clásicos que se muestran en la Figura 3.

Figura 3: La respuesta de frecuencia de varios tipos de filtros clásicos muestra las diferencias en las características de caída y planitud. (Fuente de la imagen: Art Pini).

El filtro Butterworth tiene una respuesta de banda pasante plana y una tasa de caída moderada. El filtro Bessel tiene la respuesta de fase más lineal, pero tiene la caída más lenta. Normalmente, se usaría cuando se deba transmitir una forma de onda de pulso de banda limitada con una distorsión mínima. El filtro Chebyshev tiene una caída rápida, pero tiene ondulación en la banda pasante. El filtro Chebyshev inverso tiene una respuesta de banda pasante plana y una caída rápida, pero exhibe ondulación en la banda de parada. El Butterworth y el Chebyshev son dos de los filtros en línea más usados.

Las características de caída de cualquier tipo de filtro se ven afectadas por el orden que tengan. El orden se deriva de la función de transferencia del filtro e indica el número de polos en el diseño. En general, cuanto mayor sea el orden del filtro, más rápida será la caída (figura 4).

Figura 4: Se muestra una comparación de la respuesta de un filtro de paso bajo de Butterworth para un filtro con órdenes de 5 a 9. Cuanto mayor sea el orden de los filtros, más rápida será la caída en la región de transición. (Fuente de la imagen: Art Pini).

El CLPFL-0200 de Crystek es un filtro de paso bajo Butterworth de 7.^o orden con una banda de paso de CC a 200 megahercios (MHz) y una pérdida de inserción de 2.2 decibeles (dB) a una frecuencia de 210 MHz. Este filtro se podría usar para limpiar la salida de un generador de señal al realizar una medición de número efectivo de bits (ENOB) en un convertidor de analógico a digital (ADC) de 8 bits (figura 5).

Figura 5: Se muestra el resultado de un filtro de paso bajo de 200 MHz que se usa para eliminar los armónicos y el ruido de un generador de señales. La señal filtrada (trazo inferior) redujo significativamente los niveles de ruido y armónicos. (Fuente de la imagen: Art Pini).

El trazo superior muestra el espectro de salida del generador de señales con un segundo armónico de solo 22 dB por debajo del fundamental. Con el filtro (trazo inferior), el segundo armónico baja más de 70 dB, y otros armónicos están por debajo del umbral mínimo de ruido. Además, tenga en cuenta que el umbral mínimo de ruido por encima de la frecuencia de corte del filtro se reduce en más de 40 dB.

Los filtros de paso alto eliminan las señales interferentes con una frecuencia más baja que la señal deseada (figura 6).

Figura 6: Se muestra un filtro de paso alto que se utiliza para eliminar una señal interferente de 13 MHz de la señal deseada de 30 MHz (trazo superior). La señal filtrada aparece en el trazo inferior. (Fuente de la imagen: Art Pini).

En la figura 6, un filtro de paso alto atenúa una señal interferente de 13 MHz y pasa la señal de 30 MHz de interés. El efecto de la señal interferente se puede ver en la vista de dominio del tiempo (parte superior izquierda) como una variación de amplitud de los picos de la señal. La señal filtrada (parte inferior izquierda) tiene amplitudes de pico planas.

Un filtro como el CHPFL-0025-BNC de Crystek, un filtro de paso alto Chebyshev de 7.^o orden y 25 MHz con conectores BNC, podría atenuar la señal interferente.

Los filtros Crystek se ofrecen en configuraciones de hasta 9.^o orden. Por ejemplo, el CLPFL-0021-BNC, mencionado antes, es un filtro de paso bajo de respuesta Chebyshev de 21 MHz, de 9.^o orden. Ofrece una región de transición que se desplaza a unos 55 dB por octava.

Los filtros de banda pasante suelen necesitar más componentes que los filtros de paso bajo o alto, que ocupan espacio y se suman a la lista de materiales. Crystek aborda esto al usar la tecnología de onda acústica de superficie (SAW) para permitir que sus filtros de banda pasante quepan en el mismo paquete que los filtros de paso bajo o paso alto. Un ejemplo de filtro de banda pasante SAW es el Crystek CBPFS-0915 con conectores SMA y un ancho de banda de 26 MHz centrado en 915 MHz.

Conclusión

Los filtros de RF en línea mejoran el rendimiento de las pruebas al eliminar los armónicos, el ruido y las interferencias de las fuentes de señal. Las empresas, como Crystek, ofrecen una amplia gama de filtros en línea para satisfacer sus necesidades de acondicionamiento de señal.