Para el diseño del filtro, se puede elegir el valor de la resistencia y el condensador según se desee. Pero, ¿hay alguna desventaja en utilizar una resistencia de alto valor con un condensador de bajo valor o viceversa?
Respuestas
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¿hay alguna desventaja en utilizar una resistencia de alto valor con un condensador de bajo valor o viceversa?
Sí.
La alta impedancia me trae a la mente:
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Las resistencias de alto valor crean nodos de alta impedancia. Eso no sería un gran problema en sí mismo: después de todo, los circuitos de tubos de vacío están repletos de nodos con resistencias de carga en el rango de 100kΩ-2MΩ. Pero entonces: ¿hasta qué punto estás familiarizado con todos los problemas de diseño y montaje con los que los circuitos de tubos de vacío se han enfrentado de forma rutinaria ya hace más de 50 años?
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Los nodos de alta impedancia son susceptibles de acoplarse por fugas y capacitancia parásita a otros nodos a los que, de otro modo, no se acoplarían. Uno de estos nodos es el cableado de red de baja frecuencia y los campos que emanan de los transformadores de red.
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Los nodos de alta impedancia son susceptibles a las capacitancias parásitas de las propias resistencias que los crean. Esas resistencias dejan de ser piezas ideales en tales circunstancias. Sin embargo, en el caso de las piezas de montaje superficial, esto sólo importa para frecuencias muy superiores a 1MHz. Las frecuencias preocupantes aumentan a medida que se reducen, por ejemplo, las resistencias 0402 son bastante cercanas a las ideales desde el punto de vista parasitario hasta aproximadamente 1GHz. A la inversa, los valores pequeños de los condensadores 0402 (hasta un par de cientos de pF) son bastante ideales también en ese rango de frecuencias.
Condensadores de alto valor:
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Los condensadores de alto valor suelen costar más en comparación con los de menor valor del mismo tipo. El coste suele ser muy poco lineal y depende del rendimiento de la producción, la demanda del mercado, etc.
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Los condensadores de alto valor tienen requisitos de accionamiento elevados. Están bien siempre que se conecten sólo a nodos de alta impedancia, pero hay que tenerlo en cuenta.
Como regla general, la mayoría de los op-amps están bien manejando reactancias de carga equivalentes por encima de 1kΩ. Esta sería la reactancia capacitiva/inductiva en paralelo a la resistencia pura. La resistencia/reactancia de carga utilizada para especificar la distorsión y el tiempo de estabilización en las hojas de datos de los amplificadores operacionales suele estar en el rango de 600Ω-2kΩ. Por lo tanto, cuando se va por debajo de ese límite de especificación, puede referirse a los gráficos de distorsión y rango de tensión de salida frente a la resistencia de carga si se dan en la hoja de datos. Fuera de eso tienes que calificar la parte para su aplicación.
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Las cargas capacitivas de alto valor roban a los op-amps el margen de fase. En aplicaciones donde se requiere una alta precisión de CC o una alta precisión de ganancia de CA, es posible que no pueda permitirse aislar las resistencias en serie, y puede tener anillos en las etapas de baja ganancia cuando la capacitancia de carga equivalente supera los 100pF.
Ahora, esto puede no ser una preocupación en aplicaciones de bajo ancho de banda. Pero incluso en éstas, puede necesitar un amplificador de alto GBW para mantener la distorsión al mínimo si la distorsión es una preocupación. Los amplificadores ópticos de audio de mayor rendimiento tienen un GBW muy superior a los 100MHz: unos 3 órdenes de magnitud mayores que el ancho de banda de la señal de audio. Estas piezas no pueden manejar mucha carga capacitiva a menos que estén diseñadas para aplicaciones de conducción de línea.
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Los condensadores de alto valor suelen ser más grandes y, por lo tanto, tienen una mayor inductancia parásita en serie en comparación con los de menor valor. Su mayor tamaño los acopla más a los nodos adyacentes del circuito. Esto es menos preocupante en las piezas de montaje superficial.
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Los condensadores de alto valor de rendimiento equivalente a los de menor valor suelen ser mucho más caros. Por eso, es posible que acabe siendo forzado utilizar resistencias de alto valor para mantener los condensadores pequeños de todos modos . Por ejemplo: en los circuitos de filtro que funcionan desde 0Hz hasta la banda de audio, si se utilizan condensadores cerámicos de montaje superficial, los únicos aceptables son los del tipo C0G/NP0, a menos que se acepten los microfónicos (sus usuarios podrían no estar de acuerdo). Por lo tanto, en general no se puede utilizar X5R/X7R ni otras cerámicas de alto K como Z5. Para mantener los costes bajos con C0G/NP0 se limita a valores muy por debajo de 1μF.
Aparte: el audio no necesita ser literal, sólo un rango de frecuencias. La mayoría de los circuitos de instrumentación de "CC", como los acondicionadores de señal para mediciones de tensión, presión y ópticas, son bastante sensibles a los microfónicos de "audio", y los condensadores X5R/X7R/Z en las rutas de la señal en esas aplicaciones son una mala noticia si se quiere una alta precisión. También son una mala noticia para el desacoplamiento de la tensión de referencia de los convertidores A/D y D/A, a menos que se trate de una transmisión digital de RF o de banda ancha, donde el audio está fuera de banda. En ese caso, es posible que tenga que utilizar tantalios en paralelo con los tipos C0G.
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Los condensadores de alto valor pueden forzar un tipo de dieléctrico que es inherentemente más ruidoso, o con una absorción dieléctrica progresivamente mayor. El vacío y el aire seco, así como mezclas similares de gases de un solo elemento, se acercan al ideal en términos de rendimiento, pero su eficiencia volumétrica deja que desear. Un par de cientos de pF es todo lo que puedes comprar fácilmente, aunque puedes hacer piezas mucho mejores tú mismo si tienes tiempo y capacidad. Luego viene el teflón, luego varias películas de plástico, luego la cerámica de bajo K, luego la cerámica de alto K se mezcla con el tantalio y los electrolíticos. Si se seleccionan cuidadosamente los condensadores electrolíticos, se pueden conseguir piezas de muy bajo ruido, pero la variación entre los distintos tipos puede ser dramática: varios órdenes de magnitud de diferencia en la amplitud del ruido a bajas frecuencias (de 1μHz a 1Hz, más o menos - importante si se buscan referencias de tensión continua estables a largo plazo, por ejemplo).
El ruido es, obviamente, una preocupación en los circuitos de filtrado en todas las frecuencias. La constante de tiempo relativamente larga de la absorción dieléctrica es preocupante sobre todo en CC y en aplicaciones de audio y otras similares de baja frecuencia. Es irrelevante para el uso de RF.
Ya he mencionado también los microfónicos: no son del todo ruido (que es aleatorio/autocorrelacionado y suele ser de banda ancha, a menos que el diseño le dé otra forma), sino ciertamente una señal de interferencia, que suele ser de banda bastante estrecha.
Dicho todo esto, recuerde también que los instrumentos de laboratorio y los equipos de audio de alto rendimiento no son el mercado de todos. Es posible que su aplicación no se preocupe mucho por la baja distorsión, los bajos microfónicos, etc. Muchos productos de consumo bastante aceptables tienen un rendimiento mediocre o simplemente medio en términos de fidelidad de la cadena de señal, y los usuarios no están descontentos con ello. La ingeniería inversa de equipos de audio de coche desechados es una buena manera de aprender sobre cadenas de señal de audio de bajo coste y bajo microfonismo.
Personalmente, mi punto de vista está ligeramente sesgado, ya que he estado haciendo instrumentación/audio/equipo de laboratorio desde que era un niño. Mi primer diseño para un usuario externo fue un simple mezclador de audio portátil, donde aprendí sobre el ruido de los op-amps MOS y las resistencias de alto valor. Todavía lo recuerdo: estaba basado en CA3240, ya que era lo que tenía disponible. Esas piezas son cualquier cosa menos silenciosas para trabajos de audio de baja impedancia.
user44635
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4308
De lo que se trata es de elegir la impedancia del filtro.
Si estuvieras operando el filtro entre una impedancia de fuente cero y una impedancia de carga infinita, entonces serías completamente libre de implementar tu constante de tiempo RC con cualquier valor de resistencia, y el condensador correspondiente, que quisieras.
Sin embargo, normalmente no es así, y tenemos que operar entre impedancias finitas. En ese caso, elegiríamos una resistencia que estuviera muy por encima de la impedancia de la fuente y por debajo de la impedancia de la carga.
Toor
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777
Los condensadores de señal precisos, estables y de alta calidad pueden ser caros, difíciles de encontrar o directamente no estar disponibles. A menudo, 100nF es el límite superior y eso ya es mucho.
Las resistencias de valor muy alto hacen que la impedancia de salida del filtro de paso bajo sea realmente alta.
tobymeg1
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6
La tendencia general es:
Mayor resistencia, menor tapa: menor carga en la fuente, mayor ruido de salida, potencialmente menor voltaje de salida si la impedancia de la carga es baja.
Resistencia pequeña, tapón grande: menos ruido y mejor impedancia de salida, pero más carga en la fuente y más costoso/grande
Syed
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146
Se seleccionan los componentes del filtro no "according to ... wish" pero para cumplir con las especificaciones de la función de transferencia.
A bordo
Resistencias
Para circuitos basados en opamps: cualquier cosa en el rango de 1k \$\Omega\$ a 10k \$\Omega\$ gama para resistencias se considera buena. Un amplio Correo electrónico: está disponible para su consulta. En el caso de las resistencias más grandes, las corrientes de compensación se vuelven progresivamente relevantes.
Puedes buscar "resistencias de precisión" que son más caras con especificaciones exigentes. Para aplicaciones de PCB, las resistencias de montaje superficial son de tamaño reducido. (busque 0802/0603 y más pequeñas, etc.)
Condensadores
Condensadores electrolíticos consumen espacio en la placa; además, se utilizan condensadores más grandes para rangos de frecuencia más bajos, por lo que tiene sentido conseguir \$R C\$ especificaciones utilizando resistencias siempre que sea posible. La vida útil de un producto viene determinada por el condensador con más fugas.
Para los condensadores de precisión, lea en condensadores de película que se encarecen progresivamente con las especificaciones de tolerancia.
En chip
La implementación de una resistencia en un chip requiere un costoso espacio en la matriz de silicio. Por lo tanto, dependiendo del uso, se utiliza un transistor MOS con una relación W/L adecuada con una polarización apropiada. Esta sencilla disposición se ve afectada por la variabilidad del proceso (es decir, el valor absoluto de un componente puede variar en un rango bastante amplio). El mismo argumento de variabilidad se aplica también a un condensador en el chip.
La buena noticia es que la relación de las resistencias (o los condensadores) puede hacerse muy precisa en un chip.
Por esta razón (y para rangos de frecuencia más bajos), el filtro de condensador conmutado se utiliza el concepto. Un producto icónico es el MF-10 chip.
La idea principal del concepto SC es que una resistencia se simula moviendo cargas dentro y fuera del condensador mediante relojes no superpuestos (cuya frecuencia se controla mediante un PLL que utiliza un cristal externo y, por tanto, es muy precisa). Si se combina con una relación precisa entre los condensadores del chip, la idea resulta viable.
Para las aplicaciones de alta frecuencia, el filtrado se realiza mediante componentes discretos bien caracterizados o, más ventajosamente, mediante un PLL. Este es el caso de los circuitos transceptores inalámbricos. Se puede encontrar una buena serie de artículos aquí .
Otra opción para aplicaciones de RF es el SAW/BAW filtros.
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