Brevet FR2527025A1 — publié le 19831118

La présente invention concerne les filtres et plus particulièrement une section de filtre passe-tout ayant d'excellentes performances en haute fréquence La section de filtre du mode de réalisation préféré est utilisable en par- ticulier dans des modems qui nécessitent des réponses de fil- tre passe-tout au voisinage de 100 k Hz. Les filtres actifs de l'art antérieur du type con- sidéré ont manifesté des effets de capacité parasite qui li- mitent la réponse eniaute fréquence Un autre problème qui a limité les performances de tels filtres réside dans l'écart par rapport à la théorie qui résulte de bobines (inductances) imparfaites, et dans l'introduction d'un pôle réel créé par des amplificateurs opérationnels utilisés dans de tels fil- tres Lorsque de tels filtres de l'art antérieur sont bran- chés en cascade, comme c'est nécessaire dans diverses appli- cations, les effets cumulatifs des limitations des circuits de l'art antérieur peuvent dégrader notablement les perfor- mancecs* L'invention a donc pour but de procurer un circuit de filtre perfectionné et, en particulier, de compenser de façon précise les imperfections des circuits de filtre de l'art antérieur utilisés dans des réseaux passe-tout L'in- vention a également pour but de minimiser l'effet de la capa- cité parasite sur un circuit de filtre passe-tout Un autre but de l'invention est de procurer un circuit de filtre pas- se-tout qui atteigne les buts précédents en utilisant des composants consistant en amplificateurs opérationnels clas- siques. Conformément à l'invention, on parvient à ces buts et avantages ainsi qu'à d'autres, grâce à une configuration de circuit de filtre qui permet de régler une résistance dans une voie de réaction d'un amplificateur opérationnel, afin d'éliminer les effets de l'imperfection de bobines, et qui, simultanément, réduit considérablement l'effet de la capacité parasite dans la bande de fréquence considérée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre du mode de réalisation préféré et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 représente une section de filtre passe- tout de l'art antérieur; la figare 2 représente les p Cles et les zéros de la fonction de transfert d'un filtre passe-tout idéal; la figure 3 montre les pôles et les zéros d'un cir- cuit de filtre passe-tout de l'art antérieur sujet à des ef- fets parasites; la figure 4 est Lnl schéma du filtre passe-tout du mode de réalisation préféré; et la figure 5 montre un exemple d'une combinaison de résistances destinée à modéliser l'une des résistances d'un circuit réel, conformément au mode de réalisation préféré. La figure 1 montre un circuit de filtre passe-tout d'un type caractéristique de l'art antérieur Comme il est connu dans la technique, une section de filtre passe-tout a pour but de produire une réponse déterminée pour la phase en fonction de la fréquence, avec une caractéristique d'amplitu- de plate Pour une section passe-tout du second ordre, on ob- tient ceci lorsque les poles et les zéros de la fonction de transfert sont mutuellement symétriques, comme le montre la figure 2. En pratique, des imperfections présentes dans les éléments avec lesquels le circuit est réalisé physiquement (comme des inductances avec des pertes, des amplificateurs avec un gain décroissant lorsque la fréquence augmente, des capacités parasites, etc) introduisent des singularités pa- rasites et déplacent la position des poles du cas idéal par rapport aux zéros correspondants La figure 3 montre le cas dans lequel les poles et les zéros ne sont plus dans leurs positions symétriques, et dans lequel, en outre, un pôle sup- plémentaire est apparu sur l'axe réel Le diagramme réel des pôles et des zéros dépend évidemment des éléments de circuit réels et de leur configuration, mais ce cas est destiné à illustrer les problèmes sur lesquels porte l'invention. Une analyse du circuit de l'art antérieur de la fi- gure 1 montre ce qui suit: a) la condition passe-tout |i B(jw)| 1 quel que soit X n'est plus vérifiée Le pôle situé sur l'axe réel im- pose à la réponse amplitude/fréquence de diminuer vers zéro lorsque la fréquence augmente. b) Le défaut d'alignement entre les p O les et les zéros donne également des valeurs différentes pour les fac- teurs quadratiques dans le numérateur et le dénominateur de |H(j c)|, pour toute valeur de W, ce qui dégrade encore da- vantage la réponse en amplitude. c) Les réponses de phase et de retard du circuit de l'art antérieur s'écartent du cas idéal et, à moins que la valeur et l'effet des éléments parasites soient connus et compensés avec précision, une composante d'erreur apparat dans les réponses de phase et de retard désirées Une telle connaissance et une telle compensation précises sont impos- sibles en pratique. Bien qu'il soit évidemment impossible en pratique d'éliminer des imperfections des éléments de circuit comme les pertes d'énergie dans des inductances et la capacité pa- rasite, on a découvert une configuration de circuit qui com- bine les éléments de manière à réduire les effets nuisibles à des niveaux suffisamment bas pour être acceptables. La figure 4 montre le mode de réalisation préféré de l'invention Il comprend un amplificateur ooérationnel 11, des résistances R 1, R 2 et RY, une inductance L et un conden- sateur C La résistance R 2 est connectée dans une voie de réaction de l'amplificateur 11, entre la sortie 13 et l'en- trée inverseuse 15 Les résistances R 1 et R 3 sont connectées en commun à une borne 19 et leurs bornes opposées sont res- pectivement connectées à l'entrée inverseuse 15 et à l'en- trée non inverseuse 17 de l'amplificateur 11 L'inductance L et le condensateur C sont connectés en série entre l'entrée non inverseuse 17 et la masse. le circuit de filtre est attaqué par une source V g ayant une impédance série Zg, qui est connectée à la borne commune 19 des résistances Avec le circuit du mode de réa- lisation préféré, on peut compenser l'effet du Q imparfait de l'inductance L par le réglage de la résistance R 2 On peut montrer ceci mathématiquement par l'expression de la transmit- tance: 2 Qo) 52 S CQ)( + uo T(s) 2 wo %O 2 ()( 1 +) + o TM avec %= = '%=Q ' Q 1 = Q de l'inductance L R 2 et K= R R 2 En fixant K = égal 1 + 2 Y, lesvaleursabsoluesdu terme linéaire au numérateur et au dénominateur de T(s) deviennent égales, ce qui donne une caractéristique passe-tout, qu'on peut rendre plus parfaite en faisant varier la résistance R 2. En outre, le niveau d'impédance sur l'entrée non inverseuse 17 est très faible, du fait que R 3 est de l'ordre de quelques centaines d'ohms Des valeurs de 10 à 30 p F re- présentent des estimations raisonnablement bonnes de la valeur de la capacité parasite C 1 Pour des fréquences dans la bande -100 k Hz à laquelle on s'int 6 resse, L et C ont des valeurs de l'ordre de 2 m H et de 1000 p F On peut voir que l'effet de a 1 est minimal dans la bande intéressante. On doit noter une considération supplémentaire le circuit est attaqué de façon caractéristique par un autre am- plificateur opérationnel représenté par Vg, Zg L'impédance Z doit 4 tre aussi faible que possible pour obtenir le meil- leur fonctionnementg Avec des amplificateurs disponibles de leur fonctionnement Avec des amplificateurs disponibles de type courant, on peut obtenir Zg c 5 Qa Dans une section passe-tout à 100 k Hz caractéristi- que, conforme au mode de réalisation préféré, on peut employer des amplificateurs opérationnels LM 318 pour Vg et pour l'am- plificateur opérationnel 11 La résistance R 1 est une résis- tance de 1000 ohms et la résistance R 2 est modélisée par une résistance variable de 500 ohms en parallèle sur 124 ohms, la combinaison parallèle étant en série avec 953 ohms Le modèle pour R 2 est représenté sur la figure 5. A titre d'exemple, R 3 peut avoir des valeurs de 113 ohms et de 41 ohms pour des valeurs respectives de QO égales à 14 et à 40, avec a = 0,001 SOF. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent 9 tre apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIOINS 1 Circuit de filtre passe-tout caractérisé en ce qu'il comprend: un amplificateur opérationnel ( 11); une impédance fonction de la fréquence (R 3, L, C) qui présente un facteur Q fini et qui est connectée à l'entrée non inver- seuse ( 17) de l'amplificateur ( 11); une résistance (R 1) connectée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur; et des moyens (R 2) branchés dans la voie de réaction de l'amplifi- cateur opérationnel ( 11) pour annuler pratiquement l'imper- fection de la réponse en fréquence qui résulte du facteur Q de l'impédance fonction de la fréquence. 2 Circuit de filtre passe-tout selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que l'impédance fonction de la fréquence (R 3, L, C) comprend des moyens (C) destinés à mi- nimiser les effets de capacité parasite. 3 o Circuit de filtre passe-tout selon l'une quel- conque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'impédance fonction de la fréquence comprend: une seconde résistance (R 3) connectée à l'entrée non inverseuse ( 17) de l'amplificateur opérationnel et à l'entrée du circuit de filtre passe-tout; et une combinaison série d'une inductan- ce (L) et d'une capacité (C) connectée entre l'entrée non inverseuse ( 17) et la masse. 4 Circuit de filtre passe-tout selon la revendi- cation 3, caractérisé en ce que la seconde résistance (R 3) est dans la plage de 20 à 3000 ohms et la capacité (C) est de l'ordre de 0,001 y Fo