Brevet FR2733647A1 — publié le 19961031

FILTRE ACTIF DIFFERENTIEL DU SECOND ORDRE La présente invention concerne un filtre actif destiné à traiter des signaux différentiels. Dans des applications o l'on souhaite que des signaux soient peu sensibles au bruit, ces signaux sont transmis sur deux voies de manière différentielle. L'immunité au bruit des signaux est alors augmentée pour plusieurs raisons, notamment grâce au fait que les signaux ne sont plus référencés par rapport à un potentiel d'alimentation (souvent la masse), qui est susceptible d'être particulièrement bruité. Pour réaliser un filtrage d'un signal différentiel, notamment du deuxième ordre ou d'ordre plus élevé, une solution classique consiste à filtrer chacune des deux composantes du signal différentiel par un filtre non différentiel. Ce filtrage a 1 'inconvénient de nécessiter deux ampli- ficateurs et de ne pas être immunisé contre le bruit de masse puisqu'au moins une impédance de chaque filtre non différentiel est connectée à la masse. En outre, il est difficile de res- pecter une relation de phase précise entre les deux composantes filtrées. Les filtres différentiels sont souvent utilisés dans des interfaces entre signal différentiel et signal non-différen- tiel. Ces interfaces sont complexes, notamment dans le cas du passage d'un signal non-différentiel à un signal différentiel, car il faut garantir une relation de phase précise entre les deux composantes différentielles et une variation symétrique des composantes alternatives par rapport à un mode commun prédéter- miné. Un objet de la présente invention est de prévoir un filtre différentiel du second ordre, au moins, utilisant un seul amplificateur et garantissant une immunité au bruit de masse ou de l'alimentation en général. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel filtre qui permette de réaliser une interface simple entre un signal non-différentiel et un signal différentiel. Pour atteindre ces objets, l'invention prévoit de dis- poser un réseau de filtrage sur l'une des deux voies différen- tielles d'un amplificateur différentiel équilibré et de répéter ce réseau symétriquement sur l'autre voie différentielle. Une connexion particulière de certaines impédances des réseaux permet d'éviter toute connexion du filtre à un potentiel d'ali- mentation, tout en réalisant une fonction de transfert souhai- tée. L'invention vise plus particulièrement un filtre à amplificateur différentiel avec deux voies en opposition de phase. Chacune des voies comporte un même réseau de composants passifs comprenant deux impédances en série entre une borne d'entrée du filtre et une entrée correspondante de l'amplifica- teur différentiel, une impédance de réaction connectée entre le point commun de ces deux impédances en série et la sortie de la même voie de l'amplificateur différentiel, et une impédance de contre-réaction connectée entre une entrée de l'amplificateur différentiel et la sortie de l'autre voie de l'amplificateur différentiel. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 1 'impédance de contre-réaction comprend une résistance et un condensateur connectés en parallèle. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les impédances en série sont deux résistances et l'impédance de réaction est un condensateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les impédances en série sont deux condensateurs et l'impédance de réaction est une résistance. Selon un mode de réalisation de la présente invention, parmi les deux impédances en série, celle connectée à une borne d'entrée du filtre est une résistance et celle connectée à une entrée correspondante de l'amplificateur différentiel est un condensateur, 1 'impédance de réaction étant une résistance. Un filtre selon l'invention peut être utilisé pour convertir un signal simple en un signal différentiel. Alors, une borne d'entrée du filtre est connectée à une tension continue, l'autre borne d'entrée du filtre recevant le signal simple. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite à titre non-limitatif à l'aide des figures jointes parmi lesquelles: La figure 1 représente un mode de réalisation de fil- tre passe-bas selon 1 'invention; la figure 2 représente un mode de réalisation de fil- tre passe-haut selon l'invention; et la figure 3 représente un mode de réalisation de fil- tre passe-bande selon l'invention. Dans les figures, un filtre différentiel selon l'in- vention comprend un amplificateur différentiel équilibré 10 ayant deux entrées différentielles, I et I*, et deux sorties différentielles correspondantes, 0 et 0*. Un premier réseau comprend des impédances de réaction et de contre-réaction connectées à l'une des entrées différentielles et aux deux sorties différentielles de l'amplificateur. Un autre réseau identique est connecté symétriquement à l'autre entrée différen- tielle et aux deux sorties différentielles. L'ensemble du filtre comnporte deux bornes d'entrée différentielles, A et A*, pour appliquer les composantes respec- tives d'un signal d'entrée différentiel. Deux bornes de sortie différentielles, B et B*, codincidant respectivement avec les bornes de sortie, O et 0*, de l'amplificateur différentiel, fournissent les composantes respectives du signal de sortie dif- férentiel. Ainsi, la liaison A-B forme une première voie de fil- trage, et la liaison A*-B* forme une seconde voie de filtrage. Dans la figure 1, représentant un filtre passe-bas selon l'invention, deux résistances identiques Rl sont connec- tées en série entre la borne A et la première entrée différen- tielle I de l'amplificateur différentiel 10. Un condensateur de réaction Cl est connecté entre la première sortie différentielle O et le point commun entre les deux résistances R1. Un circuit de contre-réaction est connecté entre l'entrée différentielle I de l'amplificateur différentiel et la seconde sortie différen- tielle 0*. Ce circuit de contre-réaction comprend une résistance R2 et un condensateur C2 connectés en parallèle. L'ensemble du circuit formé des deux résistances Rl, du condensateur de réac- tion Cl, de la résistance R2 et du condensateur C2 de contre- réaction constitue le réseau de filtrage de la première voie. Le réseau de filtrage de la seconde voie est constitué de façon similaire. Deux résistances R1 sont connectées en série entre la borne A* et l'entrée I* de l'amplificateur. Un conden- sateur C1 est connecté entre la seconde sortie 0* et le point commun de ces deux résistances Rl. Une résistance R2 et un condensateur C2 sont connectés en parallèle entre l'entrée I* et la première sortie différentielle 0. Si on souhaite un gain égal à 1, on choisit les résis- tances R1 et R2, par exemple, telles que R2=2R1=2R. La fonction de transfert obtenue pour ce filtre est alors: FL(P) = 1 + (2R.C2 - R.Cl)p + R2.Cl.C2.p2 (1) o p est l'opérateur de Laplace. On en déduit la fréquence de coupure (fréquence à laquelle le filtre a une atténuation de 3 dB): f 1(2) 2TRi Cl.C2 et on obtient le facteur de qualité du filtre: !Cl. C2(3 QL = C.C (3) (2C2 - C1) Comme l'indiquent les relations précédentes, le filtre différentiel du second ordre selon 1' invention permet un réglage simple et indépendant de la fréquence de coupure et du facteur de qualité. Le facteur de qualité, selon la relation (3), est réglé en changeant la valeur d'un condensateur Cl ou C2 tandis que la fréquence de coupure est réglée en changeant la valeur R (relation (2)). La figure 2 représente un mode de réalisation de filtre différentiel passe-haut selon 1' invention. Les résis- tances R1 de la figure 1 ont été remplacées par des conden- sateurs C3, et le condensateur Cl de la figure 1 par une résis- tance R3. Si on souhaite un gain égal à 1, on choisit les condensateurs C2 et C3, par exemple, tels que C3=2C2=2C. La fonction de transfert obtenue pour ce filtre passe-haut est alors: FH(p) =4.R3.R2.C2.p2 1 + (4.R3.C - R2.C)p + 4.R3.R2.C2.p2 L'homme du métier pourra déduire de cette relation la fréquence de coupure et le facteur de qualité, et remarquer qu'ils peuvent être réglés indépendamment l'un de l'autre. La figure 3 représente un mode de réalisation de filtre différentiel passe-bande selon l'invention. Par rapport à la figure 1, les condensateurs Cl ont été remplacés par des résistances R4, et les résistances R1 reliées aux entrées I et I* ont été remplacées par des condensateurs C4. La fonction de transfert de ce filtre passe-bande est ainsi: R2.R4.C4.p FB(p) = Rl.R2.R4.C4.C2.p2+(Rl.R4.C4+Rl.R2.C2+R2.R4. C2)p+Rl+R4 L'homme du métier pourra déduire de cette relation la fréquence de coupure et le facteur de qualité, et remarquer qu'ils peuvent être réglés indépendamment l'un de l'autre. Une propriété d'un amplificateur différentiel équili- bré classique est de fournir un couple de signaux ayant des composantes alternatives strictement en opposition de phase, et ayant des composantes continues identiques, égales à une tension appelée tension de mode commun Vc que l'on peut généralement choisir. Cette tension Vc est alors appliquée, commne cela est représenté dans les figures, à une entrée de mode commun (MC) de l'amplificateur différentiel 10. Les filtres décrits peuvent en outre être avantageu- sement utilisés directement pour convertir un signal simple (nondifférentiel) en signal différentiel. Dans ce cas, le signal simple est appliqué par exemple à l'entrée A, et 1 'entrée A* est connectée à la tension de mode commun Vc. Ainsi, le signal simple est converti en un signal différentiel idéal ayant un mode commun correspondant à la tension Vc. Inversement, les filtres peuvent être utilisés pour convertir un signal différentiel en un signal simple, en utili- sant une seule des sorties B, B*, le signal simple étant réfé- rencé, par exemple, par rapport à la tension de mode commun Vc. REVENDICATIONS 1. Filtre à amplificateur différentiel (10) avec deux voies en opposition de phase, caractérisé en ce que chacune des voies comnporte un même réseau de composants passifs comprenant: - deux impédances en série (R1) entre une borne d'entrée (A) du filtre et une entrée correspondante (I) de l'amplificateur différentiel, - une impédance de réaction (R2, C2) connectée entre le point commun de ces deux impédances en série (R1) et la sortie (O) de la même voie de l'amplificateur différentiel, et - une impédance de contre- réaction connectée entre une entrée (I) de l'amplificateur différentiel et la sortie (0*) de l'autre voie de l'amplificateur différentiel. 2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que 1 'impédance de contre-réaction comprend une résistance (R2) et un condensateur (C2) connectés en parallèle. 3. Filtre passe-bas selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites impédances en série sont deux résistances (Rl), et en ce que l'impédance de réaction est un condensateur (Cl). 4. Filtre passe-haut selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites impédances en série sont deux condensateurs (C3), et en ce que 1' impédance de réaction est une résistance (R3). 5. Filtre passe-bande selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, parmi les deux impédances en série, celle connectée à une borne d'entrée du filtre est une résistance (R1) et celle connectée à une entrée correspondante de l'ampli- ficateur différentiel est un condensateur (C4), l'impédance de réaction étant une résistance (R4). 6. Utilisation du filtre selon la revendication 1 pour convertir un signal simple en un signal différentiel, caractéri- sée par la connexion d'une borne d'entrée du filtre à une ten- sion continue (Vc), l'autre borne d'entrée du filtre recevant le signal simple.