Brevet FR2778512A1 — publié le 19991112

FILTRE PASSE-BANDE A TRANSCONDUCTEURS DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne un filtre passe- bande à transconducteurs. Etat de la technique antérieure Les systèmes de démodulation de la sous- porteuse chrominance d'un signal vidéo nécessitent l'utilisation de filtres passe-bande de coefficients de qualité, définissant la sélectivité de ces filtres, relativement élevés, par exemple dans la gamme 3 à 30, et acceptant une dynamique de signal la plus importante possible. Dans les circuits démodulateurs de l'art connu, ces filtres peuvent être réalisés à l'aide de condensateurs intégrés et de transconducteurs, un transconducteur étant défini par sa transconductance gmtelle que son courant de sortie is =gm, x ve, ve étant la tension entre les deux bornes d'entrée. Ces transconducteurs doivent pouvoir être réglés afin d'ajuster la fréquence centrale du filtre. Le contrôle de la transconductance est assuré par une boucle d'asservissement utilisant une structure de filtre analogue au filtre à ajuster et une référence de fréquence précise. Une réalisation classique d'un filtre passe- bande, illustrée sur la figure 1, est décrite dans le document référencé [1] en fin de description, notamment aux deux dernières lignes de la page 25 et aux quinze premières lignes de la page 27 au vu de la figure 7(a). Ce document donne, en effet, différentes structures de circuits (amplificateurs commandés en tension, filtres.....), à base de transconducteurs, intéres- santes pour une intégration. Un tel filtre comprend un premier et un second transconducteurs 10 et 11 respectivement de transconductances gml et gm2' La première entrée (+) du premier transconducteur 10 est reliée à la masse. La seconde entrée (entrée - ou inverseuse) de ce premier transconducteur 10 est reliée à la seconde entrée (entrée - ou inverseuse) du second transconducteur 11 et à la sortie S du filtre. La sortie du premier transconducteur 10 est reliée à la première entrée (+) du second transconducteur 11, et à l'entrée E du filtre au travers d'un premier condensateur Cl. La sortie du second transconducteur 11 est reliée d'une part à la masse au travers d'un second condensateur C2, et d'autre part à un amplificateur suiveur 12, dont la sortie est reliée à la sortie S du filtre. Ce filtre peut être réalisé, pour des applications monolithiques, en technologies MOS ou bipolaires. La fonction de transfert de ce filtre est telle que: Ci Vs =m V _= C.C2 2 Ci p+1 p ± qp+l gmi gm2 9.l p étant la variable de Laplace; avec, la pulsation de résonance: = lgml'gm2 VCI. C2 ò peut être ajusté grâce au réglage de gmi et gm2' Le coefficient de qualité est tel que: Q= g -C2 C.1 gmz CI En choisissant les transductances gm,, et gm2 telles que le rapport gml/gm2 reste constant, on obtient une valeur du coefficient de qualité Q indépendante de o - Pour assurer un réglage précis de o0, il est alors nécessaire de faire varier les transductances gml et gm2 dans les mêmes proportions, ainsi que d'assurer le meilleur appariement possible entre les transconductances gm de ce filtre et les transconductances gm du filtre de la boucle d'asservissement. Premièrement, cela conduit à une limitation du rapport gml/gm2 à une valeur ne dépassant pas 4. La valeur du coefficient de qualité peut alors être fixée en choisissant le rapport C2/C. Pour obtenir un coefficient de qualité élevé, le rapport C2/C1 doit être grand, ce qui est incompatible avec les contraintes d'intégration de circuit. On obtient, en effet, un mauvais appariement de C1 et C2 si C2>>"C. Les capacités parasites qui sont du même ordre de grandeur de C1 entraînent alors une imprécision du filtre. Le noeud 13 de sortie 13 du premier transconducteur 10 est particulièrement critique. En effet il est à haute impédance; aussi de faibles capacités parasites peuvent entraîner des modifications des caractéristiques du filtre. De plus une surtension importante, liée au facteur de qualité, se développe sur ce noeud 13. A la résonance (ô =co0) la tension vi en ce noeud 13 est de la forme: VCI = 1 + jQ Ve te =+ Q2 Q La dynamique de tension d'entrée ve est donc Q fois inférieure à la dynamique de sortie du premier transconducteur 10. Une telle limitation s'avère très pénalisante dans les circuits à basse tension d'alimentation. L'invention a pour objet un filtre passe-bande de ce type permettant de pallier ces inconvénients en permettant une nette amélioration des performances de celui-ci. Exposé de l'invention La présente invention concerne un filtre passe- bande comprenant un premier et un second transconducteurs, la première entrée du premier transconducteur étant reliée à la masse, la seconde entrée du premier transconducteur étant reliée à la seconde entrée du second transconducteur et à la sortie du filtre, la sortie du premier transconducteur étant reliée à la première entrée du second transconducteur et à l'entrée du filtre à travers un premier condensateur, la sortie du second transconducteur étant reliée d'une part à la masse au travers d'un second condensateur, et d'autre part à un amplificateur suiveur dont la sortie est reliée à la sortie du filtre, caractérisé en ce qu'un troisième condensateur est disposé entre la seconde entrée et la sortie du premier transconducteur, en ce qu'un pont de résistances est disposé sur la seconde entrée du second transconducteur: avantageusement une première résistance est disposée entre la seconde entrée du second transconducteur et le point commun à la seconde entrée du premier transconducteur et à la sortie du filtre, et une seconde résistance est disposée entre cette seconde entrée du second transconducteur et la masse. Avantageusement les valeurs respectives des premier, second et troisième condensateurs sont telles que: Cl = m-CO C2 = CO C3 = (1-m)C0 Avantageusement on a les relations suivantes: 0, 1 et de la seconde résistances. La présente invention concerne également un circuit intégré de traitement télévision comprenant au moins un filtre tel que défini ci-dessus. Brève description des dessins - La figure 1 illustre un filtre passe-bande de l'art connu; - la figure 2 illustre le filtre passe-bande de l'invention. Exposé détaillé de modes de réalisation La filtre de l'invention est du même type que le filtre de l'art antérieur illustré sur la figure 1. Mais selon l'invention, comme illustré sur la figure 2, d'une part un troisième condensateur C3 est introduit entre la seconde entrée et la sortie du premier transconducteur 10 et d'autre part, un pont diviseur (Ri, R2) est disposé sur la seconde entrée du deuxième transconducteur: ainsi une première résistance Ri est disposée entre cette seconde entrée du second transducteur 11 et le point commun à la seconde entrée du premier transconducteur et à la sortie du filtre et une seconde résistance R2 est disposée entre cette seconde entrée du second transconducteur 11 et la masse. La fonction de transfert est alors telle que: k.(C + C3) - C3 p Vs Ci gmI Ve k.(C + C3)-C3 (C + C3). C2.p2+ k(C + C3) C3. p +1 gl 'gm2 g9l avec: k= R2 R. + R2 avec la pulsation de résonance: (= g (cglcgc2 (O peut être ajusté grâce au réglage de gi, et gm2' Le coefficient de qualité est tel que: (C] + C3)-C2, X k.(CI + C3)-C3 gn2 En choisissant Ci, C2 et C3 selon la relation suivante: C1 = m.C0 C2 = CO C3 = (l-m).Co on obtient: * la fonction de transfert suivante: CO.(k - 1 + m) VS Cl gmi V Co-(k-l+m) C02 2 +CO(- I+m) 1 ÀP p+ Co'k-+).+ gl ' g.m2 gm * la pulsation de résonance et le coefficient de qualité suivants: CO _Qk-]+ m tgm 2 Le choix de k et m permet d'obtenir facilement un coefficient de qualité élevé tout en conservant des valeurs de condensateurs proches les unes des autres. A la résonance (0o=o0) la tension Vcl est telle que: S j( k.m 2 + 2 k e 1+ Q2 comme: ( k.im)2 2m2Q2 v- - Mm. Q Il est donc possible de limiter la valeur de la surtension, à la résonance, au noeud intermédiaire 13 en choisissant m suffisamment petit. Choix des paramètres k et m Le paramètre k définit le rapport de division dans le pont de résistances Ri, R2: k = R2/(R1 + R2). Des valeurs possibles de Ri et R2 sont les suivantes: lkQ2 1KD Le paramètre m définit le rapport existant entre les valeurs des trois condensateurs Cl, C2 et C3: C1 = m.C0 C2 = CO C3 = (1-m).Co On peut aussi écrire: Cl/C2 = m et C3/C2 = 1-m. C'est donc pour m = 0,5 que les valeurs des condensateurs sont les plus proches (CI = C3 = C2/2) et que l'on obtient donc le meilleur appariement. Avec Vc1/v% mQ (voir plus haut), si l'on veut minimiser vcl /V, on doit prendre m aussi petit que possible. En pratique on peut choisir avantageusement 0,1 surtention devi. Il reste à définir la valeur de k en fonction du coefficient de qualité Q. Q est la forme Q = P(1/Z) avec P = racine carrée du rapport des gm et Z = 1/(k- l+m). Q devient très grand pour Z -+ O => k -+>1-m. k = R1/(Rl+R2) => O Il en découle que: 1-m En théorie il est possible d'obtenir des coefficients de qualité Q très grands (k proche de 1- m), mais l'incertitude sur la valeur de Q devient alors importante car les valeurs de k, qui est un rapport de résistances, et de m qui est un rapport de capacités, ne sont pas en corrélation technologique (différence de réalisation entre les résistances et les condensateurs). En pratique on choisit avantageusement: 1,1(1- m) Exemple de réalisation Grâce à l'exemple suivant, on peut apprécier les avantages du filtre passe-bande de l'invention. Les caractéristiques du filtre à réaliser sont les suivantes: F0o= 5 MHz Q = 20 gml= 4 gm2= 400 pA/V * Avec le filtre de l'art antérieur illustré sur la figure 1, on obtient: Q= gm C2 gm2 CI donc = Q=1o Cl 2 CI = 100 C C2 2= g g2 (Do est donc C = 10 gml gm2 64pF oo C2 = I /gm gm,,2 = 0, 64pF coo Il est difficile d'obtenir une bonne précision d'appariement entre les deux condensateurs C1 et C2 et, à la résonance, la dynamique d'entrée est limitée au vingtième de la dynamique de sortie du premier transconducteur 10. * Avec le filtre de l'invention illustré sur la figure 2, on obtient: Q 1 k-1+m gm2 donc: k = 1,1-m En choisissant: m = 0,2 a k = 0,9 Co gn ' m2 6,4pF C0o CI = m -Co= 1,3pF C2 =Co= 6,4pF C3= (1 - m) Co= 5pF Les valeurs des condensateurs sont proches les unes des autres (C2=5x C1) et leur somme et donc leur surface équivalente, dans une réalisation intégrée occupée sur un substrat de silicium, est beaucoup plus faible que dans le cas précédent (rapport de 1/5). On a: m-Q=4. La dynamique d'entrée n'est donc limitée qu'au quart de la dynamique de sortie du premier transconducteur 10. REFERENCE [1]" Active Filter Design Using Operational Transconductance Amplifiers: A Tutorial " de Randall L. Geiger et Edgar Sanchez-Sinencio (IEEE Circuits and Devices Magazine, mars 1985, pages 20 à 32) REVENDICATIONS 1. Filtre passe-bande comprenant un premier et un second transconducteurs (10, 11), la première entrée (+) du premier transconducteur (10) étant reliée à la masse, la seconde entrée (-) du premier transconducteur (10) étant reliée à la seconde entrée (-) du second transconducteur (11) et à la sortie (S) du filtre, la sortie du premier transconducteur (10) étant reliée à la première entrée (+) du second transconducteur (11), et à l'entrée (E) du filtre à travers un premier condensateur (Cl), la sortie du second transconducteur (11) étant reliée d'une part à la masse au travers d'un second condensateur (C2) et d'autre part à un amplificateur suiveur (12) dont la sortie est reliée à la sortie (S) du filtre, caractérisé en ce qu'un troisième condensateur (C3) est disposé entre la seconde entrée et la sortie du premier transconducteur (10), et en ce qu'un pont diviseur (R1, R2) est disposé sur la seconde entrée du second transconducteur (11). 2. Filtre passe-bande selon la revendication 1, dans lequel une première résistance (Rl) est disposée entre la seconde entrée du second transconducteur (11) et le point commun à la seconde entrée du premier transconducteur (10) et à la sortie (S) du filtre, et dans lequel une seconde résistance (R2) est disposée entre cette seconde entrée du second transconducteur (11) et la masse. 3. Filtre passe-bande selon la revendication 1, dans lequel les valeurs respectives des premier, second et troisième condensateurs sont telles que: CI = m Co C2 =Co C3 = (1- m). CO 4. Filtre passe-bande selon la revendication 3, dans lequel on a les relations suivantes: 0,1 résistances du pont diviseur. 5. Circuit intégré de traitement télévision comprenant un filtre passebande selon l'une quelconque des revendications précédentes.