Brevet FR2959078A1 — publié le 20111021

FILTRE PASSE-BAS A FREQUENCE DE COUPURE AJUSTABLE La présente invention concerne un filtre passe-bas, comprenant un intégrateur dont la fréquence unité est ajustable. Les filtres passe-bas sont des éléments utilisés dans de nombreuses applications, en particulier dans des chaînes de traitement du signal. Parmi, les applications qui utilisent des filtres passe-bas, on peut citer, les chaînes de réception de télécommunication, quelque soit le standard utilisé, de type GSM (Global System for Mobile Communications), W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access), WIFI (Wireless Fidelity) ou encore WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access), ou bien également les chaînes de filtrage utilisées pour filtrer les données lues par les têtes de lecture des disques durs. Etant donné le nombre de plus en plus important d'applications possibles et la multiplication des standards, il est souhaitable que les chaînes de traitement du signal présentent, non seulement, une linéarité importante mais également, qu'elles puissent fonctionner sur de larges gammes de fréquences. Dans le cas d'une chaîne de réception GSM, la fréquence de coupure pour l'ensemble de la chaîne de réception est bien déterminée. Cependant, dans la pratique, la fréquence de coupure d'une chaîne de réception GSM peut varier dans un rapport de 1 à 2 autour de la fréquence de coupure moyenne. Ainsi il existe un besoin pour une chaine de réception dont la fréquence de coupure puisse être ajustée en fonction des variations de la fréquence de coupure. Il existe également un besoin pour des chaînes de réception qui soient reconfigurables. A titre d'exemple, une chaîne de réception initialement configurée pour le standard GSM peut être reconfigurée pour le standard W-CDMA. La fréquence de coupure des filtres passe-bas 3o composant de telles chaînes de réception doit pouvoir être adaptée en fonction du standard pour lequel la chaîne est reconfigurée. En effet, les fréquences de coupure des différents standards peuvent être très différentes, dans un rapport pouvant aller dans la pratique de 1 à 5 voir de 1 à 10. Les signaux de lecture des têtes de lecture des disques durs, présentent également de grandes variations de fréquences de coupure. En effet, dans la pratique, ces variations de fréquences étant liées aux variations de rotation du disque dur et de la position de la tête de lecture, elles peuvent varier dans un rapport de 1 à 20 ou même de 1 à 25. 1 o Il existe donc un besoin pour des chaînes de réception qui soient ajustables ou qui puissent être ajustées afin d'être utilisables pour différentes applications. Il existe dans l'état de la technique des filtres passe-bas du type filtre « GmC » et des filtres passe-bas du type « actif RC ». 15 Un exemple de filtre passe-bas du premier ordre du type filtre « GmC » 10 est représenté sur la figure 1. Le filtre passe-bas 10 représenté sur la figure 1 comprend deux types de composants, des premier 12 et deuxième 16 transconducteurs et une capacité 14. 20 L'entrée négative du premier transconducteur 12 est reliée à la masse. L'entrée positive du premier transconducteur 12 est connectée à une branche à laquelle est appliquée la tension d'entrée Vin du filtre passe-bas 10. La sortie du premier transconducteur 12 est connectée à l'entrée négative du deuxième transconducteur 16. Ladite branche reliant la sortie du 25 premier transconducteur 12 et l'entrée négative du deuxième transconducteur 16 est liée à la masse via la capacité 14. L'entrée positive du deuxième transconducteur 16 est reliée à la masse. Le deuxième transconducteur 16 comprend une boucle de contre-réaction entre sa sortie et son entrée négative. La tension de sortie V0Ut du filtre passe-bas 10 est 30 mesurée à la sortie du deuxième transconducteur 16. Dans le cas du filtre du premier ordre tel que représenté à la figure 1, la fréquence de coupure fc du filtre peut s'écrire : gm fc _ 2ir C' avec gm la conductance des transconducteurs et C la valeur de la capacité 14. L'intérêt d'un tel filtre « GmC » tient dans le fait que la fréquence de coupure peut être ajustée en faisant varier la conductance « gm ». De nombreuses variantes de filtres passe-bas du premier ordre de type « GmC » sont connues de l'homme du métier. 1 o Cependant, de tels filtres passe-bas présentent l'inconvénient d'avoir leur linéarité qui dépend directement de la linéarité des transconducteurs 12 et 16. La linéarité des transconsducteurs 12 et 16 ne peut être facilement améliorée avec les techniques habituelles. Un exemple de filtres passe-bas du premier ordre du type « actif 15 RC » est représenté sur la figure 2. Le filtre passe-bas 18 représenté sur la figure 2 comprend un amplificateur opérationnel 20, des première 22, notée R, et deuxième 24, notée R2, résistances et une capacité 26. Ledit amplificateur opérationnel 20 comprend des première et 20 deuxième entrées, une sortie et une boucle de contre-réaction entre ladite sortie et ladite première entrée. Ladite première entrée est connectée à une branche comprenant la première résistance 22 à laquelle est appliquée la tension d'entrée Vin du filtre passe-bas 18. La boucle de contre-réaction comprend la deuxième résistance 24 25 montée en parallèle avec la capacité 26. La seconde entrée de l'amplificateur opérationnel 20 est reliée à la masse. La tension de sortie V0Ut du filtre passe-bas 18 est mesurée à la sortie de l'amplificateur opérationnel 20. Le filtre passe-bas 18 représenté à la figure 2 est un filtre du premier 3o ordre, la fréquence de coupure fc dudit filtre passe-bas 18 s'écrit : 1 fc _ 27ZR2C avec R2 la valeur de la deuxième résistance 24 et C la valeur de la capacité 14. L'intérêt d'un tel filtre « actif RC » est sa très bonne performance en linéarité. En effet, le gain élevé de l'amplificateur opérationnel 20 permet d'avoir une tension e entre les entrées de l'amplificateur opérationnel 20 très faible, idéalement nulle. Le courant d'entrée de l'amplificateur opérationnel 20 étant également nul, la tension de sortie Vout du filtre passe-bas 18 sera déterminée essentiellement par les première et deuxième résistances 22, 24 et la capacité 26. Ces composants étant très linéaires, les performances en linéarité d'un filtre passe-bas « actif RC » sont très bonnes. L'inconvénient de ce type de filtres passe-bas, réside dans le fait que la fréquence de coupure ne peut être ajustée autrement qu'en modifiant la valeur de la capacité 26, qui se fait de façon discrète en connectant ou déconnectant d'autres capacités en parallèle sur la capacité initiale. Cette méthode d'ajustage complexifie le montage puisqu'elle nécessite la mise en place de multiples capacités et interrupteurs supplémentaires. Il existe donc un besoin pour un filtre passe-bas du premier ordre qui présenterait à la fois de bonnes performances en linéarité et la possibilité d'ajuster facilement sa fréquence de coupure. Un but de la présente invention est de proposer un tel filtre passe-bas du premier ordre. L'invention propose ainsi un filtre passe-bas, comprenant un intégrateur dont la fréquence unité fU est ajustable, ledit intégrateur comprenant au moins une première entrée, au moins une première sortie et une boucle de contre-réaction entre lesdites premières entrée et sortie dudit intégrateur, où : • ladite première entrée étant connectée à une branche comprenant une première impédance Z, à laquelle est appliquée une première 3o tension d'entrée Niel du filtre passe-bas, • ladite boucle de contre-réaction comprenant une deuxième impédance Z2, • ladite première sortie dudit intégrateur étant également une première sortie du filtre passe-bas. Avantageusement, un tel filtre passe-bas présente de très bonne performance en linéarité ainsi qu'une fréquence de coupure fu ajustable. En effet, la boucle de contre-réaction assure de bonne performance en linéarité d'un tel filtre passe-bas et l'intégrateur dont la fréquence unité est ajustable permet d'ajuster la fréquence de coupure d'un tel filtre passe- 1 o bas. Un filtre passe-bas selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles ci-dessous considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons possibles : • l'intégrateur dont la fréquence unité fu est ajustable comprend un 15 étage de contrôle de gain variable entre un étage d'entrée comprenant un transconducteur et un étage de sortie ; • l'étage de contrôle de gain variable de l'intégrateur dont la fréquence unité fu est ajustable est conformé pour permettre d'ajuster la fréquence unité fu dudit intégrateur ; 20 • le gain a de l'étage de contrôle de gain variable varie d'une valeur amin à une valeur amax, avec 1 amax/ amin 25 ; • l'intégrateur dont la fréquence unité fu est ajustable comprend une deuxième entrée et une deuxième sortie, lesdites deuxièmes entrée et sortie étant connectées à la masse ; 25 • l'intégrateur dont la fréquence unité est ajustable comprend une deuxième entrée et une deuxième sortie, une deuxième boucle de contre-réaction entre lesdites deuxièmes entrée et sortie dudit intégrateur, où : ^ ladite deuxième entrée étant connectée à une deuxième 30 branche comprenant une troisième impédance à laquelle est appliquée une deuxième tension d'entrée Ve2 du filtre passe-bas, ^ ladite deuxième boucle de contre-réaction comprenant une quatrième impédance, ^ ladite deuxième sortie dudit intégrateur étant également une deuxième sortie du filtre passe-bas ; • les première et deuxième impédances sont choisies de manière à ce que 0,5 Z2/Z, 5, de préférence 0,5 Z2/Z, 2, avec Z, et Z2 les valeurs des première et deuxième impédances ; • les troisième et quatrième impédances sont choisies de manière à ce que 0,5 Z4/Z3 L'invention se rapporte aussi à un filtre passe-bas d'ordre supérieur ou égal à deux présentant une structure en cascade à saut comprenant au moins un filtre de passe-bas du premier ordre selon l'invention. L'invention a également pour objet une chaîne de traitement d'au moins un signal électrique comprenant au moins un filtre passe-bas selon l'invention. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins schématiques annexés dans lesquels : - la figure 1 représente un filtre passe-bas du premier ordre du type « GmC » ; - la figure 2 représente un filtre passe-bas du premier ordre du type du type « actif RC » ; - la figure 3 représente un filtre passe-bas selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 représente un filtre passe-bas selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 représente une synoptique possible d'un intégrateur dont la fréquence unité fU est ajustable pouvant être utilisé dans un filtre passe-bas selon l'invention. Au sens de l'invention, on entend par « intégrateur » un dispositif pour lequel le signal de sortie, par exemple un signal en courant ou en tension, est sensiblement proportionnelle à une primitive du signal appliqué à l'entrée. Au sens de l'invention, on entend par « fréquence unité » d'un intégrateur la fréquence pour laquelle le module de la fonction de transfert 1 o de l'intégrateur est égal à 1 ou encore le gain dudit intégrateur est égal à 0d B. Au sens de l'invention, on entend par « intégrateur dont la fréquence unité est ajustable », un intégrateur pour lequel il est possible de modifier la fréquence pour laquelle le module de la fonction de transfert de l'intégrateur 15 est égal à 1 ou encore le gain dudit intégrateur est égal à OdB. Les figures 1 et 2 ont été décrites précédemment. La figure 3 représente un filtre passe-bas du premier ordre selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le filtre passe-bas 30 représenté à la figure 3 comprend un intégrateur dont la fréquence unité fU est ajustable 20 31 et des première 32 et deuxième 33 impédances. Ledit intégrateur 31 comprend des première E, et deuxième E2 entrées, des première S, et deuxième S2 sorties et une boucle de contre-réaction entre la première sortie S, et la première entrée E,. Les deuxièmes entrée E2 et sortie S2 de l'intégrateur 31 sont 25 connectées à la masse. La première entrée E, de l'intégrateur 31 est connectée à une branche comprenant la première impédance 32, notée Z, à laquelle est appliquée une tension d'entrée Ve1 du filtre passe-bas 30. La boucle de contre-réaction comprend la deuxième impédance 33, notée Z2. La tension 30 de sortie Vsi du filtre passe-bas 30 est mesurée à la première sortie S, de l'intégrateur 31. Les première 32 et deuxième 33 impédances du filtre passe-bas 30 selon un mode de réalisation de l'invention sont des résistances de valeurs respectives Z1= R1 et Z2 = R2. La fonction de transfert A(w) de l'intégrateur à fréquence unité fu ajustable 31 s'écrit : A(w) = , 27L / u j étant le nombre imaginaire, et fu la fréquence unité de l'intégrateur et w la pulsation du signal. Ainsi, la fonction de transfert G(w) du filtre passe-bas 30 1 o représentée à la figure 3 s'écrit : 1/si _ G(w) _ Rz x 1 Vel R1 1+ jw x R1 +R2 27c f, R1 La fréquence de coupure fu du filtre passe-bas 30 représentée à la figure 3 a en conséquence la valeur suivante : R1 =f u R +R2 15 Avantageusement, la fréquence de coupure fu du filtre passe-bas 30 représentée à la figure 3 peut être ajustée en ajustant la fréquence unité fu de l'intégrateur 31. Les valeurs des première 32 et deuxième 33 résistances R1 et R2 sont choisies de manière à ce que le rapport RZ soit supérieur ou égal à 0,5 20 et inférieur ou égal à 5, de préférence inférieur ou égal à 2. Dans ces conditions, aux fréquences environ dix fois inférieures à la fréquence unité fu de l'intégrateur 31, la fonction de transfert du filtre passe-bas 30 représentée à la figure 3 peut s'écrire : GùR R1 25 Ainsi, le gain G du filtre passe-bas 30 est approximativement égal au rapport RZ auxdites fréquences. Les inventeurs ont constaté qu'il est préférable de R1 maintenir le rapport RZ inférieur ou égal à 5, de préférence inférieur ou égal à 2, afin de garantir une bonne linéarité du filtre passe-bas 30. Dans la pratique, les résistances R, et R2 sont choisies de manière à présenter des valeurs de quelques kO. La figure 4 représente un filtre passe-bas du premier ordre selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Le filtre passe-bas 30 représenté à la figure 4 comprend un intégrateur dont la fréquence unité fU est ajustable 31, des première 32 notée Z,, deuxième 33, notée Z2, troisième 34, notée Z3 et quatrième 35, notée Z4, impédances. Ledit intégrateur 31 comprend des première E, et deuxième E2 entrées, des première S, et deuxième S2 sorties et une première, respectivement deuxième, boucle de contre-réaction entre la première sortie S, et la première entrée E,, respectivement entre la deuxième sortie S2 et la deuxième entrée E2. La première entrée E, de l'intégrateur 31 est connectée à une branche comprenant la première impédance 32 à laquelle est appliquée une première tension d'entrée Ve1 du filtre passe-bas 30. La première boucle de contre-réaction comprend la deuxième impédance 33. Une première tension de sortie Vs1 du filtre passe-bas 30 est mesurée à la première sortie S, de l'intégrateur 31. La deuxième entrée E2 de l'intégrateur 31 est connectée à une branche comprenant la troisième impédance 34 à laquelle est appliquée une deuxième tension d'entrée Ve2 du filtre passe-bas 30. La deuxième boucle de contre-réaction comprend la quatrième impédance 35. Une deuxième tension de sortie Vs2 du filtre passe-bas 30 est mesurée à la deuxième sortie S2 de l'intégrateur 31. Les impédances (32, 33, 34, 35) du filtre passe-bas 30 peuvent être des résistances de valeurs respectives Z,=R,, Z2=R2, Z3=R3, Z4=R4. Les valeurs des résistances R,, R2, R3 et R4 sont choisies de manière à ce que les rapports Re t R soient chacun supérieur ou égal à R1 R3 0,5 et inférieur ou égal à 5, de préférence inférieur ou égal à 2. Dans la pratique, les résistances R,, R2, R3 et R4 sont choisies de manière à présenter des valeurs de quelques kO. La figure 5 représente un exemple d'une synoptique d'un intégrateur dont la fréquence unité fn est ajustable 31 pouvant être utilisé dans un filtre passe-bas selon l'invention, par exemple pour un filtre passe-bas 30 tel que représenté à la figure 3. L'intégrateur représenté sur la figure 5 comprend trois étages : (a) un étage d'entrée comprenant un transconducteur 36 ; (b) un étage de contrôle de gain variable 37; et (c) un étage de sortie 38 comprenant une capacité 39, un transistor bipolaire 40 et une source de courant 41. Le transconducteur 36, dont la valeur de la transconductance est gm, permet la transformation de la tension d'entrée, Vin, de l'intégrateur 31 en un courant il = gmxVn . L'étage de contrôle de gain variable 37 permet la multiplication du courant de sortie i, du transconducteur 36 par un coefficient de gain a , et délivre un courant i2 =a xil vers l'étage de sortie 38. L'émetteur du transistor bipolaire 40 de l'étage de sortie 38 est lié directement à la masse. Ledit transistor bipolaire 40 présente une boucle entre son collecteur et sa base, ladite boucle comprenant la capacité 39 de valeur C. Le collecteur du transistor bipolaire 40 est également lié à la source de courant 41. La tension de sortie Vont de l'intégrateur 31 est mesurée entre la masse et le collecteur du transistor bipolaire 40. L'étage de sortie 38, permet de transformer le courant de sortie i2 provenant de l'étage de contrôle de gain variable 37 en une tension de 3 0 sortie Vont. La fréquence unité fu d'un intégrateur 31 présentant une synoptique telle que représentée à la figure 5 peut s'écrire : gmxa fu = 2nC La fréquence unité fu de l'intégrateur 31 peut donc facilement être ajustée, en particulier en ajustant le gain a de l'étage de contrôle de gain variable 37. Avantageusement, l'étage de contrôle de gain variable 37 permet d'ajuster la fréquence unité de l'intégrateur tout en assurant une bonne linéarité sur toute la gamme de fréquences. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'intégrateur dont la fréquence unité est ajustable 31 compris dans le filtre passe-bas selon l'invention comprend entre un étage d'entrée et un étage de sortie, un étage de contrôle de gain variable 37 dont le gain a varie d'une valeur an,n à une valeur a,,. avec le rapport supérieur ou égal à 1 et inférieur ou égal à a min 25. L'intégrateur dont la fréquence unité est ajustable peut comprendre des entrées et des sorties différentielles et des transistors de type bipolaire selon des schémas bien connus de l'homme du métier. Toutefois, il est également possible d'envisager des solutions avec des sorties non différentielles et/ou des transistors de type MOS, en particulier le transistor bipolaire 40 de l'intégrateur représenté sur la figure 5 peut être remplacé par un transistor de type MOS. La commande de contrôle de gain permettant, par exemple en appliquant une tension variable entre ses deux branches, d'ajuster le gain a de l'étage de contrôle de gain variable, et ainsi d'ajuster la fréquence unité fu de l'intégrateur 31 afin d'adapter la fréquence de coupure fu d'un filtre passe-bas 30 selon l'invention. L'invention se rapporte également à des filtres passe-bas d'ordre supérieur ou égal à deux comprenant au moins un filtre passe-bas du premier ordre selon l'invention. Des montages classiques de filtres passe-bas d'ordre supérieur ou égal à deux peuvent être adaptés à l'utilisation d'un filtre passe-bas du premier ordre selon l'invention. L'homme du métier sait réaliser par exemple, un filtre passe-bas du troisième ordre présentant une structure en cascade à saut de type « leap frog », bien connue de l'homme du métier, réalisé au moyen de trois filtres passe-bas selon l'invention. La réponse en fréquence d'un tel filtre passe-bas du troisième ordre est contrôlée en ajustant séparément la fréquence unité de chacun des trois intégrateurs dont la fréquence unité est ajustable. 1 o A titre d'exemple, on obtient un filtre passe-bas du troisième ordre de type « butterworth » de fréquence de coupure fc si : - fo=2,667xfc, - f,,2 = 1,125x fc , et - fo = 2,667x fc , 15 avec fo, f,,2, et fo, les fréquences unité des intégrateurs compris dans les premier, deuxième et troisième filtres passe-bas. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation ou exemples décrits et doit être interprétée de façon non limitative, et englobant tout mode de réalisation ou exemple équivalent. REVENDICATIONS1. Filtre passe-bas (30), comprenant un intégrateur dont la fréquence unité fU est ajustable (31), ledit intégrateur comprenant au moins une première entrée E,, au moins une première sortie S, et une boucle de contre-réaction entre lesdites premières entrée E, et sortie S, dudit intégrateur (31), • ladite première entrée E, étant connectée à une branche comprenant une première impédance (32), notée Z,, à laquelle est appliquée une première tension d'entrée Ve1 du filtre passe-bas (30), • ladite boucle de contre-réaction comprenant une deuxième impédance (33), notée Z2, • ladite première sortie S2 dudit intégrateur (31) étant également une première sortie du filtre passe-bas (30). 2. Filtre passe-bas selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intégrateur dont la fréquence unité fU est ajustable (30) comprend un étage de contrôle de gain variable (37) entre un étage d'entrée comprenant un transconducteur (36) et un étage de sortie (38). 3. Filtre passe-bas selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étage de contrôle de gain variable (37) de l'intégrateur dont la fréquence unité fU est ajustable (31) est conformé pour permettre d'ajuster la fréquence unité fU dudit intégrateur (31). 4. Filtre passe-bas selon la revendication 3, caractérisé en ce que le gain a de l'étage de contrôle de gain variable (37) varie d'une valeur amin à une valeur amax, avec 1 amax/ amin 25. 5. Filtre passe-bas selon l'une quelconque des revendications 3o précédentes caractérisé en ce que l'intégrateur dont la fréquence unité fU est ajustable (31) comprend une deuxième entrée E2 et une deuxième sortieS2, lesdites deuxièmes entrée E2 et sortie S2 étant connectées à la masse. 6. Filtre passe-bas selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'intégrateur dont la fréquence unité fU ajustable (31) comprend une deuxième entrée E2 et une deuxième sortie S2, une deuxième boucle de contre-réaction entre lesdites deuxièmes entrée E2 et sortie S2 dudit intégrateur (31), • ladite deuxième entrée E2 étant connectée à une deuxième branche comprenant une troisième impédance (34), notée Z3, à laquelle est 1 o appliquée une deuxième tension d'entrée Ve2 du filtre passe-bas (30), • ladite deuxième boucle de contre-réaction comprenant une quatrième impédance (35), notée Z4, • ladite deuxième sortie S2 dudit intégrateur (31) étant également une deuxième sortie du filtre passe-bas (30). 15 7. Filtre passe-bas, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première (32) et deuxième (33) impédances sont choisies de manière à ce que 0,5 Z2/Z, 5, avec Z, et Z2 les valeurs des première (32) et deuxième (33) impédances. 8. Filtre passe-bas d'ordre supérieur ou égal à 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un filtre passe-bas (30) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 25 9. Filtre passe-bas d'ordre supérieur ou égal à 2, présentant une structure en cascade à saut, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un filtre passe-bas (30) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 30 10. Chaîne de traitement d'au moins un signal électrique comprenant au moins un filtre passe-bas (30) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 et/ou au moins un filtre passe-bas d'ordre supérieur ou égal à 2 selon les revendications 8 ou 9. 20