Conception du filtre coupe-bande :un filtre à bande étroite pour une atténuation spécifique du bruit

Le bruit et les interférences sont courants lorsqu'il s'agit d'appareils électriques, car différents circuits produisent des fréquences de signal variables qui se heurtent. De tels problèmes sont répandus dans les appareils de communication, qui sont facilement affectés par les lignes électriques. Si vous rencontrez de tels problèmes, il existe un moyen de filtrer les fréquences indésirables à l'aide d'un filtre coupe-bande. Il existe différents types de filtres coupe-bande, et chacun a une conception de circuit unique qui nécessite des composants spécifiques pour être construit.

Dans cet article, nous allons les détailler pour vous permettre de construire le bon circuit.

Qu'est-ce qu'un filtre coupe-bande ?

Également appelé filtre de réjection de bande ou filtre coupe-bande, un filtre coupe-bande est un dispositif qui crée un niveau élevé d'atténuation sur une encoche étroite. Il rejette cette bande de fréquences mais autorise toutes les autres en dessous ou au-dessus de la plage bloquée à transmettre.

Graphique montrant la réponse en fréquence d'un filtre audio de 50 Hz. Notez la forme en V étroit des fréquences bloquées.

Source :Wikimedia Commons.

L'appareil est pratique pour filtrer des bruits particuliers, tels que le bourdonnement de 60 Hz provenant d'une source d'alimentation secteur.

Caractéristiques du filtre coupe-bande

Les filtres Notch ont trois attributs :

• Bande passante étroite (bande d'arrêt)
• Grande profondeur d'atténuation
• Q élevé

Pour obtenir un Q élevé, vous avez besoin d'une profondeur d'atténuation presque infinie et d'un amplificateur opérationnel à gain élevé dans le circuit.

Types de filtres coupe-bande

Les conceptions de filtres coupe-bande comportent trois composants. Un filtre passe-bas atténue les hautes fréquences, un filtre passe-haut bloque les basses fréquences et un amplificateur sommateur combine les résultats.

Cependant, il existe différents types de filtres coupe-bande et chacun a une conception de circuit unique. Ils incluent :

Filtre coupe-bande actif

Un schéma de circuit de filtre coupe-bande actif

La partie verte forme le filtre passe-bas dans ce filtre actif, tandis que la partie bleue forme le filtre passe-haut. Ceux-ci sont résumés par l'ampli-op (composants orange).

Filtre coupe-bande passif

Contrairement à un filtre coupe-bande actif, ce type n'a que des composants passifs. Il manque des amplificateurs, qui forment la partie active du circuit.

Schéma du circuit du filtre coupe-bande passif montrant les filtres passe-bas et passe-haut dans les configurations T

Les parties orange forment la section du filtre passe-bas dans le diagramme, tandis que les composants bleus forment le filtre passe-haut.

Filtre coupe-bande RLC

Comme son nom l'indique, un filtre coupe-bande RLC est de type passif car le circuit ne comporte qu'une résistance (R), une inductance (L) et un condensateur (C).

Un filtre notch RLC

Filtre Notch Butterworth

Un filtre coupe-bande Butterworth produit une réponse aussi plate que possible, ce qui le rend fiable et très précis. La plupart des équipements médicaux, tels que les ECG, en sont équipés.

Filtre passe-bas Butterworth de 4ème ordre

Filtre Notch FM

Les filtres coupe-bande FM aident à rejeter les signaux FM puissants qui provoquent la saturation du récepteur. La modulation de fréquence dans la même bande a augmenté, principalement en raison des diffusions audio localisées, ce dispositif est donc crucial pour réduire le bruit.

Un filtre coupe-bande VHF FM

Les autres types comprennent les filtres optiques, RF et à encoche inverse. Il peut y en avoir plus, mais tous ont un filtre coupe-bande actif ou passif comme circuit sous-jacent. La seule façon de différencier les deux est de savoir si la conception du circuit a un composant actif (circuit amplificateur) ou non.

Exemple de conception de filtre coupe-bande

La conception de base d'un filtre coupe-bande

Comme indiqué précédemment, un filtre coupe-bande comporte trois composants principaux :un filtre passe-bas, un filtre passe-haut et un amplificateur. Combinés, les trois atténuent une gamme de fréquences étroite et spécifique.

Réponse graphique montrant la bande d'arrêt V étroite d'un filtre coupe-bande

Source :Wikimedia Commons.

La topologie de filtre coupe-bande la plus courante est la conception de base du filtre coupe-bande à double T. C'est une combinaison de deux branches RC.

Un circuit de base de filtre coupe-bande twin-T

La configuration T supérieure (en rouge) est le filtre passe-bas, tandis que la configuration T inférieure (en vert) est le filtre passe-haut.

Cependant, si vous souhaitez atteindre un niveau de rejet plus étroit avec un niveau d'atténuation élevé, vous devez introduire un amplificateur opérationnel.

Un filtre coupe-bande twin-T avec un amplificateur opérationnel. Les deux résistances en orange forment le diviseur de tension

Le circuit a encore un problème majeur. Il augmente le gain après l'atténuation V dans la courbe de réponse. Par conséquent, vous devez introduire un autre amplificateur opérationnel pour empêcher le circuit de modifier la bande passante.

Conception de filtre coupe-bande à deux amplis opérationnels

Exemple de conception

Disons que nous voulons concevoir deux amplificateurs opérationnels avec une fréquence d'encoche de 1 kHz et une bande passante de 3 dB de 100 Hz. Considérez que la valeur des condensateurs du filtre passe-haut est de 0,1 uF.

Nous pouvons utiliser la formule pour obtenir la fréquence du filtre coupe-bande, qui est :

Par conséquent, nous pouvons concevoir le filtre coupe-bande actif pour une profondeur de coupe de 20 dB comme suit :

Un filtre coupe-bande à deux amplificateurs opérationnels pour une profondeur d'encoche de 20 dB

Concevoir un filtre coupe-bande de type RLC

Un autre exemple intéressant est le filtre coupe-bande RLC. Au lieu d'avoir une conception twin-T avec six composants, celui-ci n'en a que trois :une résistance, une inductance et un condensateur.

Si la tâche consiste à concevoir un circuit avec 23 kHz et 25 kHz comme fréquences de coupure, voici comment procéder.

Un filtre coupe-bande RLC pour les fréquences de coupure 23 kHz et 25 kHz

Fonction de transfert du filtre coupe-bande

BW est la bande passante.

W_Z est la fréquence circulaire nulle (fréquence de coupure), tandis que W_P est la fréquence polaire circulaire. O_P détermine le type/les caractéristiques du filtre, et il y a trois possibilités.

• Si la fréquence circulaire polaire est supérieure à la fréquence circulaire nulle (W_P>W_Z ), alors c'est un filtre passe-haut
• Si la fréquence circulaire polaire est inférieure à la fréquence circulaire nulle (W_P Z ), alors c'est un filtre passe-bas
• Cependant, si les deux sont égaux, alors vous avez un filtre coupe-bande standard

Par conséquent, vous pouvez réécrire la formule d'un filtre coupe-bande standard comme :

O_C est la largeur de la bande rejetée, tandis que W₀ est la fréquence rejetée (centrale).

Applications de filtre coupe-bande

• Systèmes de communication :il existe une forte probabilité d'interférence du signal de message par des bruits harmoniques (en particulier par les lignes électriques), et les filtres coupe-bande aident à supprimer cette plage de fréquences.
• Applications audio (applications acoustiques) :les bourdonnements peuvent déformer ou créer des pics aigus dans les appareils d'ingénierie audio tels que les amplificateurs et les systèmes de sonorisation, mais les filtres coupe-bande peuvent éliminer ces fréquences.
• Ingénierie médicale :les interférences des lignes électriques peuvent perturber les lectures EEG et ECG. Les filtres coupe-bande aident à éliminer ce bruit de ligne électrique des signaux biomédicaux.
• Services Internet :la transmission Internet sur des lignes téléphoniques, telles que DSL, est sensible aux interférences indésirables, et la seule façon d'y faire face est d'utiliser un filtre coupe-bande comme réducteur de bruit de ligne.
• Traitement numérique du signal et des images
• Applications optiques

Résumé

Les filtres coupe-bande sont des appareils pratiques dans plusieurs applications, principalement parce qu'ils peuvent bloquer les interférences causées par les sources d'alimentation CA.

Si vous souhaitez construire cet appareil, les informations ci-dessus et les schémas de circuit suffisent pour vous guider tout au long du processus.

Cependant, vous devez d'abord acheter les composants discrets requis pour ce projet, et nous avons tout ce dont vous avez besoin. Contactez-nous pour obtenir des offres abordables sur des PCB authentiques, des résistances, des condensateurs et toutes les pièces nécessaires à la configuration du filtre.