Une introduction à la perte d'insertion et aux performances des condensateurs de filtrage

par Anthony Kenny. Les condensateurs sont utilisés dans les circuits analogiques et numériques pour supprimer les signaux indésirables. Les performances de filtrage d'un condensateur ou d'un circuit de filtrage sont communément décrites en termes de perte d'insertion. Certains des facteurs qui affectent de manière significative les performances de perte d'insertion d'un circuit de filtrage incluent la configuration des éléments de filtrage, l'impédance et le courant de charge.

Filtrage des EMI dans les circuits
Les perturbations électriques, tant naturelles qu'humaines, peuvent affecter de manière significative les performances d'un circuit électronique. Ces signaux indésirables sont collectivement appelés interférences électromagnétiques (EMI). Des circuits de filtrage sont utilisés dans la plupart des circuits analogiques et numériques pour éliminer ces signaux indésirables. Certaines des sources les plus courantes de ces signaux incluent l'éclairage, les tempêtes, les précipitations, les lignes électriques, les moteurs, les systèmes d'allumage, les émetteurs radar, les amplificateurs de puissance, les horloges informatiques et les sources cosmiques.

La configuration des éléments d'un circuit de filtrage détermine de manière significative ses performances de filtrage. La configuration de filtrage la plus simple, communément appelée filtre C, consiste en un seul condensateur de traversée. Les performances d'un circuit de filtrage sont améliorées en utilisant une combinaison d'éléments capacitifs et inductifs. Certaines des configurations les plus courantes incluent les constructions L-C, T et Pi. L'augmentation du nombre d'éléments capacitifs et inductifs permet d'améliorer les performances d'un circuit de filtrage.

image en vedette :graphique de perte d'insertion pour différentes topologies de filtres ; source : S.Nelson, moyen

Caractéristiques de perte d'insertion des condensateurs et circuits
L'un des facteurs clés à considérer lors de la sélection d'un condensateur pour le filtrage EMI est ses caractéristiques de perte d'insertion. Ce paramètre est généralement défini comme le rapport de tension avant et après l'ajout d'un filtre. Dans un circuit de base, la valeur est obtenue en divisant les valeurs de tension obtenues avant et après l'insertion d'un composant de filtrage. Ce paramètre détermine grandement le niveau d'atténuation d'un circuit de filtrage. Les performances de perte d'insertion d'un circuit ou d'un composant sont généralement exprimées en décibels.

Les condensateurs ordinaires n'ont pas de bonnes caractéristiques de performance de perte d'insertion. La présence d'inductance inhérente réduit leur capacité à mettre à la terre les perturbations électriques indésirables. Cette inductance résiduelle augmente avec l'augmentation de la longueur des électrodes. De plus, plus l'électrode est étroite, plus la quantité d'inductance est élevée. Pour réduire cette inductance indésirable et améliorer les performances de filtrage des condensateurs, il est nécessaire de modifier l'architecture de ces composants passifs. Changer l'architecture d'un condensateur et ajouter une troisième borne permet de minimiser l'inductance résiduelle. Les condensateurs de traversée, une classe spéciale d'éléments capacitifs largement utilisés pour les applications de filtrage, sont basés sur cette architecture modifiée.

Dans les condensateurs à deux bornes, l'inductance résiduelle est plus élevée car les conducteurs d'un composant se comportent comme des inductances. L'introduction d'une troisième borne permet de réduire la composante d'inductance en série avec la composante capacitive. Cela améliore considérablement les caractéristiques de perte d'insertion d'un condensateur. En réduisant cette inductance résiduelle, la fréquence d'autorésonance d'un condensateur de filtrage est augmentée.

Les condensateurs de traversée sont spécialement conçus pour offrir des performances de perte d'insertion exceptionnelles. Ces condensateurs sont largement utilisés pour les applications de suppression et de contournement EMI. Les conceptions les plus courantes de condensateurs de traversée en céramique utilisés dans les circuits de filtrage actuels sont les condensateurs discoïdes et tubulaires. Les condensateurs de traversée de film plastique sont couramment utilisés dans les applications qui exigent une fiabilité élevée.

Variation de la perte d'insertion avec la fréquence
Les caractéristiques de perte d'insertion des condensateurs idéaux et réels sont légèrement différentes. La perte d'insertion d'un condensateur idéal augmente avec une augmentation de la fréquence. En comparaison, la perte d'insertion d'un composant réel augmente avec la fréquence jusqu'à un certain niveau. Ce niveau est connu sous le nom de fréquence d'autorésonance. Après ce niveau, la perte d'insertion d'un composant réel diminue avec une augmentation de la fréquence.

À des fréquences supérieures à la fréquence de résonance, les performances de perte d'insertion d'un filtre ne changent pas si l'inductance résiduelle est maintenue constante. L'augmentation ou la diminution de la capacité d'un composant dans ces conditions n'affecte pas la perte d'insertion. Cela signifie qu'un condensateur avec une fréquence d'autorésonance élevée est nécessaire pour la suppression du bruit à hautes fréquences. Des composants avec de petites inductances résiduelles doivent être utilisés pour de telles applications.

Facteurs qui déterminent les performances de perte d'insertion
Les performances de perte d'insertion d'un circuit ou d'un composant sont déterminées par de nombreux facteurs ; certains des principaux facteurs sont la configuration électrique, le courant de charge, l'impédance de la source, l'impédance de charge, l'impédance de mise à la terre, les caractéristiques des matériaux diélectriques des composants et l'intégrité du blindage.

Configuration des composants
Bien que des éléments simples puissent être utilisés pour supprimer les signaux indésirables, la plupart des circuits de filtrage utilisent une combinaison de composants capacitifs et inductifs. Le choix de la configuration est principalement déterminé par les performances de perte d'insertion souhaitées. Les configurations les plus courantes incluent C, C-L, L-C, Pi et T. Voir la figure ci-dessous :

Théoriquement parlant, un filtre à un seul élément donne une perte d'insertion de 20 dB par décade tandis qu'un filtre à deux éléments donne 40 dB par décade. Les circuits de filtrage avec trois éléments ou plus peuvent donner des performances de perte d'insertion encore meilleures. Les circuits de filtrage avec plusieurs éléments capacitifs et inductifs sont utilisés dans les circuits où des niveaux élevés de performances de filtrage sont requis. Les performances réelles de perte d'insertion sont déterminées par les caractéristiques réelles des composants utilisés. Ces informations sont généralement fournies dans des fiches techniques. Il est important de considérer vos impédances de source et de charge lors de la sélection d'une configuration pour votre circuit de filtrage.

Charger le courant
L'effet du courant de charge sur la perte d'insertion est fortement déterminé par les propriétés des éléments filtrants utilisés. Pour les circuits de filtrage avec des éléments inductifs, la perte d'insertion peut chuter si des inductances en ferrite sont utilisées. Le degré de cet effet dépend des caractéristiques spécifiques du matériau ferrite.

Impédances de circuit
Les performances de perte d'insertion d'un circuit de filtrage dépendent fortement des impédances de source et de charge. Ces performances sont généralement optimisées en choisissant une configuration appropriée d'éléments capacitifs et inductifs.

Conclusion
Les condensateurs sont utilisés dans les circuits analogiques et numériques pour supprimer les signaux indésirables. Les performances de filtrage d'un condensateur ou d'un circuit de filtrage sont communément décrites en termes de perte d'insertion. Certains des facteurs qui affectent de manière significative les performances de perte d'insertion d'un circuit de filtrage incluent la configuration des éléments de filtrage, l'impédance et le courant de charge.

Les condensateurs conventionnels ne donnent pas de bonnes performances de perte d'insertion, et des composants à trois bornes sont utilisés lorsqu'une meilleure performance est requise. Pour des performances de perte d'insertion optimales, des circuits de filtrage constitués de plusieurs éléments capacitifs et inductifs sont utilisés.