Maîtriser la conception de filtres coupe-bande (Notch) : Suppression précise du bruit pour une électronique fiable

Le bruit et les interférences sont courants avec les appareils électriques car différents circuits produisent des fréquences de signal variables qui entrent en conflit. Ces problèmes sont fréquents dans les appareils de communication, facilement affectés par les lignes électriques. Si vous rencontrez ces problèmes, il existe un moyen de filtrer les fréquences indésirables : la conception de filtre coupe-bande (notch filter). Il existe différents types de filtres notch, chacun avec un circuit unique nécessitant des composants spécifiques.

Nous les examinerons en détail pour vous permettre de construire le bon circuit.

Qu'est-ce qu'un filtre coupe-bande (Notch Filter) ?

Aussi appelé filtre réjecteur de bande (band rejection filter) ou filtre coupe-bande (band-stop filter), un filtre notch crée une forte atténuation sur une bande étroite (le « notch »). Il rejette cette bande de fréquences mais laisse passer toutes les autres, en dessous ou au-dessus de la plage bloquée.

Ce dispositif est idéal pour filtrer un bruit particulier, comme le ronflement 60 Hz (50 Hz en Europe) provenant d'une source d'alimentation AC.

Caractéristiques des filtres notch

Trois attributs clés :

• Bande passante étroite (bande d'arrêt / stopband)
• Grande profondeur d'atténuation
• Facteur de qualité Q élevé

Pour obtenir un Q élevé, il faut une profondeur d'atténuation quasi infinie et un amplificateur opérationnel à gain élevé dans le circuit.

Types de filtres notch

Un filtre notch comporte trois composants : un passe-bas (atténue les hautes fréquences), un passe-haut (bloque les basses fréquences), et un amplificateur additionneur (somme les résultats).

Cependant, il existe différents types de filtres notch, chacun avec un design unique :

Filtre notch actif (Active Notch Filter)

La partie verte forme le passe-bas, la bleue le passe-haut. L'amplificateur opérationnel (composants orange) les somme.

Filtre notch passif (Passive Notch Filter)

Contrairement au filtre actif, ce type n'a que des composants passifs. Il n'a pas d'amplificateurs (partie active).

Les parties orange forment la section passe-bas, les bleues la section passe-haut.

Filtre notch RLC

Comme son nom l'indique, un filtre notch RLC est passif : il ne contient qu'une résistance (R), une inductance (L) et un condensateur (C).

Filtre notch Butterworth

Le filtre notch Butterworth produit une réponse la plus plate possible, le rendant fiable et très précis. La plupart des équipements médicaux (ECG, EEG) l'utilisent.

Filtre notch FM

Les filtres notch FM rejettent les forts signaux FM causant la saturation du récepteur. La modulation de fréquence dans la même bande a augmenté, surtout à cause des diffusions audio localisées, rendant ce dispositif crucial pour réduire le bruit.

D'autres types incluent les filtres optiques, RF, et notch inverses. Il y en a peut-être plus, mais tous ont un filtre notch actif ou passif comme circuit sous-jacent. La seule différence : présence ou non d'un composant actif (amplificateur).

Exemple de conception de filtre notch

Comme dit plus haut, un filtre notch a trois composants principaux : passe-bas, passe-haut, amplificateur. Combinés, ils atténuent une plage de fréquences étroite et spécifique.

La topologie la plus courante est le filtre notch twin-T (double T) de base. C'est une combinaison de deux branches RC.

La configuration T supérieure (rouge) est le passe-bas, l'inférieure (verte) le passe-haut.

Pour obtenir un rejet plus étroit avec une atténuation élevée, il faut ajouter un amplificateur opérationnel.

Ce circuit a encore un problème : il augmente le gain après l'atténuation en V dans la courbe de réponse. Il faut donc un second amplificateur opérationnel pour éviter d'altérer la bande passante.

Exemple de conception

Supposons : concevoir un filtre à deux amplificateurs avec fréquence de notch 1 kHz et bande passante 3 dB de 100 Hz. Condensateurs du passe-haut : 0,1 µF.

Formule de la fréquence de notch :

On peut concevoir le filtre notch actif pour une profondeur de 20 dB comme suit :

Conception d'un filtre notch type RLC

Autre exemple : le filtre notch RLC. Au lieu du twin-T à 6 composants, celui-ci n'en a que 3 : résistance, inductance, condensateur.

Tâche : concevoir un circuit avec fréquences de coupure 23 kHz et 25 kHz.

Fonction de transfert du filtre notch

BW = bande passante.

W_Z = fréquence circulaire zéro (fréquence de coupure), W_P = fréquence circulaire pôle. W_P détermine le type/caractéristiques du filtre, trois cas :

• W_P > W_Z → filtre notch passe-haut
• W_P < W_Z → filtre notch passe-bas
• W_P = W_Z → filtre notch standard

La formule du filtre notch standard devient :

W_C = largeur de la bande rejetée, W₀ = fréquence rejetée (centrale).

Applications des filtres notch

• Systèmes de communication : Forte probabilité d'interférence du signal de message par bruits harmoniques (surtout lignes électriques) ; les filtres notch éliminent cette plage.
• Applications audio (acoustiques) : Ronflements distordent ou créent des pics aigus dans amplificateurs et systèmes sonorisation ; les filtres notch éliminent ces fréquences.
• Ingénierie médicale : Interférences secteur perturbent les lectures EEG et ECG ; les filtres notch éliminent ce bruit de ligne des signaux biomédicaux.
• Services Internet : Transmission sur lignes téléphoniques (DSL) sensible aux interférences ; filtre notch comme réducteur de bruit de ligne.
• Traitement de signal numérique et d'image
• Applications optiques

Résumé

Les filtres notch sont des dispositifs utiles dans de nombreuses applications, principalement car ils bloquent les interférences causées par les sources d'alimentation AC.

Pour construire ce dispositif, les informations et schémas ci-dessus suffisent pour vous guider.

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