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1 - PRINCIPE DES CIRCUITS À CAPACITÉS COMMUTÉES

2 - ANALYSE DES CIRCUITS À CAPACITÉS COMMUTÉES

3 - SYNTHÈSE

4 - IMPERFECTIONS DUES AUX ÉLÉMENTS ACTIFS

5 - MISE EN ŒUVRE

6 - APPLICATIONS ET BILAN

Article de référence | Réf : E140 v1

Mise en œuvre
Filtres à capacités commutées

Auteur(s) : Gaëlle LISSORGUES, Paul BILDSTEIN

Date de publication : 10 nov. 2005

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RÉSUMÉ

Les filtres à capacités commutées possèdent des caractéristiques leur permettant de répondre aux exigences du filtre de voie téléphonique, notamment un très faible coût, une faible consommation, et surtout un circuit totalement intégré. Leur principe est basé sur le remplacement des résistances par des condensateurs et des interrupteurs. D’autres difficultés sont à résoudre : l’obtention d’une précision élevée et la suppression de l’influence des capacités parasites.

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Auteur(s)

  • Gaëlle LISSORGUES : Agrégée de Physique appliquée - Docteur en Électronique - Professeur associé au Groupe ESIEE

  • Paul BILDSTEIN : Ingénieur de l’École Supérieure d’Électricité - Docteur-Ingénieur - Ancien Directeur de la Recherche du Groupe ESIEE (École Supérieure d’Ingénieurs en Électrotechnique et Électronique)

INTRODUCTION

Les filtres électriques sont des circuits qui peuvent atteindre une grande complexité. Réalisés en technologies analogiques, ils nécessitent, en général, l’emploi de composants de valeur très précise et très stable en fonction de la température et du temps. Une précision meilleure que 1 % et une stabilité meilleure que 50 · 10 −6/K sont généralement requises. Même avec de telles performances, un réglage final est souvent nécessaire pour satisfaire les exigences du gabarit. De telles contraintes apparaissent a priori incompatibles avec une réalisation en circuits intégrés, privant ce type de circuit des abaissements de coût dans les réalisations de très grande série. La numérisation des réseaux téléphoniques, décidée vers la fin des années soixante-dix dans la plupart des pays du monde, rendit urgente la nécessité de surmonter cette difficulté, sous peine de rendre prohibitif le coût d’un poste téléphonique numérique d’abonné. Une intense compétition s’engagea dès lors pour parvenir à résoudre ce problème. Trois solutions furent explorées :

  • Les filtres numériques, très performants, nécessitent des circuits intégrés complexes, donc relativement chers. De plus, ils sont très limités en fréquence, ont une consommation élevée et demandent à être associés à un filtre auxiliaire d’antirepliement. Enfin, les convertisseurs analogiques-numériques et numériques-analogiques ne s’intègrent pas facilement sur la même puce que le processeur et nécessitent à leur tour un filtre de lissage.

  • Les filtres à transfert de charge, très prometteurs à l’origine, se sont montrés en définitive peu aptes à fournir des filtres très sélectifs.

  • Les filtres à capacités commutées, décrits ci-après, paraissaient a priori les moins bien placés, tant les difficultés pratiques à résoudre semblaient au premier abord nombreuses et insurmontables. Grâce à un heureux concours de circonstances (ou au génie de leurs créateurs ?), ces circuits ont d’emblée [8] [9] répondu aux exigences du filtre de voie téléphonique : très faible coût, faible consommation, circuit totalement intégré. Utilisée dès 1980 pour des fabrications en grande série [1] [2] [3], cette technique n’a été totalement maîtrisée sur le plan théorique qu’en 1983 [4] [5]. Les filtres à capacités commutées sont des circuits qui resteront encore longtemps attractifs, malgré les progrès incessants des circuits purement numériques [6], dans les applications à fréquences élevées et à faible dissipation, par exemple, ainsi qu’en complément de filtres numériques, comme filtres d’antirepliement et de lissage.

Cet article est la mise à jour de l’article [E 3 150] écrit par M. BILDSTEIN et paru en 1988.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e140


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5. Mise en œuvre

Deux modes de mise en œuvre sont à la disposition du concepteur.

  • Circuits catalogués : plusieurs constructeurs fournissent soit des cellules biquadratiques, tel le MF 10, dont les paramètres sont ajustables par des résistances externes, soit des filtres tout faits, dont la fréquence de coupure est programmable par l’horloge externe. On trouve, par exemple, chez SGS-Thomson Microelectronics, des filtres de Cauer passe-bas d’ordre 5 ou 7, d’ondulation en bande passante de 0,1 dB, dont la fréquence de coupure est ajustable de 10 Hz à 20 kHz par l’horloge externe. D’autres constructeurs proposent des produits similaires : AMI, National Semiconductor et Texas Instruments, notamment. Ces dispositifs, de prix très abordable, conviennent à des séries faibles ou moyennes. Ils devraient voir leur utilisation s’accroître grâce à la programmabilité des fréquences de coupure, propriété tout à fait nouvelle dans un circuit analogique.

  • Filtres programmables par masque (SGS-Thomson Microelectronics) [33] : il s’agit de circuits de filtrage à capacités commutées prédiffusés. Chaque circuit comprend des amplificateurs, des échantillonneurs-bloqueurs, des circuits d’horloge et d’adaptation, des interrupteurs et des champs de capacités constitués d’éléments de 0,1 pF. L’utilisateur connecte ces éléments à l’aide d’un masque final afin d’obtenir le filtre exactement adapté à son besoin. Le constructeur met à la disposition de l’utilisateur un ensemble de programmes de conception et de simulation assistées par ordinateur [34] lui permettant d’être sûr du bon fonctionnement de la réalisation finale. Cette technique, très nouvelle en ce qui concerne des dispositifs analogiques, convient pour la réalisation de séries moyennes.

  • En dehors de ces techniques, le concepteur peut toujours réaliser son propre circuit intégré à partir des moyens proposés par les fabricants de circuits intégrés. Il s’agit alors d’un processus lourd et onéreux qui conviendra lorsque l’on veut réaliser en grande série des systèmes complets, comprenant, entre autres, un ou plusieurs filtres à capacités commutées.

  • Nous allons maintenant conclure sur quelques critères permettant de choisir une technologie de filtres à capacités commutées plutôt...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - ALLEN (P.E.), SANCHEZ-SINENCIO (E.) -   Switched capacitor circuits  -  . 760 p., New York, Van Nostrand (1984).

  • (2) - HASLER (M.), NEIRYNCK (J.) -   Filtres électriques  -  . Paris, 352 p., Dunod.

  • (3) - MOSCHYTZ (G.S.) -   MOS switched-capacitor filter : analysis and design  -  . New York, IEEE Press (1984).

  • (4) - GREGORIAN (R.), NICHOLSON (W.E.) -   CMOS switched-capacitor filters for a PCM voice CODEC  -  . IEEE J. Solid-State Circuits (USA), SC-14, p. 970-80, déc. 1979.

  • (5) - GRAY (P.R.), SENDEROWICZ (D.), OHARA (H.), WARREN (B.M.) -   A single-chip NMOS dual channel filter for PCM telephony applications  -  . IEEE J. Solid-State Circuits (USA), SC-14, p. 980-91, déc. 1979.

  • (6) - WHITE (B.J.), JACOBS (G.M.), LANDSBURG (G.F.) -   A monolithic dual tone multifrequency receiver  -  . IEEE J. Solid-State...

1 Logiciels d’analyse

Plusieurs logiciels d’analyse existent qui mettent en œuvre les principes de l’analyse nodale auxquels on a ajouté des perfectionnements en vue de réduire les temps de calcul et d’introduire les imperfections des éléments actifs. Des analyses comparatives existent en .

Tous ces logiciels permettent aussi bien l’analyse temporelle que fréquentielle et permettent de tenir compte de certaines imperfections des composants. WATSCAD, DIANA et SCYMBAL permettent en outre de calculer les sensibilités par rapport aux variations des éléments. FilterCAD est l’outil créé par Linear Technology pour simuler les filtres de sa famille LTC de circuits intégrés. Il reste également la possibilité d’utiliser des outils plus génériques tels que SPICE pour simuler le comportement des circuits à capacités commutées.

Nous citerons les logiciels, spécifiques ou non, les plus utilisés et détaillerons quelques aspects des plus connus :

• SCANAL, développé par Kurth et Moschytz dès 1979 suivant la méthode exposée précédemment, à l’aide d’une bibliothèque de six circuits de base  ;

• DIANA, développé par H.J. De Mann à l’université de Louvain  ;

• SCYMBAL, développé par M. Bon et A. Konczykowska au Centre National d’Études des Télécommunications (CNET) : ce logiciel calcule les expressions symboliques des fonctions de transfert élémentaires avant d’effectuer les calculs numériques, ce qui en fait un des...

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