Présentation
Auteur(s)
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Paul BILDSTEIN : Ingénieur de l’École supérieure d’électricité - Docteur-Ingénieur - Directeur du Laboratoire des systèmes microélectroniques (LSM) du Groupe ESIEE (École supérieure d’ingénieurs en électrotechnique et électronique)
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Les filtres actifs sont des filtres incluant des composants actifs : transistors MOS (Metal Oxide Semiconductor), amplificateurs, interrupteurs électroniques...
Cependant, l’usage réserve presque exclusivement cette dénomination aux filtres composés uniquement de résistances, de condensateurs et d’éléments actifs linéaires. Ces derniers sont principalement des amplificateurs opérationnels mais aussi des amplificateurs réalisés avec des transistors MOS. Les inductances, composants encore difficilement intégrables, sont en principe exclues.
L’intérêt principal des filtres actifs réside dans leur faible coût et la possibilité de les réaliser dans un volume très réduit, voire sous forme totalement intégrée.
L’inconvénient est qu’il faut les alimenter et se contenter de filtrer des signaux d’amplitude limitée par la tenue des composants actifs. Le niveau de bruit et la présence de tensions d’offset peuvent aussi en limiter les domaines d’application qui se situent de toute façon dans les gammes de fréquence de fonctionnement des composants actifs utilisés.
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Méthodes de synthèse des filtres à partir de leur fonction de transfert2. Circuits fonctionnels de base des filtres actifs
Les résistances, condensateurs, amplificateurs opérationnels ou à transconductance sont combinés pour réaliser des filtres actifs. Les briques de base sont présentées ci-après.
2.1 Circuits actifs
Ce sont presque exclusivement des amplificateurs opérationnels classiques ou des amplificateurs à transconductance.
HAUT DE PAGE2.1.1 Amplificateurs opérationnels classiques
Ils conviennent pour tous les filtres réalisés en composants discrets ou en circuits hybrides. Le symbole habituel et le schéma équivalent sont représentés sur la figure 1. Un amplificateur opérationnel classique comporte une entrée différentielle à impédance d’entrée très élevée (idéalement infinie) et une impédance de sortie très faible (idéalement nulle).
Le gain en boucle ouverte A est :
Pour la fréquence nulle et les très basses fréquences, ce gain a une valeur constante A0, de valeur très élevée (typiquement 60 à 100 dB).
Destinés à être utilisés le plus souvent bouclés, la plupart des amplificateurs opérationnels du commerce ont un pôle dominant interne assurant leur stabilité mais au prix d’une chute de gain de 20 dB par décade (ou 6 dB/octave) (figure 2), accompagnée d’un déphasage de 90× de la sortie sur l’entrée pour les fréquences supérieures à une certaine valeur fc et jusqu’à une fréquence ft pour laquelle le gain est égal à l’unité. Les valeurs typiques de fc se situent dans la gamme de quelques dizaines à quelques centaines de hertz.
Sauf aux fréquences très basses, le gain A d’un amplificateur opérationnel est donc inversement proportionnel à la fréquence :
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