Le filtre passe-bande permet aux signaux de fournir entre deux fréquences particulières, tout en séparant ces signaux à d'autres fréquences. Ces types de filtres passe-bande sont disponibles en différents types ; une partie de la conception du filtre passe-bande est réalisée avec une alimentation externe et des composants actifs tels que ; transistors et circuits intégrés, appelés BPF actifs. De même, certains filtres utilisent n'importe quelle source d'alimentation et composants passifs tels que des inductances et des condensateurs, appelés BPF passifs. Ces filtres sont applicables dans les émetteurs et récepteurs sans fil.
Un BPF dans un émetteur est utilisé pour limiter la bande passante du signal de sortie au niveau le moins requis et transmettre les données à la vitesse et sous la forme idéales. De même, ce filtre dans un récepteur permet de décoder les signaux situés dans un niveau de fréquence privilégié, tout en évitant les signaux à des fréquences inutiles. Le rapport S/B d'un récepteur est optimisé grâce à un filtre passe-bande. Cet article fournit de brèves informations sur un filtre passe-bande actif .
Qu'est-ce qu'un filtre passe-bande actif ?
Un type de filtre passe-bande qui utilise des composants actifs comme un amplificateur opérationnel , ainsi que les résistances et les condensateurs pour former le filtre, sont connus sous le nom de filtre passe-bande actif. Ces filtres passe-bande amplifient le signal d'entrée en plus du filtrage, bien qu'ils nécessitent une source d'alimentation externe.
Ce filtre passe-bande est conçu en mettant en cascade un HPF, un amplificateur et un LPF, comme indiqué dans la figure ci-dessous. Le circuit amplificateur entre le HPF et le LPF assure l'isolation et fournit un gain de tension global. Les valeurs de fréquence de coupure des deux filtres doivent être maintenues avec la moindre variation. Si cette variation est extrêmement faible, il existe alors une chance d'interaction entre les étages passe-bas et passe-haut. Un circuit amplificateur est donc nécessaire. pour avoir les bons niveaux de ces fréquences de coupure.
Principe de fonctionnement du filtre passe-bande actif
Le filtre passe-bande actif fonctionne en atténuant les fréquences supérieures ou inférieures à une plage de fréquences (c'est-à-dire la bande passante ou la bande passante du filtre). Tout signal ayant une fréquence dans cette plage passe-bande passe simplement à travers le filtre. Toute fréquence située en dehors de la bande passante est réduite ou atténuée.
Conception de filtre passe-bande actif
Le circuit du filtre passe-bande actif est illustré ci-dessous. Ce circuit peut être conçu en mettant en cascade des filtres passifs passe-bas et passe-haut individuels. Il donne un filtre de type « facteur de qualité » faible qui contient une large bande passante. L'étage principal du filtre passe-bande actif est l'étage passe-haut qui utilise le condensateur pour bloquer toute polarisation CC provenant de la source principale.
Cette conception de circuit a l'avantage de générer une réponse en fréquence de bande passante asymétrique assez plate à travers une seule moitié signifiant la réponse passe-bas tandis que la moitié restante signifie une réponse passe-haut.
Le point de coin supérieur « ƒH » et le point de coupure de fréquence de coin inférieur « ƒL » sont calculés de la même manière que précédemment dans les circuits LPF et HPF normaux de premier ordre.
Une séparation raisonnable est nécessaire entre les deux seuils pour éviter toute interaction entre les étapes LPF et HPF. L'amplificateur contribue à assurer l'isolation entre les deux étages de filtrage pour décrire le gain de tension global du circuit de filtrage. Par conséquent, la bande passante du filtre correspond à la disparité entre les points supérieurs et inférieurs de -3 dB. La réponse en fréquence normalisée et le déphasage d'un BPF actif seront les suivants.
Fréquence de réponse
Lorsque le circuit de filtre à réglage passif ci-dessus fonctionne comme un BPF, la bande passante peut alors être assez large. Cela peut être problématique si l'on souhaite séparer les fréquences avec une petite bande. Un filtre passe-bande actif peut également être conçu avec un ampli opérationnel inverseur.
Ainsi, en réorganisant les positions des résistances et des condensateurs dans le filtre, nous pouvons générer un circuit de filtrage bien meilleur. Le point de coupure inférieur -3 dB est spécifié par « ƒC1 » pour un BPF actif tandis que le point de coupure supérieur -3 dB est spécifié par « ƒC2 ».
Le filtre ci-dessus a deux fréquences centrales HPF et LPF. Le filtre passe-haut la fréquence centrale doit être inférieure à la fréquence centrale du LPF.
La fréquence centrale du BPF est la moyenne géométrique des fréquences de coupure supérieure et inférieure comme : fr2 = fH x fL.
Le gain du BPF actif est de 20 log (Vout/Vin) dB/Décade.
La réponse en amplitude est liée aux réponses LPF et HPF. La courbe de réponse dépend principalement de l'ordre du filtre en cascade.
Facteur Q
La largeur totale de la bande passante réelle entre les points d'angle supérieur et inférieur de -3 dB du filtre passe-bande actif décide du facteur Q du circuit. La valeur du facteur Q est inférieure, la bande passante du filtre est plus large. En conséquence, plus le facteur Q est élevé et plus le filtre est étroit.
Parfois, le facteur Q du filtre passe-bande actif est désigné par le symbole grec « α » et est appelé fréquence de crête alpha.
α = 1/Q
Comme le « Q » d'un BPF actif est lié à la « netteté » de la réponse du filtre autour de son « ƒr » (fréquence de résonance centrale), il peut également être connu sous le nom de facteur d'amortissement (ou) coefficient d'amortissement car le filtre a plus d'amortissement, le filtre a une réponse plus plate. Le filtre a moins d'amortissement, la réponse du filtre est plus nette.
Le taux d'amortissement est indiqué par le symbole grec « ξ »
ξ = a/2
Le facteur de qualité d'un filtre passe-bande actif est le rapport entre la ƒr (fréquence de résonance) et la BW (bande passante) entre les fréquences supérieures et inférieures de -3 dB.
Types de filtres passe-bande actifs
Il existe deux types de filtres passe-bande actifs ; filtre passe-bande large et filtre passe-bande étroit qui sont discutés ci-dessous.
Filtre passe-bande large
Si la valeur du facteur de qualité (Q) est inférieure à dix, la bande passante est large et nous donne alors une bande passante plus grande. Ce BPF est donc connu sous le nom de filtre passe-bande large. Dans un filtre passe-bande large, la fréquence de coupure haute doit être plus grande que la fréquence de coupure inférieure.
Tout d'abord, le signal passe par le HPF, le signal de sortie de ce filtre tendra vers l'infini qui est donné au LPF à la fin. Ce LPF passera bas le signal de fréquence plus élevée.
Chaque fois que le HPF est mis en cascade via LPF, le BPF simple peut être obtenu. Pour comprendre ce filtre, l'ordre des circuits LPF et HPF doit être similaire.
La mise en cascade d'un LPF et d'un HPF de premier ordre nous fournit le BPF de deuxième ordre. En mettant en cascade deux LPF de premier ordre avec deux HPF, nous formons un BPF de quatrième ordre.
En raison de cette mise en cascade, le circuit donne une valeur de facteur de faible qualité. Le condensateur du HPF de premier ordre bloque toute polarisation CC du signal i/p.
Aux deux bandes d'arrêt, le gain diminue de ± 20 dB par décade dans le cas du filtre de second ordre. Le LPF et le HPF doivent être uniquement au premier ordre.
De même, chaque fois que les deux filtres sont dans le deuxième ordre, la diminution du gain au niveau des deux bandes d'arrêt est d'environ ± 40 dB/décennie.
Expression:
L’expression du gain de tension du filtre passe-bande est donnée par :
Vout/Vin = Amax * (f/fL) / √(1+(f/fL)² (1+(f/fH)²
Il est atteint par les gains individuels du LPF et du HPF, donc les gains des deux filtres sont donnés comme suit :
Gain de tension pour HPF
Vout/Vin = Amax1 * (f/fL) / √[1+(f/fL)²]
Gain de tension pour LPF
Vout / Vin = Amax2 /√[1+(f/fH)²]
Amax = Amax1 * Amax2
Où « Amax1 » est le gain de l'étage HPF & « Amax2 ; est le gain de l'étage LPF.
La réponse du filtre large bande est illustrée ci-dessous.
Filtre passe-bande étroite
Si la valeur du facteur de qualité est supérieure à dix, la bande passante sera étroite et la bande passante sera également inférieure. Ce filtre est donc connu sous le nom de filtre passe-bande étroite.
Ce filtre n'utilise qu'un seul composant actif comme un ampli-op au lieu de deux. L'ampli-op utilisé dans ce circuit est dans une configuration inverseuse. Le gain de l'ampli-op dans ce filtre est maximum à la fréquence centrale « fc ».
Le circuit du filtre passe-bande étroit est illustré ci-dessous. L'entrée est fournie à la borne d'entrée inverseuse de l'ampli-op, l'ampli-op est alors connu sous le nom de configuration inverseuse. Ce circuit BPF étroit donne une réponse BPF étroite.
Le gain de tension de ce circuit filtrant est AV = – R2 / R1
Les fréquences de coupure de ce circuit de filtre sont :
fC1 = 1 / (2π*R1*C1)
fC2 = 1 / (2π*R2*C2)
Avantages et inconvénients
Le avantages d'un filtre passe-bande actif inclure les éléments suivants.
- Ce filtre aide à envoyer ou à transmettre un signal dans une plage de fréquences préférée, ce qui permet d'économiser de l'énergie.
- Ce filtre passe-bande aide à filtrer les signaux entre deux plages de fréquences.
Les inconvénients des filtres passe-bande actifs sont les suivants.
- Un filtre passe-bande actif ne laisse passer qu’une gamme préférée de fréquences.
- Ils peuvent être trop restrictifs, en particulier lorsqu'ils sont utilisés avec une bande passante étroite. Cela entraîne donc une perte importante de contenu fréquentiel pour rendre le son creux ou mince.
- Ces filtres sont chers.
- Ces filtres disposent d'un système de contrôle complexe.
- Ils ont une gamme de fréquences limitée.
Applications
Les applications des filtres passe-bande actifs sont les suivantes.
- Le filtre passe-bande actif est utilisé dans de nombreuses applications optiques telles que : communications par satellite, télécommunications et transfert de données en modulation de lumière.
- Ces filtres sont utilisés dans les équipements audio pour isoler les fréquences situées dans la plage audible de 20 Hz à 20 kHz.
- Le BPF actif est utilisé dans les systèmes de communication sans fil pour filtrer les signaux et le bruit indésirables afin d'améliorer l'excellence de la communication.
- Ces filtres sont utilisés dans le réglage et le verrouillage du mode haute vitesse des lasers annulaires EDF.
- Ce type de BPF est utilisé pour niveler le spectre o/p des sources super fluorescentes EDF.
- Ce filtre est utilisé dans l'émetteur et le récepteur de signal d'un système de communication sans fil.
- Ceux-ci sont utilisés dans les systèmes audio actuels comme le système stéréo, les systèmes de haut-parleurs distribués, le Dolby Music System, etc.
- Ce type de filtre est utilisé pour le contrôle de fréquence dans les circuits d'égalisation audio, LASER, LIDAR & Systèmes de communication SONAR.
- Ceci est utilisé dans les dispositifs médicaux comme l'ECG et en neurosciences pour collecter et analyser des données.
Où le filtre passe-bande actif est-il utilisé ?
Le filtre passe-bande actif est utilisé dans le domaine des télécommunications et également utilisé dans la plage de fréquences audio de 0 kHz à 20 kHz pour les modems et le traitement de la parole. Ceux-ci sont couramment utilisés dans les émetteurs et récepteurs sans fil
Quelle est la différence entre les filtres passe-bande actifs et passifs ?
Les filtres actifs fonctionnent avec une source d’alimentation tandis que les filtres passifs n’ont pas besoin de source d’alimentation. La sortie du filtre passif change avec la charge tandis que le filtre actif conserve ses performances quelle que soit la charge connectée.
Quelle est la fonction de transfert d’un filtre passe-bande ?
Le comportement du filtre passe-bande peut être décrit mathématiquement avec une fonction de transfert. Il s'agit d'une fonction complexe reliant les signaux d'entrée et de sortie du filtre. Ainsi le T.F est donné par H(ω) = Vout(ω) / Vin(ω).
Qu'est-ce qu'une fonction de transfert de filtre ?
La fonction de transfert du filtre est la transformée en Z de sa réponse impulsionnelle. Il comprend des équations quadratiques entières au numérateur et au dénominateur. Il fournit la base pour implémenter les caractéristiques de réalisation passe-bas, passe-haut, d'encoche monofréquence et de rejet de bande.
Y(z) = H(z)X(z) =( h(1)+h(2)z−1+⋯+h(n+1)z−n)X(z).
Il s’agit donc d’un aperçu de l’actif filtre passe-bande, circuit, fonctionnel , types et applications. Les filtres passe-bande actifs sont des composants importants dans les circuits électroniques pour laisser passer sélectivement une certaine plage de fréquences tout en atténuant les autres. Ces filtres offrent plusieurs avantages comme une haute précision et un gain. Les BPF actifs sont couramment utilisés dans systèmes de communication ainsi que des applications basées sur le traitement du signal partout où la stabilité et la haute précision sont nécessaires, comme dans les récepteurs radio. Ceux-ci sont utilisés dans une variété d’applications, audio, ingénierie biomédicale et communications radio. Voici une question pour vous, qu'est-ce qu'un filtre passe-bande passif ?
