Se lancer dans la conception analogique
Dans ce dernier article de notre série en quatre parties sur l’importance des compétences en conception analogique des ingénieurs et la pénurie en la matière, nous expliquons comment il est possible de concevoir rapidement un circuit de filtre analogique entièrement fonctionnel sans devoir calculer manuellement les valeurs des composants à grand renfort de nombres complexes ou d’équations différentielles.
Figure 1 : menu « Type de filtre »
Grâce à des outils logiciels gratuits comme Analog Filter Wizard et LTSpice, tous deux d’Analog Devices, les ingénieurs en électronique peuvent désormais concevoir et simuler le comportement d’un circuit de filtrage avant de procéder à sa construction en laboratoire ou à sa mise en œuvre dans une application de test.
Le défi
La plage de fréquence de la parole humaine se situe approximativement entre 300 Hz et 3 kHz. Le défi consiste à concevoir un filtre passe-bande qui permettra aux signaux de cette plage (la bande passante) de traverser le circuit tout en rejetant les fréquences hors de cette plage (soit dans la bande d’affaiblissement). En pratique, ce type de filtre est utilisé notamment dans le domaine de la téléphonie pour limiter la bande du signal avant qu’il ne soit numérisé à l’aide d’un convertisseur analogique-numérique (CAD).
Construction du circuit
Tout d’abord, lancez le logiciel Analog Filter Wizard et sélectionnez un filtre passe-bande parmi les options proposées (figure 1).
Ouvrez ensuite l’onglet « Spécifications ». Une interface utilisateur graphique (GUI) conviviale s’affiche où vous pouvez saisir les spécifications du filtre. L’interface présentera alors le graphique de la réponse en fréquence du filtre correspondant. Dans cet exemple, les valeurs indiquées dans la figure 2 génèrent une réponse en fréquence au plus proche du comportement de filtre souhaité.
La bande passante est définie comme la plage de fréquences pour laquelle le signal de sortie est d’au moins 70 % de l’amplitude du signal d’entrée. Elle est indiquée par la zone bleutée entre les deux fréquences de coupure de -3 dB. Le filtre roll-off est réglé à -40 dB/décade, ce qui signifie que les signaux dont les fréquences sont 10 fois supérieures (ou inférieures) aux deux fréquences de coupure de respectivement 300 Hz et 3 kHz sont atténués (réduits en amplitude) d’un facteur 100.
Figure 2 : réponse en fréquence du filtre passe-bande
L’onglet « Composants » présente les éléments nécessaires à la construction du filtre. Il est possible d’ajouter les niveaux de tension que le circuit utilisera et de sélectionner des types de composants personnalisés (résistances, condensateurs, amplificateur opérationnel) ou simplement d’accepter les composants par défaut sélectionnés par l’outil.
Figure 3 : composants du circuit de filtre passe-bande
Dans l’illustration, la configuration de circuit est celle d’un filtre Butterworth de quatrième ordre comprenant deux filtres Sallen-Key de deuxième ordre : l’un passe-haut et l’autre passe-bas. L’association de ces deux filtres fournit la réponse en fréquence passe-bande souhaitée.
Vous pouvez utiliser la fonction « SPICE Only » dans l’onglet « Étapes suivantes » pour télécharger les fichiers logiciels nécessaires pour simuler le circuit avec l’outil de simulation LTSpice. Cet outil est disponible en téléchargement sur le site Web d’Analog Devices.
Définition des signaux d’entrée
La figure 4 montre le schéma LTSpice qui s’affiche après l’ouverture du fichier «TransientAnalysis.asc» fourni par Analog Filter Wizard. Les deux étages du filtre de second ordre, les alimentations (V2, V3) et la source de signal d’entrée (VIN) sont clairement indiqués.
Figure 4 : schéma de simulation de filtre passe-bande LTSpice
Les concepteurs peuvent effectuer rapidement deux types de simulation pour vérifier que le comportement de la conception du filtre est conforme aux spécifications
- Analyse transitoire
- Analyse CA
L’analyse transitoire simule le comportement du filtre avec un signal de domaine temporel réel et une tension et une fréquence d’entrée spécifiques. La tension d’entrée maximale doit se trouver dans la plage de tension de fonctionnement des amplificateurs opérationnels choisis.
L’analyse CA simule le comportement du filtre sur toute la gamme des fréquences de signal d’entrée possibles.
Simulation du circuit et examen de la sortie
Pour l’analyse transitoire, le signal d’entrée est une onde sinusoïdale de 1 V (crête) avec une fréquence de 1 kHz. La figure 5 montre que le signal passe à travers le filtre sans subir d’atténuation, puisqu’on ne distingue pratiquement pas le signal d’entrée (ligne verte) du signal de sortie (ligne bleue). C’est le comportement attendu dans ce cas, puisque la fréquence de 1 kHz se situe dans la bande passante du filtre.
Figure 5 : le signal de domaine temporel 1 kHz passe à travers le filtre sans atténuation.
Lorsque l’on exécute à nouveau cette simulation pour un signal d’entrée avec une fréquence de 30 kHz (figure 6), on peut voir que le signal de sortie est presque de 0 V. C’est là encore le comportement attendu dans ce cas de figure, puisque cette fréquence se situe en dehors de la bande passante (dans la bande d’affaiblissement).
Figure 6 : le filtre rejette un signal de domaine temporel de 30 kHz.
La figure 7 illustre le schéma de banc d’essai pour le fichier « ACAnalysis.asc » téléchargé depuis Analog Filter Wizard.
Figure 7 : banc d’essai d’analyse CA LTSpice
La figure 8 montre la réponse en fréquence du filtre générée par l’analyse CA. Cette réponse est très proche de celle obtenue lors de la spécification des performances du filtre dans Analog Filter Wizard (figure 2).
Figure 8 : réponse en fréquence du filtre passe-bande
Conclusion
L’objectif de cette série de quatre articles est d’attirer davantage l’attention sur le manque d’ingénieurs en électronique ayant des compétences en conception analogique. Nous avons passé en revue les bases de la conception de filtres analogiques et les outils utilisés par les ingénieurs en électronique pour réaliser leur travail. Loin d’être un principe de conception reposant sur la vision subjective de l’ingénieur seul, la conception de circuits analogiques a évolué pour devenir une méthodologie hautement structurée. Elle s’est par ailleurs grandement simplifiée grâce à la mise sur le marché d’outils matériels et logiciels sophistiqués capables d’automatiser les tâches qui nécessitaient autrefois d’effectuer des calculs manuels fastidieux.
Espérons que ceci incitera les jeunes ingénieurs qui nous liront à voir la conception de circuits analogiques sous un nouveau jour et à considérer cette spécialité comme un ensemble de compétences très apprécié et une option de carrière enrichissante.
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