Electronique > Réalisations > Correcteurs > Filtre BF 003

Dernière mise à jour : 19/07/2017

Présentation

Ce filtre BF est un filtre passe-bas ayant une pente d'atténuation de 12 dB / octave, et dont la fréquence de coupure peut être ajustée entre 3 KHz et plus de 20 KHz , au moyen d'un potentiomètre double (au delà de 20 KHz, il n'est évidemment plus considéré comme un filtre passe-bas, tout du moins dans le domaine de l'audible). Moyennant le changement de deux condensateurs, on peut abaisser encore plus la fréquence de coupure, de telle sorte qu'il devient possible d'utiliser ce filtre pour effectuer quelques expérimentations avec un caisson de basse amplifié. Et pour couronner le tout, il est même possible, moyennant des retouches mineures, de piloter à distance la fréquence de coupure par le biais d'une tension continue !

Schéma de base

Avant d'aborder le schéma complet, il peut être interressant de voir le schéma de principe, version "simplifiée" de ce qui sera vu par la suite. Celui qui suit, et sur lequel je me suis basé pour la réalisation de ce filtre, est extrait d'un livre de Texas Instrument, nommé "Linear and interface circuit applications". Mais ce schéma est assez typique et on le trouve dans un nombre incroyable de notes techniques ou datasheet d'AOP (je ne parle même pas d'Internet). Il n'a donc rien d'extraordinaire ;-)

filtre_bf_003z

Ce filtre est donc un filtre passe-bas dont la pente d'atténuation est de 12 dB / octave, c'est à dire qu'à partir de la fréquence de coupure, un signal de fréquence F (par exemple 18 KHz) est atténué quatre fois plus vigoureusement qu'un signal de fréquence F / 2 (9 KHz si F = 18 KHz). 12 dB correspond en effet à un rapport en tension de quatre, et un intervale de 1 octave correspond à un rapport en fréquence de deux. La formule permettant de déterminer la fréquence de coupure (fréquence à partir de laquelle le signal est atténué de 3 dB par rapport aux fréquences où le signal n'est pas touché), et la suivante :
Fc = 1 / (2 * 3.14 * C2 * R)
où R = R1 = R2 exprimés en ohms (100 KO = 100.103 ohms)
et où C2 est exprimé en Farads (100 pF = 100.10-12 Farads)
Cette formule est vraie seulement si R1 = R2, car le terme R de la formule est en fait "racine carrée de (R1 * R2)"
Avec les valeurs de composants du schéma, nous obtenons une fréquence de coupure de
Fc = 1 / (2 * 3.14 * 100.103 * 100.10-12)
Fc = 1 / (6.28 * 10-5)
Fc = 15923 Hz

La théorie c'est bien, mais la pratique...
Ca, c'est la fréquence de coupure théorique, et on peut s'attendre à trouver en pratique une valeur assez proche de cette dernière. Mais avec ce circuit, on constate une fréquence de coupure de 10 KHz et non une fréquence de coupure voisine de 16 KHz (avec les résistances de 100K et les condensateurs de 100 pF) . Il y a bien la tolérance des composants, mais cet écart a une autre cause, et on peut le constater même avec des composants de précision. En réalité, cela est tout à fait normal, et correspond à un petit inconvénient lié à la simplicité du montage, qui veut que la contre réaction soit totale (sortie de l'AOP reliée directement à son entrée inverseuse), et que la fréquence de coupure varie un peu en fonction du taux de contre-réaction. La formule théorique donnée avec le premier schéma, et que l'on peut lire partout, n'est donc pas tout à fait juste (enfin elle l'est, mais pour un point de coupure à -6 dB et non à -3 dB)... En ajoutant deux résistances comme le montre le schéma suivant, la fréquence de coupure pratique est très proche de la valeur théorique.

filtre_bf_003zb

J'ai donc retenu cette façon de faire, même si cela apporte un petit gain de quelques dB (environ 5 dB) à l'ensemble. Si cela vous gêne, vous pouvez descendre un peu la valeur de la résistance de contre-réaction qui fait le lien entre sortie de l'AOP et son entrée inverseuse (R3 sur le schéma).

Modification de la fréquence de coupure
La formule qui précède montre que la fréquence de coupure dépend principalement de la valeur des résistances et des condensateurs employés. Il n'est jamais très commode de disposer de condensateurs variables quand les valeurs sont supérieures à quelques dizaines de picofarads, mais il est en revanche fort aisé de confectionner des résistances variables avec des potentiomètres. Ici, nous devons modifier en même temps R1 et R2, puisque ces deux résistances doivent toujours avoir la même valeur. Un potentiomètre double avec axe mécanique unique est donc requis, et heureusement, ce type de composant se trouve facilement. Afin de ne pas faire descendre trop bas la valeur de R1 et R2, une résistance talon sera montée en série avec chacun des deux potentiomètres. Inutile en effet d'aller couper au-delà de 100 KHz...

Modification de la plage (Min-Max) de la fréquence de coupure
En remplaçant les deux condensateurs C1 et C2 de 100 pF par des condensateurs de 2,2 nF, vous pouvez ajuster la fréquence de coupure entre 120 Hz et 2 KHz. En augmentant encore la valeur de ces condensateur, la fréquence de coupure pourra descendre encore plus bas, mais êtes-vous sûr de bien vouloir celà ?

Schéma complet 003(a)

Le schéma qui suit est bien basé sur le schéma simplifié présenté ci-avant, même s'il est un poil plus compliqué. Il fait usage d'un double AOP de type NE5532, et vaut pour une voie BF uniquement (monophonie). Pour une application en stéréophonie, il convient de le réaliser en deux exemplaires.

filtre_bf_003a

Pourquoi deux AOP ?
On peut bien se poser la question, vu que l'avant-dernier schéma proposé semblait répondre à nos attentes... En fait, je crois bien que j'ai pris une sale manie, à savoir celle de mettre un étage tampon en entrée des filtres, afin de ne plus se poser de question concernant l'impédance de sortie de l'étage qui précède, qui si elle est trop importante, à une influence négative sur le comportement du filtre. On ajoute quelques composants certes, mais on à l'esprit tranquille. Ceci dit, rien ne vous empêche d'appliquer le signal audio à traiter directement sur le potentiomètre RV1 (en haut du pot et donc côté R4, sur le schéma), si votre source audio présente une sortie à basse impédance (inférieure à 1 KO). Bien évidement dans ce cas, tous les composants qui précèdent RV1 disparaissent. Le tampon d'entrée / adaptateur d'impédance construit autour de U1:A présente un léger gain, que vous pourrez le cas échéant ajuster, en modifiant la valeur de R4 (ou même pourquoi pas en remplaçant cette résistance par un petit potentiomètre ajustable de 220K).

Le filtre en lui-même
Si vous avez compris ce qui précède, vous devriez reconnaitre sans trop de difficulté le filtre précédement évoqué. Il s'agit bien sûr du montage construit autour de U1:B, où les deux résistances R1 et R2 sont respectivement remplacées par les couples RV1 + R5 et RV1' + R6, et où les condensateurs C1 et C2 portent les mêmes noms.

Réponse en fréquence
Comme nous l'avons vu auparavant, la réponse en fréquence dépend de la valeur des deux résistances "principales" du filtre (R1 et R2 dans le schéma de base, RV1 et RV1' dans le schéma complet), résistances qui sont maintenant dépendantes de la position des deux axes du potentiomètre double RV1 + RV1' (potentiomètre linéaire de 2 x 470K). Pour un fonctionnement correct du filtre, le cablage des deux potentiomètres doit être réalisé de telle sorte que les deux résistances variables évoluent dans le même sens : quand RV1 diminue, RV1' doit aussi diminuer.

Alimentation

Les AOP du filtre nécessitent ici une tension symétrique de +/-12V, que peut fournir une alimentation régulée telle que celles présentées aux pages Alimentation symétrique 001 ou Alimentation symétrique 002. Si vous disposez d'une alimentation simple et non symétrique de valeur comprise entre 15V et 24V, vous pouvez aussi vous en sortir, en intercalant un symétriseur d'alimentation entre l'alimentation et le filtre (voir exemples en pages Masse virtuelle et Alimentation symétrique 007) .

Commande par tension continue - Schéma 003b

L'idée est de remplacer les potentiomètres - élements manuels par excellence - par des élements "télécommandables". On pourrait certes imaginer un système à moteur faisant tourner l'axe des potentiomètres, comme c'est le cas du potentiomètre de volume de certains amplificateurs hifi télécommandés, et donc restant entièrement mécanique. Mais il y a plus simple. Et ce "plus simple" s'appelle "optocoupleur". Pas un optocoupleur "logique" tel que le TIL111 ou 6N137, ni un optocoupleur "analogique" spécialement fait pour l'audio, malheureusement rare et cher. Non, rien de tout cela : juste deux cellules photo-résistives classiques de type LDR03 ou LDR05, chacune mise en regard d'une led bien lumineuse. Plus les leds s'éclairent fort et plus les LDR (Light Dependant Resistor, photorésistance) sont éclairées et plus leur résistance diminue. En clair, plus les LDR sont éclairées, et plus la fréquence de coupure est basse. Le principe est posé, mais vous le savez peut-être déjà, il ne suffit pas de fournir une tension variable à une led pour en obtenir une variation progressive. Mais ce petit détail n'est pas bien difficile à contourner, il suffit d'utiliser un petit convertisseur tension / courant fort basique pour obtenir ce que l'on veut. Voici donc le schéma d'origine modifié et désormais pilotable par une tension continue comprise entre +4 V et +12 V.

filtre_bf_003b

Cette plage de tension +4 V à +12 V, issue du diviseur potentiomètrique RV1 / R10 permet de faire circuler dans les deux leds, un courant compris entre quelques microampères et environ 20 mA, ce qui est parfait pour piloter la majorité des leds normales. Si cette plage de tension ne vous convient pas, il est tout à fait possible de l'adapter à une autre, via une légère modification du convertisseur tension / courant. Faites-moi signe si un tel besoin venait à se présenter ;-)

LDR ou transistors FET ?
Il est également possible de remplacer les résistances du filtre par des transistors FET (type P), commandés par une tension continue comprise entre 0,1 V et 2 V. Mais un risque de distorsion non négligeable apparait pour des tensions de sortie supérieures à 100 mV, cas dans lequel les FET ne travailleraient plus dans leur zone linéaire. C'est pourquoi j'ai préféré utiliser des LDR et le circuit convertisseur tension / courant.

Adaptation pour filtrage basses - Shéma 003c

En modifiant légèrement le schéma, on peut utiliser ce filtre pour un usage spécial "caisson de basses".

filtre_bf_003c

Avec les valeurs indiquées, la fréquence de coupure peut être continument ajustée entre 45 Hz et 280 Hz environ. Pour un usage avec une source stéréo, il suffit de sommer les deux signaux d'entrée G et D via deux résistances, ce qui donne le schéma suivant (remplacement du connecteur d'entrée 2 points J2 par un connecteur 3 points, et ajout de R1') :

filtre_bf_003cb

Prototype

Réalisé sur plaque d'expérimentation (version avec LDR et convertisseur tension / courant pour les led).

filtre_bf_003_proto_001a

Les LDR sont montées directement au-dessus des leds, sans fixation particulière. En pratique, il convient de mettre ces deux couples de composants dans une petite enceinte hermétique à la lumière, afin d'éviter toute influence de la lumière ambiante. A moins que l'effet désirée tienne compte de ce paramètre...

Historique

23/07/2017
- Ajout schéma 003c adapté pour filtre "basses".
10/05/2008
- Première mise à disposition.