Améliorer les performances lors de tests avec des sources de signaux à faible coût en utilisant des filtres en ligne

Vous avez besoin d'une onde sinusoïdale pure pour un test, mais vous ne disposez que d'un générateur de fonctions arbitraires avec un niveau élevé d'harmoniques ? Peut-être mélangez-vous les sorties de deux générateurs de signaux et devez sélectionner la composante de la bande latérale supérieure à la sortie du mélangeur. Comment faire ? La solution consiste à utiliser des filtres RF en ligne, tels que le modèle CLPFL-0200 de Crystek Corporation (Figure 1, à gauche) avec un connecteur SMA et le modèle CLPFL-0021-BNC (Figure 1, à droite) avec un connecteur BNC.

Figure 1 : Les filtres coaxiaux en ligne, tels que le CLPFL-0200 avec un connecteur SMA (à gauche) ou le CLPFL-0021 avec un connecteur BNC (à droite), permettent de réduire les harmoniques de signal et le bruit sur les sources de signal. (Source de l'image : Crystek Corporation)

Les filtres RF nettoient les signaux en atténuant de manière sélective les fréquences indésirables tout en laissant passer les composantes de fréquence souhaitées. Les filtres en ligne, destinés à être utilisés avec des lignes coaxiales, sont conçus avec une impédance nominale de 50 ohms (Ω). Ces filtres réduisent le bruit en réduisant la bande passante du signal. Ils contrôlent également le spectre du signal afin de réduire les harmoniques, les images et les signaux d'interférence.

Types de filtres

Il existe plusieurs types de configurations de filtres en ligne, notamment passe-bas, passe-haut et passe-bande (Figure 2).

Figure 2 : Ci-dessous sont représentées les réponses en fréquence des filtres passe-bas, passe-haut et passe-bande. (Source de l'image : Art Pini)

Les filtres passe-bas laissent passer les fréquences inférieures à un seuil de coupure fixe et peuvent éliminer les harmoniques d'un signal dont le seuil de coupure est défini juste au-dessus de la fréquence fondamentale. Les filtres passe-haut laissent passer les fréquences supérieures à un seuil de coupure fixe et peuvent éliminer un signal d'interférence dont le seuil de coupure est défini au-dessus de la fréquence de la ligne d'alimentation. Les filtres passe-bande atténuent les signaux indésirables en faisant passer les fréquences dans une bande souhaitée et peuvent être utilisés comme moyens de présélection d'un circuit d'entrée RF. La région où le signal est transmis avec peu de perte est appelée bande passante, tandis que la région où le signal est fortement atténué constitue la bande d'arrêt. La ou les régions situées entre la bande passante et la bande d'arrêt correspondent à la ou aux régions de transition.

Sélectionner le filtre approprié

Les filtres sont conçus pour répondre à des caractéristiques de réponse en fréquence spécifiques. Il s'agit notamment de la netteté de la transition entre la bande passante et la bande d'arrêt, de la planéité de la bande passante et de la bande d'arrêt, et de la réponse en phase en fonction de la fréquence. Il existe plusieurs conceptions classiques, présentées dans la Figure 3.

Figure 3 : La réponse en fréquence de plusieurs types de filtres classiques montre les différences dans les caractéristiques d'atténuation et de planéité. (Source de l'image : Art Pini)

Le filtre de Butterworth se caractérise par une réponse plate dans la bande passante et une valeur d'atténuation modérée. Le filtre de Bessel présente la réponse de phase la plus linéaire mais la transition d'atténuation la plus lente ; il est généralement utilisé lorsqu'une forme d'onde d'impulsion à bande limitée doit être transmise avec un minimum de distorsion. Le filtre de Chebyshev affiche une transition d'atténuation rapide mais présente une ondulation dans la bande passante. Le filtre de Chebyshev inverse se distingue par une réponse plate dans la bande passante et une transition d'atténuation rapide, mais il présente une ondulation dans la bande d'arrêt. Le filtre de Butterworth et le filtre de Chebyshev figurent parmi les filtres en ligne les plus utilisés.

Les caractéristiques d'atténuation de tout type de filtre sont affectées par l'ordre de ce dernier. L'ordre dépend de la fonction de transfert du filtre et indique le nombre de pôles dans la conception. En général, plus l'ordre du filtre est élevé, plus la transition d'atténuation est rapide (Figure 4).

Figure 4 : Comparaison de la réponse d'un filtre passe-bas de Butterworth pour un filtre d'ordre 5 à 9. Plus l'ordre du filtre est élevé, plus l'atténuation est rapide dans la région de transition. (Source de l'image : Art Pini)

Le CLPFL-0200 de Crystek est un filtre passe-bas Butterworth de 7^e ordre avec une bande passante de CC à 200 mégahertz (MHz) et une perte d'insertion de 2,2 décibels (dB) à une fréquence de 210 MHz. Ce filtre pourrait être utilisé pour nettoyer la sortie d'un générateur de signaux lors d'une mesure du nombre de bits effectif (ENOB) sur un convertisseur analogique-numérique (CAN) de 8 bits (Figure 5).

Figure 5 : On voit ici le résultat de l'utilisation d'un filtre passe-bas de 200 MHz pour éliminer les harmoniques et le bruit d'un générateur de signaux. Le signal filtré (trace inférieure) présente des niveaux de bruit et d'harmoniques considérablement réduits. (Source de l'image : Art Pini)

L'observation de la trace supérieure montre le spectre de sortie du générateur de signaux avec une deuxième harmonique à seulement 22 dB en dessous de la fréquence fondamentale. Avec le filtre (trace inférieure), la deuxième harmonique est abaissée de plus de 70 dB par rapport à la fréquence fondamentale et les autres harmoniques sont réduites en dessous du bruit de fond. Notez également que le bruit de fond au-dessus de la fréquence de coupure du filtre est réduit de plus de 40 dB.

Les filtres passe-haut éliminent les signaux d'interférence dont la fréquence est inférieure à celle du signal désiré (Figure 6).

Figure 6 : Un filtre passe-haut est utilisé pour éliminer un signal d'interférence de 13 MHz du signal souhaité de 30 MHz (trace supérieure). Le signal filtré est représenté dans la trace inférieure. (Source de l'image : Art Pini)

Dans la Figure 6, un filtre passe-haut atténue un signal d'interférence de 13 MHz et laisse passer le signal d'intérêt de 30 MHz. L'effet du signal d'interférence est visible dans le domaine temporel (en haut à gauche) sous la forme d'une variation d'amplitude des pics du signal. Le signal filtré (en bas à gauche) présente des amplitudes de pics plates.

Un filtre tel que le CHPFL-0025-BNC de Crystek, un filtre passe-haut de Chebyshev de 25 MHz du 7^e ordre avec des connecteurs BNC, pourrait atténuer le signal d'interférence.

Les filtres de Crystek sont proposés dans des configurations allant jusqu'au 9^e ordre. Par exemple, le CLPFL-0021-BNC mentionné précédemment est un filtre passe-bas de 9^e ordre à réponse de Chebyshev de 21 MHz. Il offre une région de transition qui atténue les fréquences à environ 55 dB par octave.

Les filtres passe-bande nécessitent généralement davantage de composants que les filtres passe-bas ou passe-haut, qui prennent de la place et alourdissent la nomenclature. Crystek répond à cette problématique en utilisant la technologie des ondes acoustiques de surface (SAW) pour permettre d'intégrer ses filtres passe-bande dans le même boîtier que les filtres passe-bas ou passe-haut. Le CBPFS-0915 de Crystek est un exemple de filtre passe-bande SAW avec des connecteurs SMA et une bande passante de 26 MHz centrée sur 915 MHz.

Conclusion

Les filtres RF en ligne améliorent les performances lors de tests en éliminant les harmoniques, le bruit et les interférences provenant des sources de signaux. Des sociétés comme Crystek proposent une large gamme de filtres en ligne afin de répondre à vos besoins en matière de mise en forme des signaux.