Schéma Filtre actif audio 3 voies

Cet article présente un schéma de filtre actif audio à 3 voies avec fréquences de coupure ajustables ainsi que les détails de conceptions et les calculs qui justifient chaque composant. Ce filtre actif n’utilise que des composants ultra standard simples à trouver (amplis op, résistances, condensateurs et potentiomètres). On pourra utiliser ce filtre actif en hifi ou en sono pour des systèmes avec subwoofer, médiums ou bas médiums et aigus (satellites). Un autre article décrit une réalisation faite de ce filtre actif à 3 voies.

Voici le fonctionnement de ce filtre actif.

Spécifications du filtre actif 3 voies

Expliquons le principe de fonctionnement de ce filtre actif à 3 voies indépendantes.

But du filtre actif 3 voies

Le but de ce filtre est de convertir un signal audio stéréo (gauche et droite) en :

– basses pour caisson de grave (mono). Fréquence ajustable de 50 à 300Hz. Coupe bas de 20Hz à 100Hz.

– médium pour caissons de bas médium (mono) : Fréquence basse : 60Hz à 350Hz. Fréquence haute : 150 à 1000Hz

– aigus pour satellites stéréo : fréquence ajustable de 100Hz à 7000Hz.

On peut présenter cela sous forme de synoptique.

Synoptique du filtre actif audio à 3 voies

Le synoptique ci dessous récapitule les fonctions du filtre actif avec les valeur de potentiomètres ainsi que les voies basses et médiums doublées (pour régler deux subwoofers indépendants et deux médiums indépendants).

Filtre actif audio à 3 voies : le synoptique

D’un point de vue réglages des fréquences :

Réglages des fréquences du filtre actif

Réglage indépendant des fréquences de chaque voie

Le réglage des fréquences de coupure basse et haute est indépendant pour chacune des voies. On peut ainsi librement faire un recouvrement de plages de fréquence entre basses et médium ou au contraire, faire qu’aucune voie ne restitue ces fréquences. Ceci peut être intéressant pour réaliser une sorte d’égalisation où une bande de fréquence est atténuée. Imaginons que le 150Hz soit reproduit beaucoup trop fort, si par exemple une résonance de la salle a lieu autour de cette fréquence. On peut par exemple régler le filtre de cette façon :

basses : 40 à 120Hzmédium : 180Hz à 1000Hz

La bande 120Hz – 180Hz n’étant pas représentée, elle ne sortira qu’atténuée par la voie de grave (jusqu’à 120Hz) et par la voie de médium (à partir de 180Hz).

Les potentiomètres ne représentent donc pas la fréquence de transition entre deux voies. Un schéma où c’est ainsi est également présenté sur Astuces Pratiques (filtre actif pour sono à 4 voies).

Schéma du filtre actif 3 voies

Voici sans plus attendre le schéma du filtre actif à 3 voies :

Schéma du filtre actif audio 3 voies : basses (subwoofer), médiums et aigus

Chaque encadré représente une fonction de filtrage actif (expliquée ci dessous).

Fonctionnement du filtre actif audio à 3 voies

Expliquons maintenant chaque fonction du filtre actif.

Etages d’entrée du filtre actif (encadré rouge)

Les étages d’entrée sont là pour protéger la suite du montage de tensions d’entrée excessive, c’est-à-dire supérieures à la tension d’alimentation des amplis op. C1 bloque les éventuelles composantes continues du signal d’entrée et forme un filtre passe haut (avec R1 et R2 en série = 51.7kOhms) de fréquence de coupure 14Hz. C1 doit supporter les éventuelles hautes tensions présentes malencontreusement, c’est pourquoi sa tension est choisie égale à 100V. C2 filtre les fréquences élevées que les câbles pourraient capter et forme un filtre passe bas (avec R1 et R2 vues en parallèle) de fréquence de coupure 80kHz environ. Cela a l’avantage de ne pas atténuer sensiblement le 20kHz à reproduire pour les satellites.

La protection contre les surtensions d’entrée est assurée par les diodes D1 et D2 qui sont reliées aux alimentations positive et négative des ampli op. Ces diodes assurent que la tension présente sur l’entrée + des amplis op ne dépasse que de 0.6V environ les tensions d’alimentation. Pour une tension de +/-12V, la tension d’entrée ne pourra excéder +12.6V et -12.6V environ. Ce type de montage est souvent pratiqué dans les amplis de guitare (si par exemple, on branche un jack issu de la sortie d’un ampli avec un signal qui peut atteindre quelques dizaines de Volts).

L’étage d’entrée permet aussi de présenter une impédance d’entrée de 51.7kOhms environ, ce qui est suffisant, et d’offrir à la suite du filtre actif une impédance de sortie faible et donc un signal garanti, quelle que soit la position de P1.

L’étage d’entrée est facultatif, mais vivement conseillé et finalement ne coûte pas grand chose au montage. U1a et U1b constituent un ampli op double, comme un TL072, un TL082 ou un NE5532 (ou tout autre ampli op double de votre choix, ils sont broche à broche compatibles).

Etage mono du filtre actif (encadré orange)

Pour les graves et les médiums, on choisit un signal mono. En effet, la stéréo du signal (la différence entre gauche et droite) se situe souvent dans les médiums et les aigus, mais rarement dans les graves. Pour ne pas prélever que le canal gauche ou que le canal droit, on fait la moyenne pour créer un signal mono.

La moyenne entre deux signaux vaut : (gauche + droite)/2. On réalise cette opération en mettant deux résistances identiques en série (R5 et R6) et en prélevant le signal sur le point milieu des résistances. De façon générale, le principe de cela repose sur le théorème de Millman qui donne le potentiel d’un noeud en fonction des potentiels reliés à ce noeud par leurs impédances respectives. Ici, il s’agit de deux résistances choisies identiques, donc le signal gauche et le signal droit ont la même influence sur le point milieu.

Le suiveur U2b permet de redonner une impédance de sortie faible à ce signal mono pour « attaquer » les encadrés vert clair et rose.

Passe bande pour voie médium (encadrés vert clair et vert sombre)

Le filtre passe bande pour la voie médium est formé d’un filtre passe haut à fréquence réglable (encadré vert clair) suivi d’un filtre passe bas à fréquence réglable (encadré vert sombre).

Ces deux filtres sont basés sur un ampli op monté dans une structure de Sallen-Key où la fréquence est ajustée par un potentiomètre double (il n’existe pas de condensateurs variables à la façon des potentiomètres dans des valeurs de l’ordre de 10 à 100nF !). C’est pourquoi on fait varier les résistances du schéma plutôt que les condensateurs. Le filtrage est d’ordre 2 (12dB / octave ou 40dB / décade).

La valeur de R7 est choisie plus faible que R8 pour avoir une réponse en fréquence moins arrondie autour de la fréquence de coupure (mathématiquement parlant, le facteur d’amortissement est inférieur à 1). La fréquence de coupure est la plus faible quand le potentiomètre présente sa plus grande valeur (2x100kOhms environ). Elle est la plus élevée lorsque le potentiomètre forme un court-circuit (en butée de l’autre côté).

Le filtre passe haut est suivi par un filtre passe bas (encadré vert sombre). Il s’agit aussi d’un ampli op (U4a) dans une structure de Sallen-Key. R9 et R10 assurent une valeur minimum à la résistance du montage lorsque le P3 est en butée et vaut zéro. R9 et R10 sont parfois appelées « résitances talon ». Le rapport entre C7 et C6 définit le facteur d’amortissement (constant pour toute valeur prise par le potentiomètre double P3) qui est égal à la racine carrée de C7/C6.

La résistance R11 est là pour éviter à l’ampli op U4a de voir une trop grande capacité parasite à sa sortie (si par exemple, cette sortie « Médium » est connectée à un long câble de signal qui peut présenter plusieurs nanofarads entre le signal et la masse. Cette charge capacitive est alors excessive pour l’ampli op. Le risque est alors que l’ampli op devienne instable et se mette à générer des signaux à haute fréquences (oscillations dues à l’instabilité). Ce phénomène est toujours à éviter parce qu’il peut être dangereux pour l’ampli de puissance et les haut-parleurs (en particulier les aigus). Même si on ne l’entend pas, un signal à 50 ou 100kHz peut détruire un tweeter. Si R11 est choisie trop grande, des parasites (ronflette en particulier) pourront plus facilement s’ajouter sur le signal dont l’impédance de sortie sera plus élevée, le rendant ainsi plus vulnérable aux parasites. L’ordre de grandeur optimal se situe autour de 100 Ohms, mais 47 Ohms ou 220 Ohms conviendront aussi.

Les plages de réglages des deux fréquences (basse et haute) se recouvrent. Il se peut ainsi qu’aucun signal ne passe dans le filtre passe bande. Ce n’est évidemment pas le but ! L’avantage de ces réglages est d’avoir une large plage et une grande liberté pour régler le son de la sono, on pourra par exemple utiliser les caissons de médium sur des plages comme 80Hz – 200Hz ou encore 250Hz – 1000Hz. C’est une voie polyvalente qui sera pratique pour les amateurs de réglages !

Passe bas pour le grave (encadrés rose et violet)

L’encadré rose correspond à un filtre passe haut du même type, basé sur la structure de Sallen-Key où l’ampli op U2a joue le rôle principal. Les valeurs des composants sont différentes pour avoir une plage de réglage autour de 20Hz à 100Hz. Le but de ce filtre (passe haut, ou « low cut ») est d’éliminer les trop basses fréquences que les caissons ne pourraient pas reproduire correctement. Il est inutile de demander de reproduire du 30Hz à un caisson dont la bande passante ne débute qu’à 45Hz ! Si ces fréquences vont au caisson, cela entraîne des Watts inutiles pour l’ampli et un mouvement inutile et même une excursion mécanique trop grande pour la membrane du haut-parleur de grave. Il est donc pertinent de se concentrer sur les fréquences à reproduire correctement. On ajustera donc ce filtre passe haut à la fréquence la plus basse que le caisson peut reproduire.

Si la sono utilise des micros (sur scène par exemple), ce filtre est utile pour agir contre le « rumble » et autres bruits générant des fréquences graves jamais désirées (plosives dans la parole, bruit du vent, chocs du micro, micro tombant à terre, etc). Certaines consoles de mixage intègrent d’ailleurs cette fonction « low cut » pour chaque tranche. La fréquence de coupure est souvent de 80Hz.

Le filtre passe bas (encadré violet) est la fonction principale pour créer la voie de grave. Il est identique au filtre passe bas pour les médiums, à la seule différence des valeurs des condensateurs C10 et C11 qui fixent la plage de fréquence de 50 à 300Hz.

La résistance de 100 Ohms protège l’ampli op U5a contre une éventuelle charge capacitive trop grande (long câble branché).

Passe haut stéréo (encadré bleu)

Le filtre passe haut doit être stéréo pour n’avoir qu’un seul réglage de fréquence (un seul bouton en face avant) pour les deux canaux. Le filtre passe haut est ici très rudimentaire et se base sur un simple filtre RC du premier ordre, suivi d’un ampli op suiveur. Avec un potentiomètre double, on ne dispose que d’une seule résistance variable par voie. Si on souhaite réaliser un filtre d’ordre 2 pour chaque voie (gauche et droite), il aurait fallu un potentiomètre quadruple… impossible à trouver.

C’est en fait la partie du schéma la plus modestement conçue mais il n’était pas possible de réaliser cette fonction autrement avec un potentiomètre double.

Le réglage souhaité ici se veut très large, de 100Hz à 7kHz environ. Ceci est réalisable avec les valeurs de C3 et R3. R3 assure une impédance d’entrée minimum, ainsi U1a ne voit pas sa sortie chargée par une impédance trop faible. Deux des bornes de P1 sont reliées à la masse et on peut ainsi connecter le potentiomètre P1 au circuit imprimé par un câble blindé qui contient deux conducteurs (câble audio stéréo standard).

Les ampli op suiveurs U3a et U3b sont là pour assurer une impédance de sortie faible. R4 protège l’ampli op U3a contre une charge capacitive excessive (long câble connecté).

Etalonnage de la face avant du filtre

Pour réaliser une face avant indiquant les fréquences de coupure en fonction de la position (angulaire) du potentiomètre, on mesure la résistance à différents angles et on détermine la fréquence de coupure correspondante (simulation LTSpice IV du schéma du filtre). On obtient ainsi (cela dépend un peu des potentiomètres : selon le fabricant, la résistance en fonction de la position angulaire n’est pas rigoureusement identique). Selon le branchement du potentiomètre, on peut obtenir la fréquence la plus basse à gauche ou à droite.

On peut par exemple trouver pour un potentiomètre 10kOhms (lecture à l’ohmmètre sur une voie du potentiomètre, l’autre étant proche), en fonction de l’angle :

Pour les positions qui correspondent en face avant à 7h (butée) – 9h – 10h30 – 12h – 13h30 – 15h – 17h (butée) :

9.1k – 8.5k – 6.6k – 4.5k – 2.5k – 500 Ohms – 0 Ohms

Ici, on choisit la valeur nulle à droite sur la face avant (comme un bouton de volume d’ampli à volume max), ce qui détermine quelles broches sont connectées. On obtient ainsi cette face avant, avec une variante ici où certaines voies du filtre ont été doublées pour connecter un système acoustique plus complexe et plus varié.

Face avant du filtre 3 voies pour une sono plus élaborée

Cette image pourra être collée sur la face avant du filtre actif et les potentiomètres devront sortir par les trous qu’il faudra percer au préalable.

Choix et alimentation des ampli op

Tous les ampli op doivent être alimentés avec une tension symétrique allant de +/-8V à +/-15V. Pour la simplicité et le coût, on a choisi l’ampli op classique double : le TL072. Une bonne régulation de la tension est nécessaire, surtout sur l’alimentation négative. En effet, le TL072 rejette moins bien les variations de la tension négative que celles de la tension positive. En des mots techniques, la réjection de l’alimentation (power supply rejection ratio) est moins bonne pour l’alimentation négative. Cette donnée ne figure pas dans la documentation du fabricant qui ne donne qu’une seule valeur.

La consommation est de l’ordre de 20mA sur les alimentations. Des condensateurs de 100nF doivent être montés au plus près de chaque alimentation d’ampli op pour garantir une réserve d’énergie locale.

On peut aussi choisir des ampli op TL082 ou des RC4558 sans problème.

Mot de la fin

Ce schéma de filtre actif est composé de différents éléments indépendants entre eux. Il s’agit d’un assemblage de filtre passe bas ou passe haut d’ordre 2 en structure de Sallen-Key ainsi que des filtres d’ordre 1 pour la voie stéréo. L’avantage de ce filtre est d’être simple et de n’utiliser aucun composant spécifique. La réalisation est aussi présentée sur Astuces Pratiques :

Réalisation filtre actif 3 voies dans un rack 1U