Schéma filtre actif ordre 10 avec MAX7400 pour subwoofer

nina67

Nina67 - Le 27 oct. 2017 11:16

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Le MAX7400 peut être facilement adapté pour un caisson de basses et offre une atténuation exceptionnelle grâce à son ordre très élevé de filtre. En ajoutant un petit ampli op en étage de sortie, on peut encore ajouter filtre passe bas qui ne coûte rien, ce qui permet d'obtenir un filtre d'ordre 10 dont on pourra régler la fréquence de coupure. C'est d'ailleurs tout l'intérêt d'un tel filtre : ajuster la fréquence de coupure de, par exemple, 40 Hz à 200Hz. Le montage est présenté dans cet article et est orienté pour l'audio : filtrage actif pour caisson de grave (subwoofer), autant en hifi home cinéma qu'en sono.

Dans cet article, le filtre actif basé sur le MAX7400 est présenté sous l'angle de la conception. Un autre article présente une réalisation pratique de ce filtre dans un petit boitier.

Le MAX7400 : un filtre passe bas particulier

Le MAX7400 (de Maxim Integrated) est un composant spécifique : c'est un filtre d'ordre 8 de type elliptique dont la fréquence de coupure est toujours 100 fois inférieure à la fréquence d'horloge. En ajustant la fréquence d'horloge, on ajuste la fréquence de coupure du filtre. Le rapport 100 permet de filtrer facilement la fréquence d'horloge résiduelle présente dans le signal de sortie. Par exemple, si on souhaite une fréquence de coupure à 70Hz pour son caisson de grave, il faut une fréquence d'horloge à 7kHz (=100x70Hz). Le 7kHz résiduel peut se filtrer facilement du signal audio utile (0 - 70Hz). Voici le schéma du filtre actif dans sa globalité : MAX7400, étage d'entrée et filtre de sortie :

filtre actif schéma caisson grave

Schéma du filtre actif à base de MAX7400 pour caisson de basse subwoofer

Ce schéma présente plusieurs parties. Chacune est expliquée ci dessous.

Schéma : un filtre passe bas réalisé autour du MAX7400

Le filtrage d'entrée

Le MAX7400 a besoin d'une tension centrée autour de 2.5V (la moitié de sa tension d'alimentation). Il faut donc décaler le signal d'entrée. La tension 2.5V (point milieu) est crée par R4, R5 et C3. C1 bloque la composante continue et forme un filtre passe haut avec R3 de fréquence de coupure 15Hz environ. R2 et C2 forment un filtre passe bas qui atténue les fréquences supérieures à 15kHz (parasites haute fréquence, etc). On aurait même pu imaginer de supprimer toutes les fréquences supérieures à 500Hz ou 1kHz vu qu'elles seront filtrées par le MAX7400. R1 sert à fixer le potentiel du connecteur d'entrée à 0V. Si on ne monte pas R1, il va se produire une charge brutale de C1 à travers l'appareil audio que vous brancherez et cela fera un gros "ploc" dans le signal. C'est dangereux pour les haut-parleurs (caisson de basse). On peut choisir n'importe quelle valeur pour R1 (10k - 1 Megohm).

L'impédance d'entrée du montage est égale à R3//R1.

Cet étage d'entrée est complètement passif et ne repose que sur résistances et condensateurs. C'est simple, efficace et pas cher.

Le MAX7400 : un filtre elliptique d'ordre 8

Le MAX7400 est le coeur du montage. Il agit comme un filtre d'ordre 8 de type elliptique, basé sur des capacités commutées (switched capacitor filter). Au contraire des filtres de Butterworth, les filtres elliptiques présentent une légère ondulation dans leur bande passante. Ici, le MAX7400 a une ondulation garantie inférieure à 0.2dB. C'est inaudible. Le fabricant garantit aussi au minimum 75dB d'atténuation à seulement 1.5 fois la fréquence de coupure. La pente d'atténuation est incroyablement raide ! Voici, à titre de comparaison l’atténuation apportée par le MAX7400 comparée à un filtre d'ordre 2 de Butterworth. Les deux filtres ont une fréquence de coupure de 100Hz :

réponse en fréquence filtre elliptique

Atténuations des filtres passe bas du MAX7400 (ordre 8) et de Butterworht (ordre 2)

Le filtre de Butterworth d'ordre 2 présente une atténuation de -12dB par octave (ou -40dB par décade). On retrouve bien que pour une fréquence de 1kHz (une décade après la fréquence de coupure), on est à -40dB environ pour le filtre de Butterworth. C'est déjà un bon filtre passe bas... mais ce n'est rien vis à vis du MAX7400 et son ordre 8 elliptique !

Sur une plus large plage de fréquence, la réponse en fréquence du MAX7400 est présentée ci dessous (donnée Maxim Integrated) :

reponse frequence filtre butterworth elliptique

Réponse en fréquence du filtre MAX7400 : un grave prometteur pour les subwoofers !

On voit l'ondulation dans la bande atténuée (+/-0.25dB max), ceci est caractéristique des filtres elliptiques. En pratique, c'est inaudible et il n'y a pas d'aigus audibles dans le caisson de grave. Le coefficient r (ici r=1.5) donne le rapport entre fréquence du début de la bande atténuée et fréquence de coupure)

Le brochage du MAX7400 est présenté ci dessous :

filtre max7400 max7400cpa

Brochage du MAX7400

La broche /SHDN est reliée au +5V pour assurer le fonctionnement du MAX7400 (fonction Shutdown désactivée, donc fonctionnement du MAX7400).

L'alimentation du MAX7400 se fait par du +5V et peut se faire par un régulateur 7805 (simple, un seul composant, pas cher).

OS et COM sont reliés ensemble et sont reliés vers la masse via un condensateur de 100nF (d'après datasheet).

La broche CLK est l'entrée du signal d'horloge. La fréquence de coupure du MAX7400 vaut 1% de la fréquence d'horloge. C'est en ajustant la fréquence d'horloge qu'on ajuste la fréquence de coupure.

Le filtre passe bas d'ordre 3

La sortie du MAX7400 ne peut pas attaquer une impédance inférieure à 10kOhms. La sortie est centrée autour de 2.5V. Cette composante continue est supprimée par C4 et R8. C4 peut tout à fait être un condensateur céramique ou plastique. L'indication du + n'est utile que si on utilise un condensateur chimique polarisé. L'ampli op U1a forme un filtre passe bas d'ordre 2 avec R6, R7, C6 et C7 en structure de Sallen-Kay. L'amortissement du montage est d'environ 0.5 : cette valeur est choisie pour garantir un filtre de Butterworth avec l'étage suivant (R9, C8). La fonction de transfert global est simplement le produit des deux fonctions de transfert successives. Au total, on a donc un filtre d'ordre 3 de Butterworth de fréquence de coupure de 330Hz environ. Ce filtre est utile pour rejeter complètement la fréquence d'horloge résiduelle : si on souhaite couper le caisson de basse à 40Hz, la fréquence d'horloge doit être de 4kHz et on pourrait, sans ce filtre, entendre un très léger sifflement dans le caisson.

schéma filtre actif ampli op sallen key

Réponse en fréquence du filtre d'ordre 3 (-18dB par octave)

L'ampli op U1b est un suiveur. R10 permet d'éviter à l'ampli op U2b de voir la charge capacitive liée à un câble un peu long qu'on viendrait brancher. Ceci garantit sa stabilité et ainsi l'absence d'oscillations (choisir R10 dans la gamme : 47 - 470 Ohms).

L'ampli op traite une tension centrée autour de 0V. Il doit être alimenté par une tension symétrique. Ici, on a choisi +/-12V mais toute tension entre +/-10V et +/-15V fera l'affaire. Pour l'alimentation, il faut ajouter les classiques 100nF au plus proche de l'alimentation de l'ampli op (ne figure pas sur le schéma).

L'oscillateur pour la fréquence d'horloge ajustable

L'oscillateur peut être réalisé avec un ampli op identique (type TL071 ou TL072). Il peut être alimenté par une alimentation simple (0V et +12V) grâce à R11. La fréquence d'oscillation peut varier ici de 1.8kHz à 40kHz environ en jouant sur le potentiomètre P1. R14 sert à avoir une résistance minimum. L'oscillateur permet d'ajuster la fréquence de coupure du filtre MAX7400 de 18Hz à 400Hz environ. C'est une plage bien suffisante pour un caisson de grave subwoofer.

frequence horloge coupure MAX7400

Schéma de l'oscillateur pour le MAX7400

R15 et R16 forment un pont diviseur pour que le niveau haut du signal soit de 5V. R15 doit être définie en fonction de la tension d'alimentation de l'oscillateur sachant que le niveau haut de l'ampli op (+Vsat) vaut environ son alimentation amputée de 1V.

L'oscillateur aurait aussi pu être réalisé autour d'un trigger de Schmitt alimenté en +5V.

Alimentation des composants du filtre

Pour réaliser ce filtre actif, il faut une alimentation symétrique (+/-10V à +/-15V) et une tension +5V pour alimenter le MAX7400. Le +5V peut être réalisé à partir du 12V par un petit régulateur 7805 ou LM2940-5.0. Si vous pensez utiliser un LM317, il faudra qu'il y ait au moins 10mA consommés sur sa sortie fixée à 5V, sinon sa tension de sortie dépassera franchement 5V et détruira le MAX7400. Les alimentations sont à tester si possible avant de monter le MAX7400 et les amplis op. Chaque ampli op et le MAX7400 ont besoin de leur condensateur 100nF sur leurs alimentations respectives.

Réalisation rapide du filtre actif pour subwoofer

Le schéma du filtre actif d'ordre 10 à partir du MAX7400 peut se réaliser autour d'une carte à trous et d'un petit boitier en contreplaqué. L'alimentation basse tension est fournie par un adaptateur 10V alternatifs et d'un doubleur de tension pour créer la tension symétrique (2 diodes et 2 condensateurs). Cette méthode est utilisée dans de nombreuses tables de mixage DJ et autres appareils audio.

Voici le filtre actif achevé, prêt à l'emploi :

filtre actif pour subwoofer

Filtre actif pour caisson de grave subwoofer : réglage de la fréquence de coupure

Filtre actif d'ordre 10, la conclusion

Le MAX7400 présente une atténuation exceptionnellement franche grâce à son fonctionnement et il est intéressant de l'adpater au domaine audio pour les caissons de basse et autres subwoofers. le filtre placé en sortie du MAX7400 ajoute encore 3 ordres au filtre passe bas, ce qui fait du montage un filtre passe bas d'ordre 11 ! La fréquence de coupure ajustable permettra de nombreux essais acoustiques et un rendu sonore tout à fait incroyable !

Le 25 oct. 2018 11:12


Le 25 oct. 2018 11:21

Bonjour,je n'avais pas répondu vu que j'étais un peu occupé ces derniers temps.Dans la période j'ai réfléchi et je souhaite changer de système pour un qui est plus performant et plus claire au niveau de ces specs : impossible de trouver qu'elle est l'impédance de l'ampli intégré par exemple, ni même sa puissance nominale (la seule info c'est que le Pmax ne va pas au delà 160W vu que c'est le Pmax du transformateur).
Du coup je remet à plat tout ça, mais j'aurais toujours besoin de votre montage d'ordre 10. Car si l'ampli que je vais choisir dispose de son propre filtre passe-bas, sa pente n'est que de 12dB/oct. Insuffisant, déjà qu'en réglant le crossover de mon ampli HC à 40Hz -qui lui a une pente de 24dB sur le passe-bas- je ne suis pas satisfait du résultat.
Je vais faire un résumé de mon projet voici ce que je souhaite obtenir : 
Ampli qui sera utilisé : https://www.thomann.de/fr/fischer_amps_shaker_amp_400.htm puissance :  500W @ 4ohms
Mon projet : filtre passe-bas d'ordre 10 travaillant sur une plage comprise entre 5Hz et 80Hz avec un fc su passe-bas réglable au moins à partir de 20Hz pour se donner de la marge pour les réglages.Je vais ajouter un commutateur 2 positions pour pouvoir passer au choix selon l'usage soit par le filtre ou non, donc par un simple fil.
Merci d'avance pour votre aide et vos réponses.
Cordialement.

nina67
Nina67
Le 25 oct. 2018 17:17

Bonjour très bien si vous comptez réaliser le filtre actif d'ordre 10. Pour modifier la plage de fréquences de coupure de 18 - 400 Hz à 9 - 200 Hz, vous devrez modifier C9 de 4.7nF à 10nF. Cordialement

Le 29 oct. 2018 10:21

Bonjour. Merci pour votre aide. Je changerai donc c9 à 10nF. J'aimerai aussi quelques conseil niveaux choix composants, notamment niveau condos s'il est mieux d'utiliser tel ou type de condo.Et puis pour le transfo si c'est du 12V continu qu'il faut. Cordialement.

nina67
Nina67
Le 29 oct. 2018 16:39

Bonjour, pas de précision particulière pour les condensateurs, à part ceux d'alimentation qui sont polarisés (par exemple : 1000uF 25V). L'alimentation doit fournir du +/-12V symétrique ainsi que du 5V pour le MAX7400. Pour le 5V, un régulateur 7805 peut être utilisé à partir du +12V présent sur la carte. Pour le transfo, le plus simple est d'utiliser un transfo délivrant une tension alternative de 9V et de le redresser simple alternance en mode doubleur de tension pour générer l'alimentation positive et l'alimentation négative.  https://www.astuces-pratiques.fr/electronique/alimentation-symetrique-15v-a-partir-d-alimentation-simple

Le 30 oct. 2018 08:27

Bonjour,en effet, tout bête, encore fallait-il y penser ^^. Reste juste à modifier le Umax des deux condos (des 16V fera l'affaire). Et pour le 7805, ça c'est ok je l'avais lu dans le tuto. Il ne me reste plus pour moi qu'à faire au propre tout le schéma de montage afin de ne rien oublier

nina67
Nina67
Le 1 nov. 2018 23:42

Bonsoir, n'hésitez pas à partager votre réalisation quand elle sera aboutie ! Cordialement

Le 6 nov. 2018 10:32

Bonjour. aucun problème. Cela tombe bien car je souhaite faire quelque chose de bien, c'est à dire en circuit imprimé, un boîtier. Et je souhaite même avoir recours à des composants CMS. Mais avant cela, je vais passer au plateau de test avec des composants plus basiques. Cela va me laisser le temps d'étudier de fond en comble électriquement le montage au multimètre afin de sélectionner les bon composants. Bon cela permet de m'occuper un week-end dejà ^^, mais aussi histoire de m'assurer de ne pas à devoir dépanner ma carte à peine terminée et utilisée car j'ai un des composants sous dimensionnés ou trop juste, ou bien que ma carte m'aura coûté une blinde car j'ai été trop sécure alors que j’aurais pu prendre plus petit et moins cher (ou alors avec une meilleure tolérance ou autre). bon pour la partie signal, comme on travail avec des puissances de quelques centaines de mW et de quelques V, il y a peu de risque de  mettre trop petit mais quand même...Sinon cela permettra d'arrêter mon choix concernant le max7400. En effet je suis plus tenté de prendre le 7403 à la place, qui nécessite électriquement parlant le même montage mais qui permet du -60dB à 1,2 fois fc quand le 7400 est à -80dB à 1,5 fois fc (et à -60 c'est à peu près 1,4). Pour mon application cela pourrait être plus pertinent, mais pour m'en assurer je testerai les deux.
Donc voila il y a le temps mais promis je vous mettrai au courant.
Autrement pour le transfo, j'ai trouvé une ref. en 9VAC qui délivre 300mA.https://fr.rs-online.com/web/p/products/4006557/ Ce qui ait un peu trop. Si jamais vous connaissez une autre ref plus petite, je suis preneur ^^.
cordialement

nina67
Nina67
Le 10 nov. 2018 16:28

Bonjour, excusez moi le retard de ma réponse. Concernant le MAX7403, pourquoi pas en effet. Pour le transfo, vous pouvez peut-être récupérer un adaptateur qui donne 9VAC ? Ou bien un transfo Myrra 44055 à monter soi même sur circuit imprimé ? Une tension de 6VAC nominale suffit pour obtenir +/-10V environ. Un adaptateur qui donne 9VDC ne convient pas pour l'alimentation des ampli op. Cordialement

Le 11 nov. 2018 16:50

Bonjour, Il n'y a pas de soucis concernant le transfo. J'ai bien un 9VAC en sortie, c'est que j'en cherchais un avec un ampérage moindre, histoire qu'il soit le plus petit possible et prenne moins de place dans mon installation électrique. J'ai pensé bien sur à intégrer le transfo 230/9VAC directement, mais finalement j'ai préféré opter pour de l'externe.Cordialement.

nina67
Nina67
Le 11 nov. 2018 22:43

Bonsoir, un plus petit transfo en termes de courant ne fera pas vraiment un plus petit transfo en taille vu l'encombrement lié au boitier plastique de l'adaptateur... Bonne soirée

Le 13 nov. 2018 08:12

Bonjour, après je cherchais au mieux possible mais ce n'est pas si grave. Maintenant l'important, c'est que je commence mes tests dans quelques jours, notamment pour voir lequel sera le plus adapté entre le 7400 et le 7403 pour mon projet. Je tiendrai au courant.
Cordialement.