Schéma filtre actif ordre 10 avec MAX7400 pour subwoofer

nina67

Nina67 - Le 27 oct. 2017 11:16

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 !