Produits de suppression du bruit / Filtres de suppression des interférences électromagnétiques (EMI) / Dispositifs de protection contre les décharges électrostatiques (ESD)
Guide des filtres anti-bruit
Les bases de la lutte contre le bruit [Leçon 4] Perles de ferrite en puce
Dans cette partie et les suivantes, nous aborderons les composants courants utilisés pour la suppression du bruit. Le premier de ces composants est la perle de ferrite en puce. Il s'agit d'inductances à perles de ferrite fabriquées sous forme de puces permettant un montage en surface (SMD).
<Une perle de ferrite est une perle en ferrite traversée par un fil.>
La figure 1 présente un exemple de forme d'inductance à perle de ferrite à broche. Sa structure est simple : une broche traverse la perle constituée de ferrite. Contrairement à une bobine classique, cette inductance ne comporte pas de fil enroulé autour d’elle, mais lorsqu’un courant circule dans sa borne, un flux magnétique est généré à l’intérieur de la perle de ferrite. La perle de ferrite fait ainsi office d’inductance. Par ailleurs, la ferrite utilisée ici est composée de matériaux présentant des pertes élevées aux hautes fréquences ; ainsi, dans la gamme des hautes fréquences, l’énergie du courant est dissipée sous forme de pertes dans la ferrite, ce qui permet d’absorber efficacement le bruit.
<Les perles de ferrite en puce sont constituées d'une structure d'inductance en couches.>
Les perles de ferrite en puce sont obtenues en transformant ces inductances à perles de ferrite en puces ; la figure 2 illustre leur structure type. Des motifs de bobines sont formés entre les couches des feuilles de ferrite brute, et un processus d'intégration et de cuisson permet d'obtenir une structure de bobine tridimensionnelle.
En fabriquant les inductances à perle de ferrite sous forme de puces et en y intégrant une structure en bobine, il est possible d’obtenir une impédance plus élevée que celle des inductances à perle de ferrite de type à broches, dans lesquelles la broche traverse simplement la perle. (En réalité, certaines puces à perle de ferrite ne comportent qu’une broche traversant la perle.) Cette structure est fondamentalement identique à celle d’une inductance à puce multicouche, mais la différence par rapport à une inductance réside dans le fait que le matériau ferrite utilisé est mieux adapté à la suppression du bruit.
La figure 3 présente un exemple de courbe de réponse en fréquence de l'impédance d'une perle de ferrite en puce. Le principe de base est le suivant : l'impédance augmente proportionnellement à la fréquence, comme c'est le cas pour les inductances ; ainsi, en connectant ces perles en série dans un circuit, elles agissent comme un filtre passe-bas. Avec les inductances classiques, la composante réactive (X) est la principale caractéristique parmi les valeurs d’impédance (Z). En revanche, comme les perles de ferrite en puce utilisent des matériaux ferritiques présentant des pertes élevées aux hautes fréquences, la composante résistive (R) est la principale caractéristique dans la gamme des hautes fréquences. La composante de réactance n’entraîne pas de pertes, contrairement à la composante de résistance. Cela signifie que, par rapport aux inductances classiques, les perles de ferrite en puce présentent de meilleures propriétés d’absorption de l’énergie du bruit, offrant ainsi un effet de suppression du bruit plus important.
<La courbe d'impédance peut être choisie en fonction de l'application prévue.>
Les perles de ferrite en puce sont généralement normalisées en fonction de leur impédance à une fréquence de 100 MHz. Cependant, il existe de nombreux types de produits présentant la même valeur d'impédance. Cela permet de choisir la pente de la courbe d'impédance.
La figure 4 présente un exemple de variations de courbe. Les modèles BLM18AG601SN1 et BLM18BD601SN1 sont tous deux des perles de ferrite en puce présentant une impédance de 600 Ω à 100 MHz, mais la figure 4 montre que le BLM18BD601SN1 présente une courbe d'impédance plus marquée, tandis que celle du BLM18AG601SN1 s'élève plus en pente douce.
Avec le type dont la courbe d'impédance augmente en pente douce, l'impédance commence à augmenter à une fréquence plus basse, ce qui permet de supprimer le bruit sur une large bande de fréquences, allant des très basses fréquences aux hautes fréquences. Cependant, si la fréquence du signal est relativement élevée, celle-ci peut également être atténuée. En revanche, avec le type dont la courbe d’impédance augmente fortement, l’impédance n’augmente que dans la gamme des hautes fréquences ; ainsi, même si l’on utilise des signaux à fréquence relativement élevée, le bruit peut être supprimé sans affecter les signaux. C’est pourquoi il est important de tenir compte de la fréquence du signal et de celle du bruit à supprimer lors du choix des perles de ferrite en puce.
<L'impédance aux hautes fréquences est améliorée grâce à une modification de la structure interne.>
La figure 3 présentait les caractéristiques d'impédance en fonction de la fréquence des perles de ferrite en puce ; cette figure montre que la plage de fréquences comprise entre 400 et 500 MHz constitue une limite à partir de laquelle la valeur de l'impédance commence à diminuer. Ce phénomène est dû aux effets liés à la structure des perles de ferrite en puce. En règle générale, l’impédance d’une inductance continue d’augmenter à mesure que la fréquence s’élève. Cependant, les perles de ferrite en puce classiques comportent des zones à l’intérieur desquelles le début de l’enroulement (entrée) est proche de la fin de l’enroulement (sortie), comme le montre la figure 5. Dans une telle zone, un couplage électrostatique (état dans lequel des condensateurs extrêmement petits semblent être présents) se produit, de sorte que le courant à haute fréquence la traverse, et l’impédance de l’inductance a moins d’effet. Dans les zones de couplage électrostatique, le courant a tendance à circuler plus facilement à mesure que la fréquence augmente ; ainsi, plus la fréquence est élevée, plus l’impédance apparente diminue.
Pour résoudre ce problème, il faut modifier la structure dans laquelle le début et la fin de l'enroulement sont très proches l'un de l'autre. La figure 6 montre un exemple de perle de ferrite en puce dont la structure interne a été modifiée afin d'améliorer les caractéristiques haute fréquence. Alors que, dans les perles de ferrite en puce classiques, l'axe du motif d'enroulement est perpendiculaire (ce qu'on appelle un « enroulement vertical »), l'axe du motif d'enroulement des perles de ferrite en puce présentant des caractéristiques haute fréquence améliorées est horizontal. Par conséquent, en créant une certaine distance entre le début et la fin de l’enroulement, la fréquence à partir de laquelle l’impédance commence à diminuer est considérablement augmentée.
Les perles de ferrite en puce se déclinent en de nombreuses autres variantes — certaines supportent des courants élevés, d'autres sont de taille compacte, par exemple — et cette diversité permet aux utilisateurs de choisir celles qui conviennent le mieux aux applications envisagées.
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