Les filtres électroniques sont des circuits qui contrôlent les fréquences qui passent et celles qui sont bloquées, ce qui permet de garder les signaux clairs et fiables. Ils sont utilisés dans les systèmes d’alimentation, les appareils audio, les liaisons de communication et l’acquisition de données. Cet article explique en détail les types de filtres, les termes, les familles de réponses, les étapes de conception et les applications.
Présentation du filtre électronique
Un filtre électronique est un circuit qui contrôle les parties d’un signal qui sont conservées et celles qui sont réduites. Il fonctionne en laissant passer les fréquences utiles tout en affaiblissant celles qui ne sont pas nécessaires. Dans les systèmes électriques, les filtres éliminent les bruits indésirables et maintiennent une alimentation électrique stable. En audio, ils ajustent la qualité du son et séparent les plages, telles que les basses et les aigus. Dans le domaine de la communication, les filtres aident les signaux à rester clairs et précis. Sans eux, de nombreux systèmes ne fonctionneraient pas de manière fluide ou fiable.
Types de base de filtre électronique
Filtre passe-bas (LPF)
Un LPF fait passer les signaux en dessous d’une fréquence de coupure et atténue les signaux plus élevés. Il lisse les sorties d’alimentation, supprime le bruit dans l’audio et empêche le repliement dans les circuits numériques. Un simple filtre RC en est un exemple courant.
Filtre passe-haut (HPF)
Un HPF fait passer les fréquences au-dessus d’une coupure et bloque les fréquences inférieures. Il est utilisé dans l’audio pour les tweeters, dans le couplage AC pour supprimer le décalage DC et dans les instruments pour réduire la dérive. Un condensateur en série à l’entrée d’un amplificateur est une forme de base.
Filtre passe-bande (BPF)
Un BPF ne laisse passer qu’une bande de fréquence choisie tout en rejetant les autres. Il est essentiel dans les récepteurs radio, les communications sans fil et les appareils médicaux comme les ECG. Un circuit accordé LC dans les radios FM en est un exemple classique.
Filtre coupe-bande / coupe-bande (BSF)
Un BSF atténue une bande étroite de fréquences tout en passant au-dessus et au-dessous. Il supprime les bourdonnements dans l’audio, annule les interférences dans la communication et rejette le bruit dans les instruments. Le filtre à encoche à double T est une conception bien connue.
Détails de la terminologie du filtre
Bande passante
La bande passante est la gamme de fréquences qu’un filtre permet de traverser avec une atténuation minimale. Par exemple, en téléphonie, la bande vocale de 300 Hz à 3,4 kHz est préservée, de sorte que la parole reste claire. Une bande passante large et plate garantit que les signaux souhaités conservent leur force et leur qualité d’origine.
Bande d’arrêt
La bande d’arrêt est la gamme de fréquences que le filtre atténue fortement pour bloquer les signaux indésirables ou le bruit. Cette région est essentielle pour empêcher les interférences, la distorsion ou le repliement de contaminer le signal utile. Plus l’atténuation de la bande d’arrêt est profonde, plus le filtre est efficace pour rejeter les fréquences indésirables.
Fréquence de coupure (fc)
La fréquence de coupure marque la limite entre la bande passante et la bande d’arrêt. Dans la plupart des modèles de filtres, tels que les filtres de Butterworth, il est défini comme la fréquence à laquelle le signal chute de -3 dB par rapport au niveau de la bande passante. Ce point sert de référence pour la conception et l’ajustement des filtres afin de répondre aux exigences du système.
Bande de transition
La bande de transition est la région de pente où la sortie du filtre se déplace de la bande passante vers la bande d’arrêt. Une bande de transition plus étroite indique un filtre plus net et plus sélectif, ce qui est souhaitable dans des applications telles que la séparation des canaux dans les systèmes de communication. Les transitions plus nettes nécessitent souvent des conceptions de filtres plus complexes ou des circuits d’ordre supérieur.
Graphiques de présage dans les filtres
Graphique de l’ampleur
Le graphique de magnitude montre le gain du filtre (en décibels) en fonction de la fréquence. Dans un filtre passe-bas, par exemple, la réponse reste plate autour de 0 dB dans la bande passante, puis commence à diminuer après la fréquence de coupure, indiquant une atténuation des fréquences plus élevées. La pente de cette atténuation dépend de l’ordre du filtre : les filtres d’ordre supérieur fournissent des transitions plus nettes entre la bande passante et la bande d’arrêt. Les graphiques d’amplitude permettent de voir facilement dans quelle mesure un filtre bloque les fréquences indésirables tout en préservant la plage souhaitée.
Diagramme de phase
Le diagramme de phase montre comment le filtre décale la phase des signaux à différentes fréquences. Il s’agit d’une mesure du retard du signal. Aux basses fréquences, le déphasage est souvent minime, mais à mesure que la fréquence augmente, autour de la coupure, le filtre introduit plus de retard. La réponse en phase est fondamentale dans les systèmes sensibles au temps tels que le traitement audio, les liaisons de communication et les systèmes de contrôle, où même de petites erreurs de synchronisation peuvent affecter les performances.
Ordre et déroulement des filtres
| Ordre des filtres | Pôles/Zéros | Taux de roulage | Descriptif |
|---|---|---|---|
| 1er Ordre | Un pôle | \~20 dB/décennie | Filtre de base avec atténuation progressive. |
| 2ème Ordre | Deux pôles | \~40 dB/décennie | Coupure plus nette par rapport au 1er ordre. |
| 3ème Ordre | Trois pôles | \~60 dB/décennie | Atténuation plus forte, plus sélective. |
| Nième ordre | N pôles | N × 20 dB/décade | Un ordre supérieur donne une atténuation plus abrupte mais augmente la complexité du circuit. |
Bases du filtre passif
Filtres RC
Les filtres RC sont la conception passive la plus simple, utilisant une résistance et un condensateur en combinaison. La forme la plus courante est le filtre passe-bas RC, qui permet de laisser passer les basses fréquences tout en atténuant les hautes fréquences. Sa fréquence de coupure est donnée par :
fc =
Ils sont les meilleurs pour lisser les signaux dans les alimentations, supprimer le bruit à haute fréquence et fournir un conditionnement de signal de base dans les circuits audio ou de capteurs.
Filtres RL
Les filtres RL utilisent une résistance et une inductance, ce qui les rend plus adaptés aux circuits qui gèrent des courants plus importants. Un filtre passe-bas RL peut lisser le courant dans les systèmes d’alimentation, tandis qu’un filtre passe-haut RL est efficace pour bloquer le courant continu tout en faisant passer des signaux AC. Parce que les inductances résistent aux changements de courant, les filtres RL sont souvent choisis dans les applications où la gestion de l’énergie et l’efficacité sont importantes.
Filtres RLC
Les filtres RLC combinent des résistances, des inductances et des condensateurs pour créer des réponses plus sélectives. Selon la façon dont les composants sont disposés, les réseaux RLC peuvent former des filtres passe-bande ou des filtres coupe-bande. Ceux-ci sont nécessaires pour régler les récepteurs radio, les oscillateurs et les circuits de communication où la précision de fréquence compte.
Types de familles de réponses de filtre
Filtre Butterworth
Le filtre Butterworth est apprécié pour sa réponse de bande passante lisse et plate sans ondulation. Il fournit une sortie naturelle et sans distorsion, ce qui le rend excellent pour l’audio et le filtrage. Son inconvénient est un taux de défroissage modéré par rapport aux autres familles, ce qui signifie qu’il est moins sélectif lorsqu’une coupure nette est nécessaire.
Filtre de Bessel
Le filtre de Bessel est conçu pour une précision dans le domaine temporel, offrant une réponse de phase presque linéaire et une distorsion minimale de la forme d’onde. Cela le rend idéal pour des applications telles que la communication de données ou l’audio, où la préservation de la forme du signal est nécessaire. Sa sélectivité fréquentielle est faible, de sorte qu’il ne peut pas rejeter aussi efficacement les signaux indésirables à proximité.
Filtre Tchebychev
Le filtre Chebyshev offre une atténuation beaucoup plus rapide que le Butterworth, ce qui permet des transitions plus raides avec moins de composants. Il y parvient en permettant une ondulation contrôlée dans la bande passante. Bien qu’efficace, l’ondulation peut déformer les signaux sensibles, ce qui la rend moins adaptée à l’audio de précision.
Filtre elliptique
Le filtre elliptique offre la bande de transition la plus raide pour le moins de composants, ce qui le rend extrêmement efficace pour les applications à bande étroite. Le compromis est une ondulation à la fois dans la bande passante et la bande d’arrêt, ce qui peut affecter la fidélité du signal. Malgré cela, les conceptions elliptiques sont souvent utilisées dans les systèmes RF et de communication où une coupure nette est requise.
Caractéristiques du filtre : f₀, BW et Q
• Fréquence centrale (f₀) : Il s’agit de la fréquence au milieu d’une bande qu’un filtre passe ou bloque. On la trouve en multipliant la fréquence de coupure inférieure et la fréquence de coupure supérieure, puis en prenant la racine carrée.
• Bande passante (BW) : Il s’agit de la taille de la plage entre les fréquences de coupure supérieure et inférieure. Une bande passante plus petite signifie que le filtre n’autorise qu’une gamme étroite de fréquences, tandis qu’une bande passante plus grande signifie qu’il couvre plus.
• Facteur de qualité (Q) : Il indique la netteté ou la sélectivité d’un filtre. Il est calculé en divisant la fréquence centrale par la bande passante. Une valeur Q plus élevée signifie que le filtre se concentre plus étroitement autour de la fréquence centrale, tandis qu’une valeur Q plus faible signifie qu’il couvre une plage plus large.
Étapes du processus de conception du filtre
• Définissez des exigences telles que la fréquence de coupure, la quantité d’atténuation nécessaire pour les signaux indésirables, le niveau acceptable d’ondulation dans la bande passante et les limites de retard de groupe. Ces spécifications constituent la base de la conception.
• Choisissez le type de filtre en fonction de l’objectif : passe-bas pour autoriser les basses fréquences, passe-haut pour autoriser les hautes fréquences, passe-bande pour autoriser une plage, ou passe-bande pour bloquer une plage.
• Choisissez la famille de réponses qui correspond le mieux à l’application. Butterworth offre une bande passante plate, Bessel maintient la précision du temps, Chebyshev offre une atténuation plus nette et elliptique donne la transition la plus raide avec une conception compacte.
• Calculez l’ordre du filtre, qui détermine dans quelle mesure il peut atténuer les fréquences indésirables. Les filtres d’ordre supérieur offrent une sélectivité plus forte mais nécessitent plus de composants.
• Sélectionnez une topologie pour implémenter la conception. Les filtres RC passifs sont simples, les filtres d’ampli opérationnel actifs permettent le gain et la mise en mémoire tampon, et les filtres numériques FIR ou IIR sont largement utilisés dans le traitement moderne.
• Simulez et prototypez le filtre avant de le construire. Les simulations et les diagrammes de Bode permettent de confirmer les performances, tandis que les prototypes vérifient que le filtre répond aux exigences définies dans la pratique.
Applications des filtres dans l’électronique
Électronique audio
Les filtres façonnent le son dans les égaliseurs, les filtres croisés, les synthétiseurs et les circuits de casque. Ils contrôlent l’équilibre des fréquences, améliorent la clarté et assurent un flux de signal fluide dans les équipements audio grand public et professionnels.
Systèmes d’alimentation
Les filtres d’harmoniques et les filtres de suppression des interférences électromagnétiques sont essentiels dans les variateurs de vitesse, les systèmes UPS et les convertisseurs de puissance. Ils protègent les équipements sensibles, améliorent la qualité de l’énergie et réduisent les interférences électromagnétiques.
Acquisition de données
Les filtres anti-repliement sont utilisés avant les convertisseurs analogiques-numériques (CAN) pour éviter la distorsion du signal. Dans les instruments biomédicaux tels que les moniteurs EEG et ECG, les filtres extraient des signaux significatifs en supprimant les bruits indésirables.
Communications
Les filtres passe-bande et coupe-bande sont fondamentaux dans les systèmes RF. Ils définissent les canaux de fréquence dans le Wi-Fi, les réseaux cellulaires et les communications par satellite, permettant une transmission claire du signal tout en rejetant les interférences.
En conclusion
Les filtres sont essentiels pour façonner les signaux pour un son clair, une alimentation stable, des données précises et une communication fiable. En comprenant leurs types, leurs termes et leurs méthodes de conception, il devient plus facile de choisir ou de créer des filtres qui maintiennent les systèmes précis et efficaces.
Foire aux questions
Question 1. Quelle est la différence entre les filtres actifs et passifs ?
Les filtres actifs utilisent des amplificateurs opérationnels et peuvent amplifier les signaux, tandis que les filtres passifs n’utilisent que des résistances, des condensateurs et des inductances sans gain.
Question 2. En quoi les filtres numériques diffèrent-ils des filtres analogiques ?
Les filtres analogiques traitent des signaux continus avec des composants, tandis que les filtres numériques utilisent des algorithmes sur des signaux échantillonnés dans des DSP ou des logiciels.
Question 3. Pourquoi les filtres d’ordre supérieur sont-ils utilisés dans les systèmes de communication ?
Ils offrent des coupures plus nettes, permettant une meilleure séparation des canaux rapprochés et réduisant les interférences.
Question 4. Quel est le rôle des filtres dans les capteurs ?
Les filtres éliminent les bruits indésirables afin que les capteurs fournissent des signaux propres et précis.
Question 5. Pourquoi la stabilité du filtre est-elle nécessaire ?
Les filtres instables peuvent osciller ou déformer les signaux, de sorte que la stabilité garantit des performances fiables.
Question 6. Les filtres peuvent-ils être réglés ?
Oui. Les filtres réglables ajustent leur fréquence de coupure ou centrale, utilisés dans les radios et les systèmes adaptatifs.