Filtre passe-bas

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Un filtre passe-bas est un filtre qui laisse passer les basses fréquences et qui atténue les hautes fréquences, c'est-à-dire les fréquences supérieures à la fréquence de coupure. Il pourrait également être appelé filtre coupe-haut. Le filtre passe-bas est l'inverse du filtre passe-haut et ces deux filtres combinés forment un filtre passe-bande.

Le concept de filtre passe-bas est une transformation mathématique appliquée à des données (un signal). L'implémentation d'un filtre passe-bas peut se faire numériquement ou avec des composantes électroniques. Cette transformation à pour fonction d'atténuer les fréquences supérieures à sa fréquence de coupure $f c$ et ce, dans le but de conserver uniquement les basses fréquences. La fréquence de coupure du filtre est la fréquence séparant les deux modes de fonctionnement idéaux du filtre: passant ou bloquant.

Sommaire

1 Filtre idéal
2 Filtre passe-bas analogique
3 Filtre passe-bas numérique
4 Voir aussi
- 4.1 Liens internes
- 4.2 Liens externes

[modifier] Filtre idéal

Un filtre passe-bas idéal a un gain constant dans sa bande passante et un gain nul dans la bande coupée. La transition entre les deux états est instantanée. Mathématiquement, il peut être réalisé en un multipliant le signal par une fênêtre rectangulaire dans le domaine fréquentiel ou par une convolution avec un sinus cardinal (sinc) dans le domaine temporel. Ce type de filtre est appelé "mur de brique" dans le jargon des ingénieurs.

Naturellement, un filtre idéal n'est pratiquement réalisable, car un sinus cardinal est une fonction infinie. Ainsi, le filtre devrait prédire le futur et avoir une connaissance infinie du passé pour effectuer la convolution et obtenir l'effet désiré. Il est possible d'approximer très fidèlement ce filtre de manière numérique lorsqu'on dispose d'un signal pré-enregistré (en ajoutant des zéros au deux extrémités de la série d'échantillons) ou pour un signal périodique.

En temps réel, les filtres numériques peuvent approximer ce filtre en insérant un délai volontaire dans le signal, ce qui permet de "connaître le futur du signal". Cette opération crée un déphasage entre la sortie et l'entrée et naturellement, plus le délai inséré est long, plus le filtre se rapprochera du filtre idéal.

[modifier] Filtre passe-bas analogique

Un filtre passe-bas peut-être implémenté de façons analogique avec des composantes électroniques. Ainsi, ce genre de filtre s'applique sur des signaux continue en temps réel. Les composantes et la configuration du circuit fixeront les différentes caractéristique du filtre, tel que l'ordre, la fréquence de coupure et son diagramme de Bode. Les filtres analogique classiques sont du premier ou du second ordre. Il existes plusieurs familles de filtres analogiques: Butterworth, Tchebychev, Bessel, Elliptique, etc. L'implémentation des filtres de même famille ce fait généralement en utilisant la même configuration de circuit, et ceux-ci possède la même forme de fonction de transfert, mais c'est les paramètres de celle-ci qui change, donc la valeur des composantes du circuit électrique.

[modifier] Filtre passe-bas du premier ordre

Un filtre passe-bas du première ordre est caractérisé par sa fréquence de coupure $f c$ . La fonction de transfert du est obtenue en dénormalisant le filtre passe-bas normalié en substiuant $ω n$ par $ω / ω c$ , ce qui donne la fonction de transfert suivante:

$H(j \omega) = \frac{v_o}{v_i} = \frac {K}{1+j\frac{\omega}{\omega_c}}$ où

ω = 2π f

ω c = 2π f c

Le module et la phase de la fonction de transfert égalent à:

$|H(\omega)| = |\frac{v_o}{v_i}|=\frac{K}{\sqrt{1+\big(\frac{\omega}{\omega_c}\big)^2}}$

$\phi(\omega) = \arg H(j \omega) = - \arg(1+j\frac{\omega}{\omega_c})= - \arctan(\frac{\omega}{\omega_c})$

Il y a plusieurs méthodes pour implémenter ce filtre. Une réalisation active et réalisation passive sont ici présentée. À noter que K est le gain du filtre.

[modifier] Circuit passif

Un filtre passe-bas analogique d'ordre 1 réalisé avec un circuit RC

La manière la plus simple de réaliser physiquement ce filtre est d'utiliser un circuit RC. Comme son nom l'indique, ce circuit est constitué d'une résistance $R$ et d'un condensateur de capacité $C$ . Ces deux élements sont placés en série avec la source $v i$ du signal. Le signal de sortie $v o$ est récupéré aux bornes du condensateur. Pour retrouver la fonction de transfer de ce filtre, il faut travailler dans le domaine de Laplace en utilisant les impédances des élements. Avec cette technique, le circuit devient un simple diviseur de tension, et on obtient :

$H(j \omega) = \frac{v_o}{v_i} = \frac {1}{1+jRC\omega}$

Dans cette équation, $j$ est un nombre complexe, la racine carrée de -1, et $ω$ est la pulsation du circuit ou fréquence radiale, exprimée en rad/s. Comme la fréquence de coupure d'un circuit RC est:

Un filtre passe-bas analogique d'ordre 1 réalisé avec un circuit RC

$f_c = \frac {1}{2\pi RC}$ ou $\omega_c= \frac {1}{RC}$

Ici $ω c$ , la pulsation de coupure, est également la pulsation propre $ω o$ du circuit, elle est également l'inverse de la constante de temps $τ$ du circuit. Ainsi, on obtient bel et bien la fonction de transfert typique du filtre passe-bas du première ordre.

Avec cette fonction de transfert, on peut obtenir les diagrammes de Bode :

Le gain en décibel :

$G_{dB}(\omega) = 20 \cdot \log |H(\omega)| = -10 \cdot \log (1+ \big (\omega RC)^2)$

La phase en radians :

$\phi(\omega) = -\arctan \big(\omega RC)$

On distingue alors deux situations idéales :

Lieux de bode du filtre passe-bas passif d'ordre 1

Lorsque $ω < < ω c$ , on a :

$G_{dB} \simeq 0$ et $\phi \simeq 0$ (le filtre est passant)

Lorsque $ω > > ω c$ , on a :

$G_{dB} \sim -20 \cdot \log (\frac{\omega}{\omega_c})$ et $\phi \simeq 90$ (le signal est alors filtré)

On remarque que pour $ω = ω c$ , on a $G d B = - 3 d B$ .

[modifier] Circuit actif

Il est également possible de réaliser un filtre passe-bas avec un circuit actif. Cette option permet d'ajouter du gain au signal de sortie, c'est-à-dire d'obtenir une amplitude supérieur à 0 dB dans la bande passante. Plusieurs configurations permettent d'implémenter ce genre de filtre.

Un filtre passe-bas actif

Dans la configuration présenté ici, la fréquence de coupure se définie comme suit:

$f_c = {1 \over 2 \pi R_2 C }$ ou $\omega_\mathrm{c} = \frac{1}{R_2 C}$

En utlisant les propriétés des amplificateurs opérationnels, et les impédances des élements, on obtient la fonction de transfert suivante :

$H(j \omega) = \frac{v_o}{v_i} = \frac{-R_2}{R_1} \cdot \frac {1}{1+jR_2C\omega}$

En basse fréquence, le condensateur agit comme un circuit ouvert, ce qui est confirmé par le fait que le terme de droite de l'équation précédente tend vers 1. La formule simplifiée ainsi obtenue nous donne le gain dans la bande passante:

$H(\omega)_{\omega << \omega_c} = \frac{v_o}{v_i} = \frac{-R_2}{R_1}$

En haute fréquence, le condensateur agit comme un circuit fermé et le terme de droite tend vers 0, ce qui fait tendre la formule faire zéro.

$H(\omega)_{\omega >> \omega_c} = \frac{v_o}{v_i} \simeq 0$

Avec la fonction de transfert, on peut démontrer que l'attétuantion dans la bande rejetée est de 20dB/décade ou de 6dB par octave tel qu'attendu pour un filtre d'ordre 1.

Il fréquente de voir un circuit de gain ou d'atténuation transformé en filtre passe-bas en ajoutant un condensateur C. Ceci diminue la réponse du circuit à haute fréquence et aider à diminuer les oscillation dans l'amplificateur. Par exemple, un amplificateur audio peut être un filtre passe-bas actif avec une fréquence de coupure de l'ordre de 100 kHz pour réduire le gain à des fréquences autrement oscilleraient. Cette modification du signal n'altère pas les informations "utiles" du signal, car la bande audio (bande de fréquence audible par l'humain) s'étend jusqu'à environ 20 kHz, ce qui est largement inclue dans la bande passante du circuit.

[modifier] Filtre passe-bas du second ordre

Un filtre passe-basse du second ordre est caractésiré par sa fréquence de résonnance $f o$ et par le facteur de qualité Q. Il est représenté par la fonction de transfert suivante:

$H(j \omega) = \frac{v_o}{v_i} = \frac {K \omega_o^2}{{\omega}^2-j{\omega}\frac{\omega_o}{Q}- {\omega_o}^2}$ où

ω = 2π f

ω o = 2π f o

Le module et la phase de la fonction de transfert égalent à:

$|H(\omega)| = |\frac{v_o}{v_i}|= \frac{K}{\sqrt{\frac {\omega^2}{Q^2 \omega_o^2}+(1-\frac{\omega^2}{\omega_o^2})^2}}$

$\phi(\omega) = - \arctan(-\frac{\frac{\omega}{Q \omega_o}}{1 - \frac{\omega^2}{\omega_o^2}})$

[modifier] Circuit passif

La manière la plus simple de réaliser physiquement ce filtre est d'utiliser un circuit RLC. Comme son nom l'indique, ce circuit est constitué d'une résistance $R$ , d'un condensateur de capacité $C$ et d'une inductance $L$ . Ces trois élements sont placés en série avec la source $v i$ du signal. Le signal de sortie $v o$ est récupéré aux bornes du troisième et dernier élément, le condensateur. Pour retrouver la fonction de transfer de ce filtre, il faut travailler dans le domaine de Laplace en utilisant les impédances des élements. Avec cette technique, le circuit devient un simple diviseur de tension, et on obtient:

$H(j \omega) = \frac{v_o}{v_i} = \frac {\frac{-1}{LC}}{\omega^2-j \omega \frac{R}{L}- \frac{1}{LC}}$

Avec:

$\omega_o = \frac{1}{\sqrt{LC}}$

$Q = \frac{1}{R} \sqrt{\frac{L}{C}}$

Le module et la phase de ce circuit sont:

$|H(\omega)| = |\frac{v_o}{v_i}|=\frac{1}{\sqrt{R^2 C^2 {\omega}^2 + \big(1 - LC{\omega}^2)^2}}$

$\phi(\omega) = - \arctan(-\frac{RC\omega}{1 - LC{\omega}^2})$

[modifier] Circuit actif

Plusieurs types de filtres existe pour réaliser un filtre actif du deuxième ordre. Les plus populaires sont les structures MFB et VCVS.

[modifier] Filtre d'ordre supérieur

Les filtres d'ordre supérieur sont généralement composés de filtres d'ordre 1 et 2 en cascade. La réalisation d'un filtre d'ordre 5, par exemple, ce fait en plaçant 2 filtres d'ordre deux et un filtre d'ordre 1. Il serait possible de réaliser directement un filtre d'ordre 5, mais la difficulté de conception en serait grandement augmentée.