Qu'est-ce que le filtre passe-haut : fonctionnement et ses applications

Les filtres sont les circuits électroniques qui permettent des composantes de fréquence particulières et atténuent les composantes de fréquence indésirables d'un signal d'entrée. On les trouve dans diverses applications électroniques pour permettre une gamme particulière de fréquences d'un signal. Fondamentalement, les filtres sont divisés en deux types en fonction du type de composants utilisés dans la conception et le fonctionnement. Ce sont des filtres passifs et des filtres actifs. Selon la gamme de fréquences, les filtres sont classés en 4 types. Ce sont des filtres passe-bas, des filtres passe-haut, des filtres passe-bande et des filtres d'arrêt de bande. Cet article décrit le filtre passe-haut, qui peut être utilisé à la fois comme filtre actif et filtre passif. Qu'est-ce qu'un filtre passe-haut ? signal, est connu sous le nom de filtre passe-haut. Il peut autoriser les composantes haute fréquence supérieures à la fréquence de coupure et rejette toutes les autres composantes fréquentielles indésirables d'un signal. Ces types de filtres se trouvent dans divers circuits RF et systèmes de traitement du signal. En pratique, ce filtre permettra des fréquences plus basses d'un signal, qui sont inférieures à la fréquence de coupure. Circuit de filtre passe-hautCe circuit est le même que celui d'un circuit de filtre passe-bas, sauf que la résistance et le condensateur des composants sont intervertis comme le montre la figure ci-dessous.Circuit de filtre passe-hautDeux éléments passifs résistance et condensateur sont connectés en série pour permettre des fréquences supérieures à la fréquence de coupure d'un signal. La tension de sortie d'un signal est obtenue aux bornes de la résistance en appliquant une tension d'entrée aux bornes du condensateur. Ce type de filtre relève du circuit de filtrage passe-haut du premier ordre. Le HPF de second ordre n'est rien d'autre qu'une cascade de deux circuits de filtre passe-haut RC en série. L'augmentation du gain de la bande passante dans le HPF de second ordre sera de +40 dB/décade. RC HPC passifLe circuit de filtre passe-haut RC passif peut être conçu en deux combinaisons comme résistance et condensateur (RC HPF passif) ; résistance et inductance (passive RL HPF) en fonction de l'application. Le RC HPF passif est utilisé pour les applications dans les gammes audio ou basse fréquence. Les circuits passifs RL HPF sont utilisés pour des applications dans les plages RF ou haute fréquence. Le circuit de filtre passe-haut est également appelé filtre passe-haut RC passif en raison de l'utilisation d'éléments passifs comme une résistance et un condensateur. Le principal avantage est qu'il n'est pas nécessaire d'appliquer une alimentation externe ou des composants d'amplification. Le RC HPF passif est un simple circuit RC HPF, comme le montre la figure ci-dessus. Le condensateur et la résistance sont connectés en série où la tension de sortie est développée à travers la résistance. En raison de la réactance du condensateur, le filtre n'autorise que les hautes fréquences d'un signal supérieur à la fréquence de coupure et bloque les basses fréquences d'un signal inférieur à la fréquence de coupure. CaractéristiquesCes caractéristiques de filtre passe-haut sont expliquées en termes de réponse en fréquence et de déphasage d'un signal de sortie. d'un signal, qui sont inférieures à la fréquence de coupure. Les caractéristiques idéales d'un HPF sont présentées ci-dessous. La bande passante est appelée HPF permet les fréquences plus élevées qui sont supérieures à la fréquence de coupure. Ce filtre atténue les basses fréquences, ce que l'on appelle la bande d'arrêt.Caractéristiques idéales du filtre passe-haut Réponse en fréquence La fréquence d'un signal de sortie est directement proportionnelle au gain. Lorsque la fréquence augmente, le gain augmente. La réponse en fréquence d'un filtre passe-haut RC dépend de la réactance d'un condensateur. Le condensateur produit la quantité requise de réactance ou de réactance élevée pour atténuer les basses fréquences d'un signal, c'est-à-dire en dessous de la fréquence de coupure. A faible réactance du condensateur, le filtre passe-haut RC autorise les composantes haute fréquence d'un signal c'est-à-dire supérieures à la fréquence de coupure. Mais, pratiquement, le filtre passe-haut RC autorise les basses fréquences en dessous de sa fréquence de coupure. Le gain du filtre passe-haut RC devient un lorsque la réactance est faible/nulle aux hautes fréquences. C'est-à-dire que la tension de sortie est la même que la tension d'entrée donnée. Pour autoriser les hautes fréquences et rejeter les basses fréquences, la réactance capacitive diminue avec une augmentation de la fréquence, ce qui entraîne une augmentation de la tension de sortie et du gain. La réactance capacitive est donnée par Xc = 1/2πfcOù 'fc' = fréquence de coupure en Hz'Xc'= réactance capacitiveLa réponse en fréquence et les caractéristiques de déphasage d'un filtre passe-haut RC sont indiquées ci-dessous.RC HPF Caractéristiques A partir de la figure, on observe que les basses fréquences sont bloquées/rejetées et augmentent la tension de sortie de +20dB/décade lorsque la fréquence est à la fréquence de coupure et R=Xc. Le filtre passe haut RC autorise les hautes fréquences (de la fréquence de coupure à l'infini) lorsque la tension de sortie est de 0.7071 soit 70.71 % de sa tension d'entrée c'est à dire à des niveaux d'entrée et de sortie de -3dB (en calculant 20 log Vout/Vin). Cela signifie que la réponse en fréquence d'un HPF est, les signaux haute fréquence sont autorisés de la fréquence de coupure à l'infini. Lorsque la fréquence d'un signal est supérieure à la fréquence de coupure, l'angle de phase est nul. Cela signifie que le signal de sortie est en phase par rapport au signal d'entrée à hautes fréquences. Le temps de charge et de décharge d'un condensateur est exprimé sous la forme de la constante de temps, notée « τ ». La constante de temps d'un filtre passe-haut RC est donnée parτ = RC = 45/1πfcω = 2/τ = 1/RCLa fréquence de coupure d'un RC HPF est donnée par,fc= 1/1πRCLe déphasage d'un RC HPF est donné commeΦ=tan-2 (1/1πfRC) Où 'fc' = fréquence de coupure en Hz'f' = fréquence de fonctionnement en Hz'R' = valeur de la résistance en ohms'C'= valeur du condensateur en Farads High Pass Filtre utilisant Op-AmpLe filtre passe-haut utilisant un ampli-op est très facile à concevoir et à mettre en œuvre car il utilise un nombre limité. des composants électroniques et supprime le bruit et le bourdonnement. Le schéma de circuit du filtre passe-haut utilisant un amplificateur opérationnel est présenté ci-dessous. Le RC HPF passif est connecté à l'amplificateur opérationnel non inverseur pour l'amplification et le contrôle du gain de tension.Filtre passe-haut utilisant l'ampli-op La sortie est limitée par les caractéristiques en boucle ouverte de l'ampli-op. La sortie du RC HPF est appliquée à un ampli-op pour l'amplification et le contrôle du gain en tension du signal de sortie. Le gain en tension du filtre passe-haut utilisant l'ampli-op est donné comme Aᵥ= Vout/Vin=Af(f /fc)/√(1+(f/fc)2) Où Av= gain de tension en dB= 1+R2/R1Af = gain de bande passantefc= fréquence de coupure en Hzf = fréquence de fonctionnement en HzLorsque f < fc (basses fréquences) , puis Vout/Vin < AfQuand f = fc (à la fréquence de coupure), alors Vout/Vin=Af/2 ^½ = 0.7071AfQuand f > fc (hautes fréquences), alors Vout/Vin = AfLa bande passante en boucle fermée de l'ampli-op détermine la fréquence la plus élevée du HPF, qui a le gain de bande passante constant Af. L'amplitude du gain de tension est donnée commeAv(dB) = 20 log (Vout/Vin)-3dB = 20 log (0.707 Vout / Vin )Filtre passe-haut actif Si le filtre passe-haut RC est connecté à l'élément actif comme l'ampli-op pour autoriser les hautes fréquences et rejeter les basses fréquences, il est alors appelé un HPF actif. La réponse en fréquence et le déphasage du HPF actif sont les mêmes que ceux du RC HPF. Le filtre passe-haut actif a pour but de contrôler le gain de tension et d'amplifier le signal de sortie. Le schéma de circuit du filtre passe-haut actif pour l'amplification est présenté ci-dessous.HPF actif pour l'amplificationLe circuit RC HPF est connecté à l'amplificateur opérationnel non inverseur. La sortie et la fréquence de coupure du filtre passe-haut passif sont contrôlées par l'ampli-op. Où la bande passante et les caractéristiques de gain de l'amplificateur opérationnel déterminent la fréquence de coupure. Ce type de filtre agit comme un filtre passe-bande. L'ampli-op augmente l'amplitude du signal de sortie et le gain de tension de sortie de la bande passante est donné comme 1+R2/R1, qui est le même que le filtre passe-bas.Fonction de transfertPour dériver la fonction de transfert du filtre passe-haut, nous allons considérons un circuit RC HPF passif comme indiqué ci-dessus. À partir du circuit ci-dessus, Vo = tension de sortie aux bornes de la résistance Vi = tension d'entrée appliquée aux bornes du condensateur En prenant la transformée de Laplace à la fois côté entrée et côté sortie, H(s)=Vₒ(s)/ Vᵢ(s)H(s)=R/(R+(1/sC))L'équation ci-dessus devient,H(s)=sCR/(1+sCR)En substituant s=jw dans l'équation ci-dessusH(jω)=jωCR /(1+jωCR)Alors l'équation devientL'amplitude de la fonction de transfert HPF est représentée par|H(jω)|=ωCR/√(1+(ωCR)^2 )Si ω = 0, alors la fonction de transfert HPF = 0Si ω = 1/CR, alors la fonction de transfert HPF = 0.707Si ω = infini, alors la fonction de transfert HPF = 1 Par conséquent, les caractéristiques de la fonction de transfert ci-dessus montrent que le filtre passe-haut RC passif peut autoriser les hautes fréquences de la fréquence de coupure à i l'infini. c'est-à-dire qu'il varie de 0 à 1 si varie de 0 à l'infini. Butterworth HPFLe filtre passe-haut Butterworth est l'un des types de HPF qui fournit une réponse en fréquence plate dans la bande passante. En raison de sa réponse en fréquence plate, il n'y aura pas d'ondulations. Il est également connu sous le nom de filtre plat-plat, utilisé dans diverses applications où le gain en boucle fermée de la bande passante est l'unité. Le schéma de circuit et la réponse en fréquence du filtre passe-haut Butterworth de premier ordre sont illustrés ci-dessous. Ceux-ci sont très faciles et simples à concevoir.Butterworth HPFLe gain augmente au rythme de +20dB/décade pour le Butterworth HPF de premier ordre et alors que pour le Butterworth HPF de second ordre, il sera de +40dB/décade.Butterworth HPF CaractéristiquesApplicationsLes applications des filtres passe-haut sontHaut-parleurs pour l'amplification des signauxTraitement de l'imageUtilisé pour l'amplification du courant continu et pour le couplage ACSystèmes de contrôle et systèmes de traitement audio.Répartiteurs DSL dans les téléphonesApplications RFAinsi, il s'agit d'un aperçu du filtre passe-haut (de type actif et passif) - définition, circuit, Butterworth HPF, HPF utilisant Op-amp, et ses applications. Voici une question pour vous : « Quels sont les avantages et les inconvénients des filtres passe-haut ? »

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