Filtres passe-haut : conception, fonctionnement et applications pratiques

Un filtre passe-haut effectue l'inverse d'un filtre passe-bas : il laisse passer les signaux haute fréquence tout en atténuant les composantes basse fréquence. Les deux implémentations les plus courantes — capacitive et inductive — reprennent leurs homologues passe-bas mais avec des comportements d'impédance opposés.

Filtre passe-haut capacitif.

L'impédance du condensateur

Dans un circuit passe-haut capacitif, l'impédance du condensateur augmente lorsque la fréquence diminue (voir le graphique ci-dessous). Cette impédance série élevée bloque efficacement l'énergie basse fréquence d'atteindre la charge.

filtre passe-haut capacitif v1 1 0 ac 1 sin c1 1 2 0.5u rload 2 0 1k .ac lin 20 1 200 .plot ac v(2) .end

La réponse du filtre passe-haut capacitif augmente avec la fréquence.

Filtre passe-haut inductif.

L'impédance de l'inductance

Un filtre passe-haut inductif se comporte de manière opposée : l'impédance de l'inductance diminue avec la fréquence décroissante, fournissant un shunt de faible impédance qui court-circuite les signaux basse fréquence avant qu'ils ne puissent piloter la résistance de charge. La majeure partie de la tension est alors perdue aux bornes de la résistance série R1.

filtre passe-haut inductif v1 1 0 ac 1 sin r1 1 2 200 l1 2 0 100m rload 2 0 1k .ac lin 20 1 200 .plot ac v(2) .end

La réponse du filtre passe-haut inductif augmente avec la fréquence.

En pratique, la conception capacitive est souvent préférée car elle ne nécessite qu'un seul composant réactif et offre une pureté supérieure ; les inductances souffrent de l'effet de peau et de pertes dans le noyau aux hautes fréquences.

Fréquence de coupure

Comme tous les filtres du premier ordre, un filtre passe-haut possède une fréquence de coupure caractéristique f_c, où la sortie équivaut à 70,7 % (1/√2) de l'entrée. Pour un circuit passe-haut capacitif, la formule standard s'applique :

Dans l'exemple ci-dessus, la seule résistance présente est la résistance de charge (1 kΩ), cette valeur est donc utilisée dans le calcul.

Application du filtre passe-haut

Considérons un système stéréo : un condensateur série sur le tweeter forme un filtre passe-haut, bloquant l'énergie grave qui gaspillerait de la puissance sur un haut-parleur incapable de la reproduire. Inversement, une inductance série sur le woofer agit comme un filtre passe-bas, protégeant le haut-parleur de grave de la distorsion haute fréquence. Le haut-parleur médium reçoit le spectre audio complet. Pour une répartition plus raffinée, un filtre passe-bande peut être utilisé pour acheminer exclusivement les fréquences médiums vers le médium.

Le passe-haut achemine les aigus vers le tweeter ; le passe-bas achemine les graves vers le woofer.

Dans un système stéréo complet, six haut-parleurs sont employés : deux woofers, deux médiums et deux tweeters, chacun alimenté par des réseaux de filtrage appropriés.

RÉSUMÉ :

• Un filtre passe-haut facilite le passage des signaux haute fréquence tout en atténuant le contenu basse fréquence.
• Les conceptions passe-haut capacitives insèrent un condensateur en série avec la charge ; les conceptions inductives ajoutent une résistance série et une inductance parallèle, créant un shunt de faible impédance pour les fréquences indésirables.
• La fréquence de coupure marque le point où la sortie équivaut à 70,7 % de l'entrée ; au-dessus, la sortie s'améliore, en dessous, le signal est atténué.

FICHIERS D'EXERCICES ASSOCIÉS :

• Fiche d'exercices sur les filtres actifs
• Fiche d'exercices sur les circuits de filtres passifs