Anneaux de Bode et réponses en fréquence | Sciences de l'ingénieur - Outils d'étude électrique
Introduction aux réponses en fréquence
Découvrez les diagrammes de Bode et l'analyse de la réponse en fréquence
Introduction aux réponses en fréquence
Réponse en fréquence
La réponse en fréquence d'un système linéaire est la représentation du comportement du système en régime sinusoïdal permanent. Elle caractérise la modification du signal d'entrée en fonction de la fréquence : gain et déphasage.
- 1 Gain (ou module) : rapport des amplitudes
- 2 Phase : déphasage entre entrée et sortie
- 3 Fréquence : variable d'analyse
Diagrammes de Bode
Représentation graphique
- 1 Diagramme du gain (en dB) en fonction de la fréquence (logarithmique)
- 2 Diagramme de la phase (en degrés) en fonction de la fréquence (logarithmique)
L'axe des fréquences est gradué logarithmiquement (décades), ce qui permet de représenter une large gamme de fréquences sur une même échelle. Une décade correspond à un facteur 10 en fréquence.
Calcul du gain en dB
Unité logarithmique
Le gain en décibels (dB) est défini comme 20 fois le logarithme décimal du module de la fonction de transfert :
Où |S| est l'amplitude du signal de sortie et |E| celle du signal d'entrée.
- Gain = 1 → Gain en dB = 0 dB
- Gain = 10 → Gain en dB = 20 dB
- Gain = 0.1 → Gain en dB = -20 dB
- Gain = √2 → Gain en dB ≈ 3 dB
Filtres électroniques
Types de filtres
- Filtre passe-bas : laisse passer les basses fréquences
- Filtre passe-haut : laisse passer les hautes fréquences
- Filtre passe-bande : ne laisse passer qu'une bande de fréquences
- Filtre coupe-bande : bloque une bande de fréquences
Pour un filtre RC passe-bas, la fonction de transfert est :
La pulsation de coupure est ωc = 1/(RC).
Diagramme de Bode d'un filtre passe-bas
Caractéristiques
- Bas niveau constant en basse fréquence (0 dB)
- Point de coupure à fc = 1/(2πRC)
- Pente de -20 dB/décade au-delà de la fréquence de coupure
- À la fréquence de coupure : gain = -3 dB
- Phase nulle en basse fréquence
- Phase de -45° à la fréquence de coupure
- Phase de -90° en haute fréquence
Diagramme de Bode d'un filtre passe-haut
Caractéristiques
- Pente de +20 dB/décade en basse fréquence
- Point de coupure à fc = 1/(2πRC)
- Haut niveau constant en haute fréquence (0 dB)
- À la fréquence de coupure : gain = -3 dB
- Phase de +90° en basse fréquence
- Phase de +45° à la fréquence de coupure
- Phase nulle en haute fréquence
Bande passante et fréquence de coupure
Paramètres clés
La bande passante est la plage de fréquences pour laquelle le gain reste supérieur à un certain seuil, généralement -3 dB par rapport au gain maximal. Elle est définie par les fréquences de coupure inférieure et supérieure.
La fréquence de coupure est la fréquence à laquelle le gain diminue de 3 dB par rapport au gain maximum. Elle délimite la zone de passage du filtre.
Exercice d'application
Analyse d'un filtre RC
On considère un filtre RC passe-bas avec R = 10 kΩ et C = 100 nF.
1. Calculer la fréquence de coupure fc.
2. Exprimer la fonction de transfert H(jω).
3. Tracer l'allure du diagramme de Bode (gain et phase).
4. Déterminer le gain et la phase à la fréquence de coupure.
Solution de l'exercice
Correction détaillée
La fréquence de coupure est donnée par :
La fréquence de coupure est donc d'environ 159 Hz.
Pour un filtre RC passe-bas, la fonction de transfert est :
Où ω = 2πf est la pulsation.
Le diagramme de Bode montre : gain constant à 0 dB en basse fréquence, chute de -3 dB à fc, pente de -20 dB/décade en haute fréquence. La phase passe de 0° à -90°. À la fréquence de coupure : gain = -3 dB, phase = -45°.
Résumé
Points clés
- Comportement d'un système en régime sinusoïdal permanent
- Caractérisé par le gain et la phase
- Représente l'influence de la fréquence sur le signal
- Représentation graphique de la réponse en fréquence
- Deux graphes : gain (en dB) et phase (en degrés)
- Axe des fréquences en échelle logarithmique
- Fréquence de coupure : fréquence à -3 dB
- Bande passante : plage de fréquences acceptées
- Décibel : unité logarithmique du gain
Conclusion
Félicitations !
Continuez à pratiquer pour renforcer vos compétences en électronique