Module d`électronique - African Virtual University

Module d’électronique
Module
d’électronique
Par Sam Kinyera OBWOYA
African Virtual university
Université Virtuelle Africaine
Universidade Virtual Africana
Université Virtuelle Africaine Note
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License (abréviation « cc-by »), Version 2.5.
Université Virtuelle Africaine Table des matières
I. Module d’électonique_ _______________________________________ 3
II. Prérequis_________________________________________________ 3
III. Temps____________________________________________________ 3
IV. Matériels didactiques_ _______________________________________ 3
V. Justification______________________________________________ 3
VI. Contenu_________________________________________________ 4
6.1 Résumé________________________________________________ 4
6.2 Données générales_______________________________________ 5
6.3 Représentation graphique_________________________________ 6
VII. Objectifs généraux_ ________________________________________ 7
VIII. Objetifs spécifiques d’apprentissage _ __________________________ 7
IX. Évaluation préliminaire______________________________________ 9
X. Activités d’apprentissage et d’enseignement______________________ 14
XI. Concepts-clés (glossaire)___________________________________ 158
XII. Lectures obligatoires_______________________________________ 160
XIII. Ressources (facultatives) multimédias_________________________ 162
XIV. Liens utiles ______________________________________________ 165
XV. Synthèse du module______________________________________ 170
XVI. Évaluation sommative______________________________________ 172
XVII. Références______________________________________________ 175
XVIII. Dossier de l’étudiant _____________________________________ 176
XIX. Auteur principal du module__________________________________ 176
Université Virtuelle Africaine I. Module d’électronique
Par Sam Kinyera Obwoya Kyambogo University Uganda
II. Prérequis
Les connaissances préalables pour ce module est la physique apprise à l’école. La
connaissance des cours qui suivent est particulièrement importante pour que l’étudiant suive et comprenne le module de façon efficace. Les cours de physique de l’état
solide et d’électricité magnétisme sont des préalables. Comme condition générale,
l’étudiant doit avoir des connaissances en calcul et en algèbre en mathématique.
III. Temps d’apprentissage
Vous aurez besoin de 120 heures pour apprendre ce module.
IV. Matériels didactiques
Le matériel didactique requis pour ce module inclut un accès à un ordinateur et notamment, un accès régulier à Internet. L’Internet vous fournira plusieurs références
et ressources multimédias essentielles. Ces multimédias sont importants puisqu’ils
servent, dans certains cas, de chargés de cours virtuels et d’équipement pouvant
servir à mener des expériences virtuelles. Cependant, certains cédéroms seront également disponibles pour compléter l’utilisation d’Internet. Le matériel inclut aussi
des lectures et des ressources obligatoires disponibles dans les librairies à proximité
ou à l’école.
V. Justification
Ce module est conçu pour fournir aux étudiants une fondation de base en physique.
Celui-ci permettra aux étudiants d’apprendre la matière pour être capables d’expliquer
et de justifier les principes de l’électronique. Le module est structuré de façon à ce
l’apprenant ait à faire les activités exigées pour se réaliser au maximum. Le module
entier fournira à l’étudiant des idées de base en ce qui a trait à ce qu’est la physique
en matière de comportements et de caractéristiques des composantes principales
et permettra donc d’enseigner une grande partie de la physique de l’école de façon
efficace.
Université Virtuelle Africaine VI. Contenu
6.1 Résumé
L’électronique est l’étude du flux de charge à travers divers matériaux et dispositifs,
notamment les semiconducteurs, les résistances, les inducteurs, les condensateurs,
les nanostructures et les tubes électroniques. Toutes les applications de l’électronique
se traduisent par la transmission de l’énergie et si possible, de l’information. Bien
que considérés comme étant la branche théorique de la physique, le modèle et la
construction des circuits électroniques pour résoudre des problèmes pratiques sont
une technique essentielle dans les domaines de l’ingénierie électronique et du génie
informatique. L’étude de nouveaux dispositifs à semi-conducteur et de la technologie
les entourant est parfois considérée comme une branche de la physique. Ce module se
concentre sur les aspects technologiques de l’électronique. D’autres sujets importants
tels les déchets électroniques et les impacts de la fabrication de semiconducteurs
sur la santé au travail sont abordés. Ce cours d’électronique s’adresse aux étudiants
s’inscrivant à l’inscription préalable et sur place au baccalauréat ès sciences avec
éducation et au baccalauréat en éducation. Comme vous le savez peut-être, l’électronique est un domaine important de la physique moderne. Le module comprend six
unités : circuits à diodes; circuits à transistors; amplificateurs opérationnels; circuits
numériques; acquisition de données et commande de processus et interconnexion des
ordinateurs et des dispositifs.
Dans la première unité/activité, p.ex., circuits de diodes, les étudiants doivent expliquer
la génération de porteurs de charge, les semiconducteurs intrinsèques et extrinsèques,
la formation et l’application d’une jonction PN et doivent concevoir et analyser des
circuits de diodes (p.ex., circuits d’alimentation électrique).
Dans la deuxième unité/activité, p.ex., circuits à transistors, les étudiants doivent
expliquer la façon dont un transistor bipolaire à jonctions fonctionne ; construction et
analyse d’un transistor bipolaire à jonctions de base en diverses configurations (EC,
BE, BC); expliquer le fonctionnement d’un transistor à effet de champ de jonctions
(TEC) ; construire et analyser des TEC dans les configurations (CD, CS); expliquer
la façon dont un transistor MOS fonctionne et construire et analyser des circuits à
transistors MOS.
Dans l’unité trois, les résultats d’apprentissage incluent que l’apprenant soit capable
d’expliquer la réalisation d’un amplificateur opérationnel et de construire, analyser
et synthétiser des circuits d’amplificateurs opérationnels.
Dans l’unité quatre, p.ex., circuits numériques, l’étudiant doit être capable de manipuler les nombres dans différentes bases (2, 8, 10, 16); d’appliquer l’algèbre booléenne
dans la construction de circuits logiques ; de construire, d’analyser et de synthétiser
des circuits logiques (multiplexeurs, décodeurs, bascules de Schmitt, bascules bistables, minuteries).
Université Virtuelle Africaine Dans l’unité cinq, l’apprenant devra expliquer le fonctionnement d’un transducteur
en différents modes (tension, lumière, piézo, température); expliquer et appliquer
les processus de conditionnement d’un signal de transduction; et appliquer un signal
conditionné en forme numérique.
Enfin, dans l’activité six, p.ex., éléments du microordinateur 8-, 16- ou 32 bus informatiques, l’apprentissage devra inclure l’explication des composantes d’un mode
système d’un microprocesseur.
6.2 Données générales
Activité 1 (20 heures)
Cricuits de diodes Révise la théorie de la bande d’énergie, la jonction PN et l’effet
de diode, le circuit et les applications de diodes ordinaires.
Activité 2 (30 heures)
Circuits à transistors Transistor bipolaire à jonctions, amplificateur émetteur commun, amplificateur collecteur commun, amplificateur base commune. Le transistor à
effet de champ à jonctions (TEC), amplificateur à TEC source commune, amplificateur
à TEC drain commun. Transistor à effet de champ à grille isolée, circuits à transistor
MOS de puissance, circuits à multiples transistors.
Activité 3 (10 heures)
Amplificateurs opérationnels amplificateurs en boucle ouverte, amplificateur idéal,
analyse approximative, gain en boucle ouverte.
Activité 4 (30 heures)
Cricuits numériques Systèmes de numérisation, algèbre booléenne, éléments
logiques, logique combinatoire. Multiplexeurs et décodeurs. Bascule de Schmitt,
dispositif bistable d’accumulateur d’énergie, verrous et circuits flip flop sans entrée
d’horloge. Circuits basculeur bistables avec entrée d’horloge, circuits dynamiques
basculeur bistables avec entrée d’horloge et minuteries uniques.
Activité 5 (20 heures)
Acquisition de données et commande de processus Transducteurs, circuits à signal
conditionné, oscillateurs, conversion analogique à numérique.
Université Virtuelle Africaine Activité 6 (10 heures)
Interconnexion des ordinateurs et des dispositifs Éléments du microordinateur à
8, 16 ou 32 bus informatiques.
6.2
GRAPHIC ORGANIZER
6.3Représentation graphique
A. Diode Circuits
Review Energy band theory,
D. Digital Circuits
The PN Junction and the Diode Effect,
Number Systems, Boolean Algebra,
Circuit Appli cations of Or dinary Diodes
Logic Gates, Combinational Logic.
Multiplexers and Decoders. Schmitt Trigger,
B. T ransistor Circuits:
Two-State Storage Elements, Latches and Un-Clocked Fli p-Flops.
Clocked Fli p-Flops, Dynamicall y clocked F lip-Flops, One-Shot Registers
Bipolar Junction Transistor (BJT)
Comm on Emitter Ampli fier, Comm on
Coll ector Ampli fier, Comm on Base Ampli fier.
E. Data Acquisition
and Process Control
Transducers,
Signal Conditioning Circuits,
Oscill ators,
Analogue-to-Di gital Conversion
F. Com puters and
Device Interconnection
Elements of the M icrocomputer 8-, 16- or 32- Bit Buses
Elect ronics
The Junction Field Effect Transistor (JFET),
JFET Comm on S ource Amplifier, JF ET Common Drain Amplifier.
The Insulated-Gate F ield Effect Transistor.
Power M OSFET Circuits. Multiple Transistor Circuits
C. Operational
Amplifiers
Open-Loop Amplifiers,
Ideal Ampli fier,
Approximation Analysis,
Open-Loop Gain
Université Virtuelle Africaine VII. Objectifs généraux
À la fin de ce module, vous serez en mesure
• D’être conscient et d’appliquer les concepts et les circuits électroniques de
base.
VIII. Objectifs spécifiques d’apprentissages
Unité d’apprentissage
1. Circuits de diodes (20 heures)
• Révise la théorie de la bande
d’énergie,
• La jonction PN et l’effet de diode,
• Circuit, applications de diodes ordinaires.
2. Circuits à transistors : (25 heures)
• Transistor bipolaire à jonctions
• (Transistor bipolaire à jonctions);
amplificateur émetteur commun;
amplificateur collecteur commun,
amplificateur base commune.
• Transistor à effet de champ à jonctions
(TEC), amplificateur à TEC source
commune, amplificateur à TEC drain
commun.
• Transistor à effet de champ à grille
isolée. Énergie
• Circuits à transistors MOS, Circuit à
transistors multiples
3. Amplificateurs opérationnels (10 heures)
• Amplificateurs en boucle ouverte,
• Amplificateurs idéaux, analyse approximative, gain en boucle ouverte.
Objectifs
Les étudiants doivent être capables de
• Expliquer la génération de porteurs de
charge, les semiconducteurs intrinsèques
et extrinsèques
• Expliquer la formation et l’application de
la jonction PN
• Construire et analyser les circuits de
diodes (p.ex., circuits d’alimentation
électrique)
Les étudiants doivent être capables de
•
Expliquer la façon dont un transistor
bipolaire à jonctions fonctionne
• Construire et analyser des circuits de base
de transistors bipolaires à jonctions en
différentes configurations (EC, BE, BC)
• Expliquer la façon dont le transistor à
effet de champ fonctionne (théorie)
• Construire et analyser des circuits TEC en
configurations CD et CS
• Expliquer la façon dont un transistor MOS
fonctionne (théorie)
• Construire et analyser des circuits à
transistors MOS
Les étudiants doivent être capables de
• Expliquer la construction de l’amplificateur opérationnel
• Construire, analyser et synthétiser des
circuits amplificateurs opérationnels
Université Virtuelle Africaine 4. Circuits numériques (30 heures)
• Systèmes de numérisation, algèbre
booléenne, éléments logiques,
• Logique combinatoire,
• Multiplexeurs et décodeurs, bascule de
Schmitt, bascule bistable,
• Verrous et circuits basculeurs bistables
sans entrée d’horloge;
• Circuits dynamiques basculeurs bistables avec entrée d’horloge,
• Minuteries uniques
5. Acquisition de données et commande du
processus (20 heures)
• Transducteurs, signal conditionné
• Circuits, oscillateurs, conversion analogique à numérique
6. Interconnexion des ordinateurs et des
dispositifs (15 heures)
• Éléments du microordinateur 8, 16 ou
32 bus informatiques
Les étudiants doivent être capables de
• manipuler des nombres en différentes
bases (2, 8, 10, 16)
• Appliquer l’algèbre booléenne dans la
construction de circuits logiques
• Construire, analyser et synthétiser des
circuits logiques (multiplexeur, décodeurs, bascules de Smchmitt, circuits
flip-flops, minuteries)
Les étudiants doivent être capables de
• Expliquer le fonctionnement d’un transducteur en différents modes (tension,
lumière, piézo, température)
• Expliquer et appliquer les processus de
signal conditionné d’un transducteur
• Appliquer le signal conditionné en forme
numérique
• Expliquer les niveaux de composantes
d’un microprocesseur.
Université Virtuelle Africaine IX. Évaluation préliminaire
Êtes-vous prêts à apprendre l’électronique ?
Titre de l’évaluation anticipée : ÉLECTRONIQUE
Résumé : L’évaluation anticipée a pour objectif de déterminer ce dont l’apprenant
se souvient et sait de l’électronique apprise à l’école et donc, d’orienter l’esprit de
l’apprenant sur la charge de travail qui devra être couverte pendant ce cours. L’évaluation préliminaire n’est conçue en aucune façon pour décourager l’apprenant, mais
plutôt pour le motiver à commencer le cours avec beaucoup de préparation pour les
défis à venir.
9.1 Auto-évaluation concernant l’électronique
1 La résistance de matériaux semi-conducteurs dans une cellule photoconductrice
varie avec l’intensité de la lumière incidente.
a. b. c. d. directement
inversement
exponentiellement
logarithmiquement
2 Une cellule solaire fonctionne sur le principe de
a.
b.
c. d. diffusion
recombinaison
transport des flux
action photovoltaïque
3 Lequel de ces dispositifs a la plus grande sensibilité ?
a. b. c. d. cellule photoconductrice
cellule photovoltaïque
photodiode
phototransistor
4 En DEL, la lumière est émise parce que
a. b.
c. d. la recombinaison de porteurs de charge se produit
la lumière qui tombe sur la diode est amplifiée
la lumière reflétée est attribuée à l’action de lentilles
la diode est chauffée
Université Virtuelle Africaine 10
5 Un transistor en série régulateur de tension est appelé émetteur-suiveur régulateur
puisque l’émetteur du transistor de chute suit la tension.
a. b. c. d. base
entrée
sortie
collecteur
6 Un régulateur de tension par découpage peut être de type :
a. b. c. d. inverseur
élévateur
abaisseur
toutes ces réponses
7 Un régulateur de tension idéal a une régulation de tension de
a. b. c. d. 0
1
50
100
8 Les dispositifs électroniques qui convertissent la puissance en courant continu
en puissance c.a. se nomment
a. b. c. d. onduleurs
redresseurs
convertisseurs
transformateurs
9 La sortie d’un redresseur à simple alternance convient seulement aux
a. b. c. d. radios d’automobiles en marche
moteurs monophasés en marche
enregistreurs magnétiques en marche
piles en chargement
10 Lorsqu’utilisée dans un circuit, une diode Zener est toujours
a. b. c. d. polarisée en direct
polarisée en inverse
connectée en séries
dérangée par le surchauffage
Université Virtuelle Africaine 11
11 Les diodes de Zener sont principalement utilisées comme
a. b. c. d. redresseurs
amplificateurs
oscillateurs
régulateurs de tension
12 Un régulateur shunt ampli op. diffère d’un régulateur en série dans la façon dont
son élément de commande est connecté
a. b. c. d. séries avec résistance de ligne
parallèle avec résistance de ligne
parallèle avec résistance de charge
parallèle avec tension d’entrée
13 Les systèmes numériques fonctionnent habituellement sur un système
a. c. d. e. octal
binaire
décimal
hexadécimal
14 Le total de quatre bits binaires (1 + 1 + 1 + 1) donne
a. b. c. d. 1111
111
110
11
15 Le résultat de la multiplication binaire 1112 x 102 est
a. b. c. d. 1101
0110
1001
1110
16 Un TEC a des propriétés semblables à
a. b. c.
d. un transistor PNP
un transistor NPN
des tubes thermoélectriques
un transistor unijonction
Université Virtuelle Africaine 12
17 Le gain en tension d’un amplificateur à TEC source commune dépend de
a. b. c. d. son impédance d’entrée
son facteur d’amplification
sa résistance dynamique de drain
sa résistance de charge de drain
18 L’impédance d’entrée extrêmement élevée d’un transistor MOS est principalement causée par
a. b. c. d. l’absence de son canal
sa porte source de tension négative
sa diminution de porteurs de charge
le courant de fuite extrêmement petit de sa porte de condensateur
19 L’utilité principale d’un émetteur-suiveur est :
a. b. c. d. amplificateur de puissance
adaptation d’impédance
faible impédance
suiveur de signal de base
20 Le plus petit des quatre paramètres h d’un transistor est :
a. b.
c. d. hi
hr
h0
hf
Réponses clés
1. B
11. D
2. D
12. A
3. D
13. B
4. A
14. B
5. A
15. D
6. D
16. B
7. A
17. D
8. A
18. C
9. B
19. B
10. B
20. C
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Commentaire pédagogique à l’intention des apprenants
L’évaluation préliminaire est conçue pour déterminer vos connaissances en électronique et pour vous préparer à l’étude de ce module. Les résultats de cette évaluation
vous indiqueront les points à travailler et ceux sur lesquels vous devrez vous concentrer le plus lors de l’étude et de l’apprentissage de ce module. Comme vous l’avez
remarqué, la plupart des questions contiennent des sujets qui ne sont habituellement
pas appris à l’école.
Au début de ce module, vous réviserez la théorie de la bande d’énergie que vous avez
peut-être vue dans le cours de physique de l’état solide. Plus tard, vous apprendrez
sur la jonction PN et l’effet de diode, le circuit et les applications des diodes ordinaires. Vous devrez être en mesure d’expliquer la génération de porteurs de charge
de semiconducteurs intrinsèques et extrinsèques, la formation et l’application de la
jonction PN et enfin, être capable de construire et d’analyser des circuits de diodes
(p.ex., circuits d’alimentation électrique). Pour chaque autre activité, vous devez
atteindre les objectifs convenus. Par conséquent, il est recommandé de faire chaque
section de l’activité dans un ordre chronologique. Aux endroits où des connaissances
antérieures sont nécessaires, vous devez tout d’abord faire chaque sujet avant d’aller
plus loin.
De nombreuses références sont mentionnées tout au long de l’activité. Vous devez
avoir accès à ces références en tout temps. La plupart d’entre elles sont en ligne. Si
vous n’avez pas accès à Internet, il est recommandé de télécharger ces références et
de les garder sur copies d’écran. Nombre de ressources multimédias sont également
incluses. Elles sont très utiles puisqu’elles peuvent servir de professeur virtuel ou
de laboratoire virtuel. On vous encourage à utiliser ces ressources multimédias en
tout temps.
Université Virtuelle Africaine 14
X. Activités d’apprentissage et d’enseignement
Activité 1 : Circuits de diodes
Vous aurez besoin de 20 heures pour terminer cette activité. Seules des directives
de base sont fournies pour vous aider à faire cette activité. La lecture et le travail
personnel sont fortement recommandés.
Objectifs spécifiques d’apprentissage et d’enseignement
Dans cette activité vous
(i) expliquerez la génération de porteurs de charge dans les semiconducteurs
intrinsèques et extrinsèques.
(ii) expliquerez la formation et l’application de la jonction PN.
(iii) construirez et analyserez des circuits de diodes (p.ex., circuits d’alimentation
électrique).
Résumé de l’activité d’apprentissage
Cette activité inclut, entre autres, l’explication de la génération de porteurs de charge,
les semiconducteurs intrinsèques et extrinsèques, la formation et l’application de la
jonction PN et enfin, la façon de construire et d’analyser des circuits de diodes (p.ex.,
circuits d’alimentation électrique).
Lectures OBLIGATOIRES
Lecture 1
Référence complète : http://en.wikibooks.org/wiki/Electronics. 3 octobre 2007
Résumé : Livre complet sur l’électronique qui traite, entre autres, de circuits
analogiques, de tubes électroniques, de diodes, de transistors, d’amplificateurs,
d’amplificateurs opérationnels et de multiplicateurs analogiques.
Justification : Chaque sujet est présenté de façon très simple rendant la
lecture facile. Cependant, ce livre ne sert que de complément au processus
d’apprentissage.
Université Virtuelle Africaine 15
Lecture 2
Référence : http://en.wikipedia.org/wiki/electronics. 5 octobre 2007
Résumé : Cette lecture est composée de références obtenues de plusieurs sites.
Leur adresse URL peut être obtenue à partir d’une présentation sur écran de
cette lecture. En fait, tous les sujets importants de ce cours sont traités dans
cette lecture 2.
Justification : Cette référence fournit des sources faciles à lire pour que le
lecteur n’ait pas de problème.
Ressources multimédias
Référence : http://www.educypedia.be/electronics/javacollectors.htm.
Résumé : Cette ressource permet l’étude des caractéristiques du transistor
NPN.
Justification : Ce site donne une expérience virtuelle simple qui peut être
menée pour l’étude des caractéristiques du transistor NPN.
Référence : http://server.oersted.dtu.dk/personal/ldn/javalab/Circuit04.html
Justification : Cette ressource est pour un circuit d’un amplificateur en
émetteur commun (EC) primitif qui comprend un transistor NPN et des bases
externes -, collecteur - et résistances de charge. L’apprenant trouvera, pour
une série fixe de composantes de paramètres, les rayons de tension d’entrée
qui coupent, activent et saturent respectivement le transistor. Dans le cas
d’applications analogiques, l’apprenant déterminera le gain différentiel en
tension du circuit lorsque le transistor est dans le rayon actif. Pour ce qui est
des applications numériques, l’apprenant doit trouver le plus petit gain en
courant possible (bêta) et une résistance collectrice correspondante qui fait
du circuit un convertisseur fonctionnel et logique.
Justification : Cette ressource aide à l’apprentissage de la polarisation d’un
transistor NPN.
Référence : http://server.oersted.dtu.dk/personal/ldn/javalab/Circuit01.html
Résumé : Cette ressource donne un circuit équivalent de Thévenin avec une
charge dans laquelle l’énergie P est distribuée.
Justification : Ce site fournit une ressource utile dans l’apprentissage d’un
diviseur de tension.
Université Virtuelle Africaine 16
Liens utiles
Titre : Basic circuit analysis
Adresse URL :http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Electrical-Engineering-and-Computer-Science/6-002Circuits-and-ElectronicsFall2000/VideoLectures/index.
htm.
Résumé : Contiennent des diapositives de lecture accompagnant des vidéos
de lecture et des descriptions de démonstrations en direct montrées par un
instructeur.
Titre : Diodes
Adresse URL : http://jersey.uoregon.edu/~rayfrey/431/lab2_431.pdfhttp://
jersey.uoregon. edu/
Résumé : Ce site fournit du travail pratique sur les caractéristiques VI. De
plus, le site fournit des lectures sur les jonctions de transistor, les commutateurs
de transistor, les transistors saturés, etc.
Titre : Diode applications
Adresse URL : http://morley.eng.ua.edu/G332BW.pdf.
Résumé : Différentes applications des diodes sont présentées, notamment
l’alimentation électrique, le redresseur à simple alternance, le pont redresseur,
le redresseur à deux alternances avec filtre, etc.
Université Virtuelle Africaine 17
Description détaillée de l’activité
(Éléments théoriques principaux)
Activité 1.1 Révision de la théorie de la bande d’énergie
Concepts clés de la théorie de la bande d’énergie
Les concepts clés appris sur la théorie de la bande d’énergie en physique de l’état
solide sont :
(i) Que les niveaux d’énergie disponibles forment ce que nous appelons des
bandes.
(ii) Que dans les isolateurs, les électrons dans la bande de valence sont séparés
de la bande de conduction par un large espace appelé largeur de bande interdite.
(iii) Que les isolateurs ont une bande de conduction vide, mais une bande de
valence pleine.
(iv)Que dans les conducteurs comme les métaux, la bande de valence chevauche
la bande de conduction. Il n’y a donc pas de structure pour établir les trous.
Le courant total d’une telle structure est simplement un flux d’électrons.
(v) Que les propriétés électriques d’un matériau semi-conducteur reposent entre
celles des isolateurs et de bons conducteurs. En ce qui concerne la bande
d’énergie, les semiconducteurs peuvent être définis comme étant des matériaux qui ont une bande de conduction presque vide et une bande de valence
presque pleine. L’espace assez petit entre la bande de valence et la bande de
conduction permet à la thermique ou autre excitation de le combler. Avec un
si petit espace, la présence d’un petit pourcentage d’un matériau de dopage
peut faire augmenter la conductivité de façon spectaculaire.
(vi) Que les électrons les plus à l’extérieur d’un atome, p.ex., ceux dans la couche
la plus éloignée du noyau sont appelés électrons de valence et ont l’énergie
la plus élevée ou le moins d’énergie de liaison.
(vii) Que la bande d’énergie occupée par les électrons de valence est appelée
la bande de valence et qu’elle est la bande la plus occupée. Elle peut être
complètement remplie ou partiellement remplie d’électrons, mais elle n’est
jamais vide.
Université Virtuelle Africaine 18
Tâche 1.1
Instructions importantes
1. Pour chaque tâche, vous devez faire de brefs commentaires en utilisant certaines des références données et en incluant celles auxquelles vous pouvez avoir
accès.
2. Utilisez les livres électroniques disponibles et autres références, p.ex., http://hyperphysics. phy-astr.gsu.edu; to
(a) Révisez votre cours de physique de l’état solide et rafraîchissez votre mémoire
à propos des significations de : bande d’énergie, bande de valence, bande de
conduction, largeur de bande et niveau de Ferni.
(b) Faites de brefs commentaires sur chacun de ces termes.
(c) Distinguez les conducteurs, les semiconducteurs et les isolateurs.
(d) Dessinez, côte à côte, des diagrammes montrant les bandes d’énergie dans les
conducteurs, les semiconducteurs et les isolateurs.
(e) Expliquez ce que signifient semiconducteurs intrinsèques et énergie de
liaison.
Points d’apprentissage 1.1
Dans cette section, vous apprendrez :
(i) Que la position du niveau de Fermi relative à la bande de conduction est un
facteur important dans la détermination des propriétés électriques des matériaux.
(ii) Que la largeur de bande entre les bandes de valence dans un isolateur dit
qu’à températures ordinaires, aucun électron ne peut atteindre la bande de
conduction.
(iii) Que dans les semiconducteurs, la largeur de bande est assez petite pour que
l’énergie thermique puisse combler l’espace pour une petite fraction d’électrons. Dans les conducteurs, il n’y a pas de largeur de bande interdite puisque
la bande de valence chevauche la bande de conduction.
(iv) Que pour les semiconducteurs intrinsèques comme le silicium et le germanium,
le niveau de Fermi est essentiellement à mi-chemin entre la bande de valence
et la bande de conduction. Bien qu’aucune conduction ne se produise à 0 K,
à des températures plus élevées, la largeur des bandes d’énergie interdites est
diminuée et un nombre fini d’électrons peut atteindre la bande de conduction
et fournir du courant. La conductivité d’un semiconducteur augmente avec
la température.
(v) Qu’un semiconducteur intrinsèque est fait d’un matériau semi-conducteur
dans sa forme extrêmement pure. Autrement, un semiconducteur intrinsèque
peut être défini comme en étant un dans lequel le nombre de conductions
d’électrons est égal au nombre de trous.
Université Virtuelle Africaine 19
Activité 1.2
Origine des porteurs de charge
Nous pouvons développer ce concept en nous rappelant la structure de l’atome et ce
que sont les électrons de valence.
Tâche 1.2.1
Afin de comprendre l’origine des porteurs de charge, effectuez les tâches suivantes (a) Lisez et écrivez de brefs commentaires sur la signification de la structure de
l’atome.
(b) Dessinez les structures de l’atome du germanium (Ge) et du silicium (Si). Dessinez la distribution électronique d’un élément pour la comparer à la structure
de l’atome est également une bonne pratique. Par exemple, la distribution
électronique de l’atome de silicium (Z = 14) est montrée dans la figure 1.1.
Conduc
tion band
Bande
de
Va lenc
e band
Bande
2
nd
conduction
de valence
band
2e bande
st
1 band
1re bande
Figure1.1. Distribution électronique d’un atome de silicium
(c) La structure de l’atome que vous avez dessinée pour Ge devrait montrer que
le germanium est composé de :
(i) un noyau central chargé positivement et
(ii) quatre électrons dans l’orbite la plus extérieure. Ces quatre électrons se
nomment électrons de valence. Ceci est le même nombre d’électrons que
dans la bande de valence.
1.2.2 Semiconducteurs intrinsèques : Électrons et trous
Des exemples communs de semiconducteurs sont le germanium et le silicium qui
ont des largeurs de bandes interdites 0,72 eV et 1,1 eV respectivement. À des températures au-dessus de 0 K, certains électrons sont excités à la bande de conduction
en laissant derrière les trous chargés positivement dans la bande de valence, comme
montrée dans la figure 1.2. Prenez note que seulement les bandes de valence et de
conduction sont montrées, puisque les bandes les moins remplies ne sont d’aucune
conséquence.
º Université Virtuelle Africaine 20
Électrons
libres
Bande de
conduction
Trous
Bande de
valence
Figure 1.2. Électrons excités à la bande de conduction laissant les trous chargés
positivement dans la bande de valence.
Si une tension externe est appliquée à travers le silicium, la conduction d’électrons
bouge vers l’anode, pendant que les trous dans la bande de valence bougent vers la
cathode (montré dans la figure 1.3). D’où le courant semi-conducteur qui consiste
en un mouvement d’électrons et de trous en direction opposée.
Courant de
trous
Courant
d'électrons
Figure 1.3. La conduction d’électrons bouge vers l’anode (+), pendant que les trous
dans la bande de valence bougent vers la cathode (-) lorsque la tension est appliquée
à travers ceux-ci. La conduction de paires électron-trou formée constitue les porteurs
de charge. Le nombre ni , des porteurs de charge thermique générée par unité de
volume est donné par l’équation (1).
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ni = N exp (- E g / 2kT )
(1)
N est la constante pour un semiconducteur donné, E g est l’énergie de bande interdite,
k est la constante de Boltzmann et T est la température en kelvins.
De la même façon, σ , d’un semiconducteur est donné par l’équation (2).
σ = ni e (μe + μh )
(2)
où, e, est la charge électronique, μ e est la mobilité de l’électron et μ h est la mobilité
du trou.
Points d’apprentissage 1.2
(i) À partir de la configuration des atomes, le nombre maximum d’électrons
qu’une couche peut avoir est 2n2 ; dans la nième couche il y a n sous couches qui ont différentes valeurs de 1 tel que 0, 1, 2, … (n-1); chaque sous
couscouches peut loger un maximum de 2 (2l + 1) électrons.
(ii) Ge et Si ont quatre électrons dans la bande de valence ou dans la couche la
plus externe.
(iii) les électrons de conduction sont trouvés et circulent librement dans la bande
de conduction.
(iv) les trous existent et circulent dans la bande de valence.
(v) les électrons de conduction bougent presque deux fois plus vite que les électrons.
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Activité 1.3. Niveau de Fermi dans un semiconducteur intrinsèque
En thermodynamique statistique, le nombre d’électrons, nc , dans la bande de
conduction est donné par l’équation (3)
nc = N ⋅ P (E g )
(3)
( )
P E g est la probabilité qu’un.électron ait une énergie E g . En utilisant la distribution
de probabilité de Fermi-Dirac dans l’équation (4),
P (E ) =
1
(E - E F )/ kT
1+ e
(4 )
P (E ) probabilité de trouver un électron avec l’énergie E, E F est le niveau de Fermi.
Cela signifie que :
1
P (E g )=
(E g - E F )/ kT
1+ e
(5)
(6 )
Donc
nc =
N
(E g - E F )/ kT
1+ e
Tâche 1.3.1 Exercice
(a) Utilisez l’information donnée dans les équations (3) - (6 ) et montrez que
EF = Eg / 2
Indice : N = nc + nv = le nombre d’électrons dans les deux bandes; nv est le nombre
d’électrons dans la bande de valence.
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Points d’apprentissage 1.3
Les hypothèses faites sont que :
(i) les largeurs des bandes d’énergie sont petites comparées à la largeur de bande
interdite entre elles.
(ii) puisque les largeurs des bandes sont petites, tous les niveaux d’énergie dans
une bande ont la même énergie.
(iii) l’énergie de tous les niveaux dans la bande de valence est zéro.
(iv) l’énergie de tous les niveaux dans la bande de conduction est égale à E g
Activité 1.4. Semiconducteurs extrinsèques
Ici, vous apprendrez que :
A. Un semiconducteur est dit être dopé quand une extrême petite quantité d’impureté y est ajoutée. De tels semiconducteurs se nomment extrinsèques ou
semiconducteurs impurs.
B. Les agents dopants communs sont :
(i) les atomes pentavalents ayant cinq électrons de valence (p.ex., arsenic,
antimoine et phosphore).
(ii) des atomes trivalents ayant cinq électrons de valence (p.ex., gallium,
indium, aluminium, bore).
C. L’atome pentavalent de dopage est connu comme atome donneur puisqu’il
donne un électron à la bande de conduction de germanium pur.
D. L’atome trivalent de dopage se nomme accepteur puisqu’il accepte un électron
de l’atome de germanium.
E. Par conséquent, deux types de semiconducteurs extrinsèques peuvent être
formés. Ils sont : les semiconducteurs de type N et les semi-conducteurs de
type P.
Activité 1.4.1 Semiconducteur de type N
Le semiconducteur de type N peut être formé lorsque l’antimoine est ajouté au Si en
tant qu’impureté. Une illustration est montrée dans la figure 1.4. (a) Chaque atome
d’antimoine forme des liaisons covalentes avec quatre atomes de germanium, mais
le cinquième électron de l’antimoine demeure lié à celles-ci de façon approximative.
Cet électron libre peut facilement être excité par la bande de valence à la bande de
conduction à l’application de champ électrique ou d’énergie thermique.
• Prenez note que chaque atome d’antimoine ajouté dans les réseaux de germanium donne un électron de conduction dans le réseau de germanium sans
créer un trou positif.
Université Virtuelle Africaine 24
Type N
L’atome donneur
donne des électrons
libres
Antimoine
ajouté en tant
qu’impureté
Type P
L’atome accepteur
créé un trou
Bore ajouté en
tant qu’impureté
Figure 1.4
(a) Semiconducteur de type formé en ajoutant l’antimoine au Si
(b) Semiconducteur formé en ajoutant le bore au Si
L’atome donneur devient un ion chargé positivement après avoir donné un de ses
électrons de valence, mais il ne peut prendre part à la conduction puisqu’il est fixé
fermement dans le réseau cristallin.
L’ajout d’antimoine augmente beaucoup le nombre d’électrons de conduction. La
concentration d’électrons dans la bande de conduction est donc augmentée et dépasse
la concentration de trous dans la bande de valence. Dans cette situation, on voit que
les électrons de semiconducteurs de type N sont les porteurs majoritaires tandis que
les trous constituent les porteurs minoritaires. Lorsque le nombre de porteurs de
charge dans la bande de conduction augmente, le niveau de Fermi augmente vers la
bande de conduction, comme montré dans la figure Fig 1.5(b).
Université Virtuelle Africaine 25
Figure 1.5 Démontre les positions relatives du niveau de Fermi à la bande de
conduction
Activité 1.5 Semiconducteur extrinsèque de type P
Ici, vous apprendrez que :
Un semiconducteur extrinsèque de type P est formé lorsqu’un atome trivalent tel le
bore est ajouté à du germanium cristal pur (ou du silicium cristal pur) tel que montré
dans la figure 1.4(b). Les trois électrons de valence d’atome de bore forment des
liaisons covalentes avec quatre atomes de silicium environnants, mais une liaison
est laissée incomplète. Cela donne lieu à un trou. L’atome accepteur produit autant
de trous positifs dans le silicium de cristal qu’il y a d’atomes de bore et un semiconducteur extrinsèque de type P est donc formé. Dans le semiconducteur de type P, la
conduction est le mouvement des trous dans la bande de valence. Les trous constituent
les porteurs majoritaires tandis que les électrons constituent les porteurs minoritaires.
Contrairement à ce qui se passe dans le semiconducteur de type N, le niveau de Fermi
dans le type P change vers la bande de valence, Figure 1.5(a) puisque les porteurs
majoritaires qui sont les trous, sont trouvés dans la bande de valence.
Activité 1.6 Conductivité des semiconducteurs intrinsèques
Dans un semiconducteur intrinsèque, le courant total I , est causé par la somme du
flux des électrons et du courant des trous. Ceci est donné par l’équation (7 ) .
I = I e+I h
À partir de l’équation (7), on peut montrer que
(7 )
Université Virtuelle Africaine 26
(i ) I = ni e (μe + μh ) AV / l
(ii ) ρτ =
(iii ) Densité de courant, J = ni e (μe + μ h ) E = σ i E
(8)
(9 )
1
ohm - m
ni e (μe + μh )
(10 )
où A est la coupe transversale du semi-conducteur, V est la tension à travers sa
longueur, l , E est le champ électrique. Les autres symboles ont leur signification
habituelle.
Tâche 1.6.1 Prise de notes et vérifications d’équations
(a) Utilisez les références disponibles et vérifiez les équations (8), (9) et (10)
Indice : Prenez note que dans un semiconduteur intrinsèque, ni = pi (le nombre de
trous).
Activité 1.7 Conductivité du semiconducteur extrinsèque
Dans les semiconducteurs extrinsèques, la densité de courant, J, est donnée par les
équations (11) et (12).
(i) Pour un semiconducteur de type N J n = e (nn μe + pn μ h ) E .
(
)
(ii) Pour un semiconducteur de type P J p = e np μe + pp μ h E .
(11)
(12 )
où nn , et pn sont les densités de l’électron et du trou dans un semiconducteur de
type N après le dopage et n p et pp sont l’électron et le trou dans un semiconducteur
P après le dopage.
Tâche 1.7.1
• Vous devez essayer de résoudre plusieurs problèmes numériques relativement
à l’activité 1.6 afin d’acquérir de la confiance dans ce sujet.
Université Virtuelle Africaine 27
Activité 1.7.2 Dérives
Dans cette activité, vous apprendrez que :
Le mouvement dirigé des porteurs de charge dans les semiconducteurs se produit à
partir de deux mécanismes :
i. Dérive d’une charge sous l’influence d’un champ électrique appliqué et
ii. Diffusion d’une charge à partir d’une région de haute densité de charge à une
région de basse densité de charge.
Lorsqu’un champ électrique est appliqué à un cristal, les porteurs de charge atteignent
un mouvement direct, lequel résulte en une vitesse moyenne nette appelée vitesse
de dérive, v, dans la direction du champ électrique appliqué, E et produit un courant.
La relation entre v et E est :
v = μE
μ est la mobilité.
(13)
La densité de courant totale causée par un électron et un trou de dérive est :
J = J e + J h = eμenE + eμ h pE = e (nμe + pμ h ) E
(14 )
où n et p sont la densité électronique et la densité de trou respectivement.
Activité 1.7.3 : Diffusion
Les concepts principaux appris dans cette section sont :
(i) Que la diffusion est un flux de charge progressif à partir d’une région de
haute densité à une région de basse densité qui mène finalement à un courant
électrique sans qu’un champ électrique soit appliqué.
(ii) Que la diffusion des porteurs est proportionnelle au gradient de la densité de
porteurs et la constante de diffusion ou le coefficient de diffusion D, lequel a
une unité de m2 / s .
(iii) Que la densité de courant causée par la diffusion de trou est :
J h = -eDh
dp
. et
dx
(15)
De la même façon, la densité de courant actuelle, causée par la diffusion d’électrons
est :
Université Virtuelle Africaine 28
Où
J e = -eDe
dn
.
dx
(16 )
D e , D h = constantes de diffusion d’un électron et d’un trou respectivement
dn
= gradient de densité d’électrons.
dx
dp
= gradient de densité de trous.
dx
Pour voir une simulation de diffusion qui montre la façon dont le niveau de Fermi
varie avec la concentration de porteurs, voir : http://jas.eng.buffalo.edu/education/
semicon/fermi/bandAndLevel/index.html. http://jas.eng.buffalo.edu/education/
semicon/fermi/bandAndLevel/index.html
10 octobre 2007.
Activité 1.7.4. Dérive combinée et courants de diffusion
Les processus de dérive et de diffusion peuvent être présents simultanément dans les
semiconducteurs. Les expressions pour les densités totales d’un électron et d’un trou
sont donc données par l’équation (17).
J e = eμenE + eDe
dn
A / m2
dx
and
J h = eμh pE - eDh
dp
A / m2
dx
(17 )
Activité 1.7.5 Recombinaison
(i) La recombinaison est également un phénomène qui se produit dans les semiconducteurs.
(ii) Elle est le résultat d’une collision entre un électron et un trou, alors que la
conduction libre retourne à la bande de valence.
(iii) La recombinaison est accompagnée de l’émission d’énergie.
À part tout cela, la production thermique des paires électron-trou prend place de façon
continue dans les semiconducteurs. Il y a donc un taux de recombinaison net donné
par la différence entre la recombinaison et les taux de recombinaison.
Université Virtuelle Africaine 29
Pour en apprendre plus sur la diffusion, la dérive et la recombinaison, connectezvous à http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/diffusion/diffusion.htmlhttp://jas.
eng.buffalo.edu/education/semicon/diffusion/diffusion.html. 7 octobre 2007
Activité 1.8
Jonction PN
Dans cette section, vous apprendrez que :
(i) Une jonction PN est formée en joignant un semiconducteur dopé de type P et un
semiconducteur dopé de type N dans une seule partie d’un semiconducteur.
(ii) Le plan qui divise le type P du type N se nomme jonction.
De plus, vous apprendrez que les trois phénomènes suivants surviennent :
1. Une mince couche ou zone désertée (aussi appelée zone de charge d’espace
ou zone de transition) est établie de chaque côté de la jonction et qu’elle est
appelée ainsi puisqu’elle est diminuée de porteurs de charge libre. Son épaisseur est d’environ 10 - 6 m. Voir figure 1.6.
2. Un potentiel de barrière ou un potentiel de jonction est développé à travers la
jonction.
3. La présence d’une couche désertée donne lieu à une jonction et à des capacités
de diffusion.
Activité 1.9 Formation d’une couche désertée
Dans cette activité, les points importants à apprendre incluent :
(i) Qu’au début de la formation d’une jonction PN, la concentration de trous
dans une zone P est plus grande que celle des électrons dans une zone N (où
ils existent en tant que porteurs minoritaires).
(ii) Cette différence de concentration établit le gradient de densité à travers la
jonction, lequel mène à certains des électrons libres et mobiles dans la zone
N pour se répandre à travers la jonction et se combiner avec les trous, afin de
former des ions négatifs.
(iii) Ces électrons libres laissent les ions positifs derrière, dans la zone N.
(iv) Par conséquent, une charge d’espace se développe, menant ainsi à la création
d’une zone étroite à la jonction, appelée couche désertée. Voir figure 1.6.
(v) La couche désertée entrave tout autre transfert d’électrons, à moins que la
jonction ne soit polarisée en direct.
Université Virtuelle Africaine 30
Type P
Zone semiconducteur
La combinaison d’électrons et de trous diminue les trous dans la zone P et les
électrons dans la zone N, près de la jonction.
Zone désertée
Type N
électron
trou
ion négatif d’un trou rempli
ion positif d’un électron enlevé
Figure 1.6. Zone désertée formée des deux côtés de la jonction
Activité 1.10 Origine de la jonction ou de la tension seuil de conduction
Les concepts clés à apprendre sont :
(i) Une différence de potentiel électrique V B connue comme jonction ou tension
seuil de conduction est établie à travers une jonction PN même lorsque la
jonction est isolée de l’extérieur.
(ii) L’établissement d’un potentiel de barrière est causé par des rangées fixes
d’ions chargées de façon opposée sur l’un ou l’autre des côtés de la couche.
(iii) L’existence d’un potentiel de barrière, V B , arrête tout autre flux de porteurs
à travers la jonction, à moins qu’il ne soit fourni par l’énergie d’une source
externe.
(iv) À la température de la pièce de 300º K, V B est environ 0,3 V pour Ge et 0,7 V
pour Si.
(v) Le potentiel de barrière est donné par l’équation 18 :
Université Virtuelle Africaine 31
⎛N N ⎞
V B = V T log e ⎜ a 2 d ⎟
⎝ ni ⎠
(18)
Où
N d est la densité électronique, N a est la densité du trou, ni est la densité électronique
avant le dopage,
VT = V300
kT 1.38 ×10-23 × 300
=
=
= 26 mV
e
1.6 ×10-19
Activité 1.11. Bande d’énergie PN en équilibre
Ici, vous apprendrez que :
(i) En équilibre, le niveau de Fermi concorde avec les deux côtés de la jonction.
Les électrons et les trous atteignent donc un équilibre à la jonction et forment
une zone désertée, comme démontré dans la figure 1.7.
(ii) La direction vers le haut dans la figure 1.7 représente une augmentation
d’énergie d’électrons. Cela signifie que l’énergie doit être fournie pour qu’un
électron s’élève dans le diagramme et pour que l’énergie fournie fasse en sorte
qu’un trou baisse.
Zone désertée
Niveau de Fermi
Bande de conduction
Bande de valence
Jonction PN
Figure 1.7. Position du niveau de Fermi dans la bande d’énergie PN en équilibre
Université Virtuelle Africaine 32
Activité 1.11 Bande d’énergie PN en polarisation directe
Dans cette section, vous apprendrez que lorsque la bande d’énergie PN est en polarisation directe telle que démontré dans la figure 1.8 :
Les électrons dans la bande de conduction dans le matériau de type N sur la diffusion
à travers la jonction se trouvent à une énergie plus élevée que les trous dans un matériau de type P. Par conséquent, ils se combinent facilement avec ces trous, rendant
un courant direct continu possible à travers la jonction.
Pour voir une démonstration d’une jonction PN sous polarisation, allez à
http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/biasedPN/index.html. 5 octobre 2007
La combinaison d’électrons et de trous se produit près de la jonction
Les trous se déplacent vers la jonction à partir du côté positif
Bande de conduction
Les électrons se déplacent vers la jonction à partir du côté négatif
Bande de valence
Jonction PN
Figure 1.8. Bande d’énergie PN en polarisation directe
Université Virtuelle Africaine 33
Activité 1.12. Conduction polarisée en direct
Voilà ce qui se produit lors d’une conduction polarisée en direct :
(i) Le courant direct dans une jonction PN comprend des électrons d’un matériau de type N qui se déplacent vers la gauche à travers la jonction et qui se
combinent avec des trous dans le matériau de type P.
(ii) Les électrons se déplacent encore plus vers la gauche en sautant de trou en trou,
donnant l’illusion que les trous se déplacent vers la droite. Voir figure 1. 9.
Figure 1. 9 Conduction polarisée en direct
Activité 1.13 Jonction PN polarisée en inverse
(i) Dans une jonction PN polarisée en inverse, figure 1.10, une tension inverse
fait en sorte qu’un courant transitoire circule tandis que les électrons et les
trous sont amenés loin de la jonction.
(ii) Le courant cessera, sauf dans le cas de petit courant thermique lorsque le potentiel formé par la zone de déplétion élargie est égal à la tension appliquée.
Zone de déplétion
Figure 1.10 Jonction PN polarisée en inverse
Université Virtuelle Africaine 34
Activité 1.14 Bande d’énergie PN polarisée en inverse
Zone désertée
Bande de valence
Bande de conduction
Jonction PN
Figure 1.11 Bande d’énergie PN polarisée en inverse
Dans une polarisation inversée, voici ce qui se produit :
(i) Le côté P devient plus négatif, le rendant finalement ardu pour les électrons
se déplaçant au travers de la jonction telle que montrée dans la figure 1.11.
(ii) Dans le diagramme, la direction de conduction des électrons est de la droite
vers la gauche et la direction vers le haut représente l’énergie d’électrons.
Activité 1.15 Diode à jonction PN
(a) Construction
Une diode à jonction PN est un bipôle qui consiste en une jonction PN formée en
Ge ou en Si cristal.
(a)
(b)
Figure 1.12 Diode de jonction PN
Université Virtuelle Africaine 35
Son symbole graphique est montré dans la figure 1.12 (b). Les zones de type P et N
sont appelées anode et cathode, respectivement. Dans la figure 1.12 (b), la pointe de
la flèche indique la direction habituelle de l’intensité de courant, lorsque polarisée
en direct. La direction est la même pour le courant de trous.
Activité 1.16 Applications des diodes
Activité 1.16.1 Redressement à une alternance
(a)
(b)
Figure 1.13 Redressement à une alternance
Écrivez de brefs commentaires pour expliquer la façon dont la tension de sortie dans
la figure 1.13 (c) est obtenue lorsque le courant alternatif, figure 1.13 (a), est alimenté
au circuit dans la figure 1.13 (b). Utilisez la référence suivante :
http:// ourworld.compuserve.com/homepages/g_knott/elect205.htm. (6 octobre 2007)
Université Virtuelle Africaine 36
Activité 1.16.2 Redressement à deux alternances
Dans cette activité, vous devez utiliser le diagramme de la figure 1.14 pour expliquer
la façon dont le courant alternatif est totalement rectifié.
Entrée
Sortie
Figure 1.14
Utilisez le schéma de la figure 1.14 pour expliquer la façon dont les diodes D1, D2,
D3, et D4 provoquent un courant alternatif à être totalement rectifié.
Utilisez le lien suivant : http://ourworld.compuserve. com/homepages/g_knott/
elect207.htm.
6 octobre 2007
Activité 1.16.3 Doubleur de tension
Dans cette activité, vous devez utiliser le circuit de la figure 1.15 pour expliquer la
façon dont la tension d’entrée est doublée à la sortie.
Université Virtuelle Africaine 37
Figure 1.15 Doubleur de tension
Afin de décrire ce qui se produit dans un doubleur de tension, vous devez utiliser le
concept appris lors de l’explication du travail d’un redresseur à une alternance.
Auto-évaluation
1. (a) Trouvez la concentration intrinsèque de porteurs dans le silicium à 350 K
pour lequel
N = 5 ×1025 m-3 ,
E g = 1.1 eV, k = 1.38 × 10 - 23 J/K.
(b). En utilisant la solution du problème en (a), déterminez la conductivité du
silicium si
μe = 0.14 m2 / V - s et μh = 0.05 m2 / V - s .
2.
(a) Utilisez les informations données dans les équations (3) - (6 ) et démontrez
que E F = E g / 2
Indice : N = nc + nv = le nombre d’électrons dans les deux bandes; nv est le
même que le nombre d’électrons dans la bande de valence.
3. (a) Bien qu’un semiconducteur de type N ait un excès d’électrons et qu’un
semiconducteur de type P ait un excès de trous pour la conduction, ils demeurent
toujours neutres électriquement. Expliquez pourquoi.
(b) Expliquez ce que signifient « excès » et « déficit » de conduction.
4. (a) Expliquez l’origine du potentiel de barrière.
(b) Identifiez les facteurs desquels dépend le potentiel de barrière.
(c) Expliquez la façon dont chacun de ces facteurs influence la magnitude du
potentiel de barrière pour une jonction PN donnée.
Université Virtuelle Africaine 38
Activité 2 : Circuits à transistors
Vous aurez besoin de 25 heures pour terminer cette activité. Seulement des directives
de base sont fournies pour vous aider à faire cette activité.
Objectifs spécifiques d’apprentissage et d’enseignement
• Expliquer la façon dont un transistor bipolaire à jonctions fonctionne
• Construire et analyser un transistor bipolaire à jonctions de base en différentes
configurations (EC, BE, BC)
• Expliquer la façon dont un transistor à effet de champ à jonctions (TEC)
fonctionne
• Construire et analyser des circuits TEC en configurations CD et CS.
• Expliquer la façon dont un transistor MOS fonctionne
• Construire et analyser des circuits à transistor MOS.
Résumé de l’activité d’apprentissage
Cette activité concerne le fonctionnement du transistor bipolaire à jonctions. Cela
inclut, entre autres, la jonction EB polarisée en direct ; la jonction BC polarisée en
inverse, la tension, le courant et le contrôle de charge, la configuration des transistors,
les circuits à transistors et les courants de fuite dans un transistor. Un certain nombre
d’équations sont également dérivées. Ceci inclut, entre autres choses, la relation entre
les courants de transistors. De plus, l’activité permet l’apprentissage des caractéristiques statiques d’un transistor, p.ex., les caractéristiques entrantes, les caractéristiques
sortantes et les caractéristiques du transfert de courant constant (CC). La dernière
partie de cette activité concerne le fonctionnement d’un transistor à effet de champs
(TEC) et d’un transistor MOS.
Lectures obligatoires
Lecture 1 : Electronics WIKIBOOKS
Référence : http://en.wikibooks.org/wiki/Electronics. 5 octobre 2007
Résumé : Les sujets traités dans cette lecture incluent : les circuits analogiques, les circuits numériques, les éléments des circuits numériques, l’architecture d’ordinateur et convertisseurs analogique à numérique et numérique
à analogique.
Justification : Cette lecture couvre de façon adéquate le cours de base en
électronique, résumé dans l’activité.
Université Virtuelle Africaine 39
Lecture 2 : Electronics
Référence : http://en.wikipedia.org/wiki/electronics. 5 octobre 2007
Résumé : Cette lecture est formée de références obtenues à partir de plusieurs
sites. Leur adresse URL peut être obtenue à partir d’une capture d’écran de
cette lecture. En fait, tous les sujets importants de ce cours se retrouvent dans
cette lecture 2.
Justification : Cette référence fournit des sources sur l’électronique faciles
à lire. Le lecteur ne devrait pas avoir de problème à les utiliser.
Ressources MULTIMÉDIAS
Références : http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/fermi/bandAndLevel/index. html.
4 octobre 2007
Résumé : La ressource démontre les niveaux de Fermi comparés à la concentration de porteurs et le dopage des donneurs comparé aux atomes accepteurs.
Justification : Aide à l’apprentissage de la concentration de porteurs, du
dopage des donneurs et des atomes receveurs.
Référence : http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/BjtFet/index.html.
4 octobre 2007
Résumé : Les étapes de fabrication d’une paire métal-oxyde-semiconducteur
(MOS), d’un transistor à effet de champ (TEC) et d’un transistor bipolaire
à jonctions sur une tranche de silicium sont illustrées dans cet applet. Les
quatre touches, « first », « previous », « next » et « last » vous permettent de
voir les fonds d’images à différentes étapes de la fabrication du dispositif. La
touche « animate_next » vous montre les séquences temporelles de la vitesse
de fabrication étape par étape. La capacité d’animation vous enseigne très
clairement les étapes physiques impliquées. Les étapes de fabrication d’un
semiconducteur comprennent plusieurs étapes physiques, chimiques et thermiques. Cet applet vous permettra de les comprendre.
Justification : Ressource d’apprentissage utile.
Référence : http://jas.eng.buffalo.edu/education/transistor/n_MOS_IV/mosfet.
html.
4 octobre 2007
Résumé : Cette ressource présente un applet qui calcule et détermine les caractéristiques sortantes d’un transistor MOS canal N (mode d’enrichissement).
Essayez de changer la gamme de la tension drain source et (ou) la valeur de
départ de la polarisation de seuil (« début ») ou d’autres valeurs et voyez le
Université Virtuelle Africaine 40
changement du courant drain comparé à la polarisation drain.
Justification : Ressource utile pour l’apprentissage du calcul et de la détermination des caractéristiques sortantes d’un transistor MOS canal N.
Liens utiles
Titre : MOSFET amplifier
Adresse URL : http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Electrical-Engineering-and-Computer-Science/6-002Circuits-and-ElectronicsFall2000/VideoLectures/index.
htm. 4 octobre 2007
Résumé : Contient des diapositives de lecture accompagnant des vidéos de
lecture et des descriptions de démonstrations en direct montrées par un instructeur.
Titre : BJT and FET transistors
Adresse URL : http://www.nhn.ou.edu/~bumm/ELAB/Lect_Notes/BJT_
FET_transitors_v1_1.html.
3 octobre 2007
Résumé : Ce site fournit du bon matériel de lecture sur les transistors bipolaires à jonctions et sur les TEC.
Titre : Bipolar junction transistor.
Adresse URL : http://en.wikipedia.org/wiki/Common_collector. 4 octobre 2007
Résumé : Fournit du très bon matériel de lecture sur la structure des transistors NPN, les transistors PNP, les transistors bipolaires à hétérojonction, les
circuits de transistors et les applications des transistors.
Titre : CMOS.
Adresse URL : http://en.wikipedia.org/wiki/CMOS. 4 octobre 2007
Résumé : Fournit du bon matériel de lecture sur la structure du circuit NONET, de la commutation d’alimentation et de la fuite d’énergie.
Titre : Common Source
Adresse URL http://en.wikipedia.org/wiki/Common_source. 4 octobre 2007
Résumé : Fournit des lectures sur les caractéristiques de la largeur de bande.
Titre : JFET.
Adresse URL : http://en.wikipedia.org/wiki/JFET”. 4 octobre 2007.
Résumé : Fournit du bon matériel de lecture sur la structure, la fonction, les
symboles schématiques du TEC et une comparaison avec d’autres transistors.
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Description détaillée de l’activité
Dans cette section, on présente un mélange de la théorie et des instructions sur ce
que l’apprenant devrait faire pendant l’apprentissage de ce module. On suggère à
l’apprenant de terminer chaque section complètement avant d’aller à la prochaine
section ou activité. Pour chaque section, on conseille à l’apprenant de consulter les
références recommandées. Ceci est important puisque les instructions et activités
décrites sont en formes brèves.
Activité 2.1 Façon dont un transistor bipolaire à jonctions fonctionne
Dans cette section, vous apprendrez la façon dont le transistor bipolaire à jonctions
fonctionne et les clés d’apprentissage incluront que :
(i) Un transistor bipolaire à jonctions consiste en trois zones de semiconducteurs
dopés différemment, une zone émettrice, une zone de base et un collecteur. Ces
régions sont respectivement, type p, type n et type p dans un transistor PNP,
()
Figure 2.1 a , et type n, type p et type n dans un transistor NPN, Figure 2.1
(b) . Chaque zone de semiconducteur est connectée à un terminal, étiquetée
de façon appropriée : émetteur (E) , base (B), et collecteur (C).
(ii) Un transistor bipolaire à jonctions peut être utilisé pour développer ou changer
les applications.
(iii)Les transistors bipolaires sont appelés ainsi puisque leur fonctionnement
nécessite les électrons et les trous.
(iv)Bien qu’une petite partie du transistor courant soit causé par le débit des porteurs majoritaires, la majorité du transistor courant est causé par le débit des
porteurs minoritaires. Les transistors bipolaires à jonctions sont donc classés
comme étant des dispositifs porteurs minoritaires.
Transistor PNP
Transistor NPN
Figure 2.1 Symboles schématiques des transistors bipolaires à jonctions de type
PNP et NPN
(v) La flèche dans le symbole du transistor est sur la jambe émetteur et pointe
dans la direction de l’intensité de courant habituelle lorsque le dispositif est
en mode avant actif.
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Électrons
Trous
Recombinaison
Figure 2.2 Transistor bipolaire à jonctions NPN BJT avec jonction E–B polarisée
dans le sens direct et jonction B C polarisée en inverse
(vi) Dans le fonctionnement habituel d’un transistor NPN, la jonction base émetteur
est polarisée dans le sens direct et la jonction base collecteur est polarisée en
inverse. Voir la figure 2.2.
NB. Dans la figure 2.2, la tension entre E et B est définie comme VBE et entre C
et B comme VCB . L’importance de ces indices est que la base est positive en ce qui
concerne l’émetteur et que le collecteur est positif en ce qui concerne la base.
(vii) Lorsqu’une tension positive est appliquée à la jonction base émetteur,
l’équilibre entre les porteurs générés thermiquement et le champ électrique
répulsif de la déplétion devient instable, ce qui permet aux électrons excités
thermiquement de s’injecter dans la zone de base. Ces électrons se répandent
à travers la base à partir de la zone de haute concentration près de l’émetteur
vers la région de basse concentration près du collecteur.
(viii) Les électrons dans la base se nomment les porteurs minoritaires puisque la
base est dopée type P. Les trous sont donc les porteurs majoritaires dans la
base.
(ix) La zone de base du transistor doit être mince pour que les porteurs puissent se
répandent à travers celle-ci en beaucoup moins de temps que la durée de vie des
porteurs minoritaires d’un semiconducteur, afin de minimiser le pourcentage
de porteurs qui se reforment avant d’atteinde la jonction base collecteur.
(x) La jonction base collecteur est polarisée en inverse. C’est pourquoi seulement
une petite quantité d’injection d’électrons se produit à partir du collecteur
jusqu’à la base. Par contre, les électrons qui se répandent à travers la base
vers le collecteur sont balayés dans le collecteur par le champ électrique dans
la zone désertée de la jonction base collecteur.
Université Virtuelle Africaine 43
Activité 2.1.2 Définitions des concepts clés
(i) Émetteur- Il est plus fortement dopé que n’importe quelles autres zones puisque sa fonction principale est de fournir des porteurs de charge majoritaires
à la base.
(ii) Base- Elle forme la zone du milieu du transistor. Elle est très fine comparée
à l’émetteur ou au collecteur et est légèrement dopée.
(iii) Collecteur- Sa fonction principale est de rassembler les porteurs de charge
venant de l’émetteur et de les faire passer à travers la base.
(iv) La structure de NPN et du transistor bipolaire à jonctions est démontrée dans
la figure 2.3.
Figure 2.3. Structure de NPN et du transistor bipolaire à jonctions
(v) Le collecteur est beaucoup plus large que l’émetteur puisqu’il doit dissiper
beaucoup plus d’énergie et rassembler la plupart des nouveaux porteurs de
charge.
Tâche 2.1
Utilisez “http://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistor, (7 octobre 2007),
et Theraja; et écrivez de brefs commentaires sur :
(i) les transistors PNP
(ii) la façon dont les transistors sont construits
(iii) les propriétés pratiques physiques principales du transistor NPN et du transistor bipolaire à jonctions
(iv) Les cinq zones distinctes du fonctionnement du transistor bipolaire à jonctions :
en activité; inversée ; saturation ; coupure et Avalanche ventilation région.
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Activité 2.1.3 Tension, courant et contrôle de charge
(a) En utilisant la référence “http://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistor, (7 octobre 2007) vous apprendrez que le courant collecteur émetteur :
(i) peut être vu comme étant contrôlé par le courant base-émetteur (régulation
de courant), ou
(ii) par la tension base-émetteur (régulation de tension).
(iii) Ces vues sont liées à la relation courant-tension de la jonction base-émetteur.
(iv) L’explication physique pour le courant collecteur est la quantité de porteurs
de charge minoritaires dans la zone de base.
(v) Dans un modèle de circuit linéaire, la vue de la régulation de courant est souvent
préférée puisqu’elle est à peu près linéaire. Le courant collecteur est environ
β dc (voir équation 2.2) fois le courant de base. Le modèle de régulation de
tension recquiert une fonction exponentielle pour être pris en compte.
Activité 2.1.4 Configuration de transistor
Dans cette section, vous apprendrez sur les trois types de connexion d’un transistor
bipolaire à jonctions
N N 18
VB = VT log e a 2 d 1. Il y a trois types de circuits
pour faire fonctionner un transistor,
ni connexion
de
( )
comme démontré dans la figure 2.4.
(a) base commune BC; (b) émetteur commun EC;et (c) collecteur commun CC.
C
E
I/P
B
O/P
O/P
B
I/P
(a) E
E
O/P
B
I/P
(b) C
(c)
où I/P est l’entrée; O/P est la sortie.
Figure 2.4 Trois types de circuits de connexion du transistor bipolaire à jonctions
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Le terme « commun » est utilisé pour indiquer l’électrode commune à l’entrée et à
la sortie.
2. Pour une démonstration d’un amplificateur émetteur commun, visitez le http://
www.ngsir.netfirms.com/englishhtm/Amplifier.htm: 7 août 2007
vVariez les différentes composantes le plus possible et observez et notez la
variation des sorties.
3. Transistor NPN polarisé : http://server.oersted.dtu.dk/personal/ldn/javalab/Circuit04.html. 6 août 2007
4. Amplificateur transistor bipolaire à jonctions analyse applet : http://jas.eng.
buffalo.edu/education/ckt/bjtamp/index.html 6 août 2007.
Activité 2.1.5 Transistors en circuits
Dans cette section, on vous fournit des notes de base sur le comportement et les caractéristiques des transistors bipolaires à jonctions connectés en circuits. Pour bien
suivre ce qui se passe, vous devez lire ceci ainsi que les références fournies.
Figure 2.5 Transistor NPN en utilisation
1. Vous devez prendre note que dans un circuit transistor :
(i) Les différents potentiels sont désignés par des indices doubles. Le premier
indice représente toujours ce qui est le plus positif. Par exemple, dans la figure 2.5, le potentiel de différence entre l’émetteur et la base est écrit comme
VBE (et non VEB ) puisque la base est positive en ce qui concerne l’émetteur.
(ii) Le transistor conduit un courant appréciable (de l’ordre de 1 mA) deC à E,
seulement si VBE est au-dessus d’une tension de seuil parfois appelée tension
de fermeture, laquelle est environ 600 mV pour les transistors au silicium
bipolaires à tension.
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(iii) Cette tension appliquée cause la jonction PN la plus basse pour l’allumage,
permettant le flux d’électrons à partir de l’émetteur jusqu’à l’intérieur de la
base.
(iv) À cause du champ électrique qui existe entre la base et le collecteur (causé
par), la plupart de ces électrons traversent la jonction PN dans le collecteur
pour former le courant collecteur, I C . Le reste des électrons se recombinent
avec les trous, les porteurs majoritaires dans la base, produisant un courant
à travers la connexion du socle pour former le courant de base, I B . Comme
démontré dans le diagramme, le courant émetteur, I E , est le total du courant
de transistor qui est la somme des autres courants finaux. Ceci est :
(v) I E = I C + I B
(vi) En temps normal, les courants circulant dans le transistor sont considérés
comme positifs alors que ceux qui circulent à l’extérieur de celui-ci sont
considérés comme négatifs. D’où, I E est positif alors que I B et I C sont
négatifs.
2. Points d’apprentissage importants
Les quatre points de base concernant les transistors en circuits sont :
i. Le courant classique circule le long de la flèche tandis que les électrons circulent contre elle;
ii. La jonction E / B est toujours polarisée dans le sens direct;
iii. La jonction C / B est toujours polarisée en inverse;
iv. I E = I C + I B
Activité 2.1.6 Transistor « alpha » et « bêta »
1. Vous devez apprendre des termes importants, utilisés relativement aux transistors.
Les principaux concepts à apprendre sont que :
(i) L’efficacité d’un transistor bipolaire à jonctions est mesurée à l’aide de la proportion d’électrons capable de traverser la base et d’atteindre le collecteur.
(ii) Le dopage élevé de la zone émetteur et le dopage léger de la zone de base
provoquent beaucoup plus d’électrons à être injectés de l’émetteur jusque
dans la base que de trous à être injectés de la base jusqu’à l’émetteur.
Université Virtuelle Africaine 47
(iii)Le gain en courant émetteur commun est représenté par β bc ou hfe . Il est
environ le rapport du courant collecteur CC au courant de base CC en activité
et en configuration émetteur commun et est plus grand que 100.
(iv)Un autre paramètre important est le gain en courant base commune, a dc . Il
est environ le gain en courant de l’émetteur ou collecteur en configuration
base commune. Ce rapport a habituellement une valeur près de l’unité; 0,98
et 0,998. Alpha et bêta sont plus précisément liés aux identités suivantes
(transistor NPN) :
IC
IE
(2.1)
aF
1 - a F (2.2)
a =
dc
β dc =
vPour des applets de démonstration de transistors bipolaires à jonctions, visitez
le http://jas.eng.buffalo.edu/. 6 août 2007
Pour les étapes de fabrication d’un TEC et d’un transistor bipolaire à jonctions :
http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/BjtFet/index.html. 6 août 2007
Pour un gain de courant élevé, la plupart des porteurs injectés dans la jonction base
émetteur doivent venir de l’émetteur.
(i) De petits changements dans l’intensité appliquée à travers les terminaux base
émetteur provoquent de grands changements au courant qui circule entre
l’émetteur et le collecteur. Cet effet peut être utilisé pour amplifier l’intensité ou le courant entrant. Les transistors bipolaires à jonctions peuvent être
perçus comme des régularisateurs d’intensité de courants sources, mais sont
plus simplement caractérisés comme des régularisateurs de courants sources
ou de courants amplificateurs, à cause de la faible impédance à la base.
(ii) La plupart des transistors bipolaires utilisés de nos jours sont NPN, puisque
la mobilité d’électrons est plus grande que la mobilité de trous dans un semiconducteur, permettant de plus grands courants et un fonctionnement plus
rapide.
1. Un CA a ac pour un transistor en configuration BC, est le rapport de changement
dans le courant collecteur au changement dans le courant émetteur.
a ac =
-ΔI C
ΔI E (2.3)
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Il est également connu sous le nom de gain de court-circuit d’un transistor et s’écrit
-hfb
2. De la même façon, β ac en configurations est donné par les équations (2.4).
β ac = hfe =
ΔI C
ΔI B
(2.4 )
Exemple : 2.1
Dans une configuration BC, I B et I E dans un transistor sont 1,5 mA et 30 μ A .
Calculez les valeurs de a et I C .
Solution
I C = I E - I B = 1.5 × 10-3 - 30 × 10-6 = 1.47 mA
a=
I C 1.47
=
= 0.98 IE
1.5
Exemple 2.2 Analyse de configuration d’un collecteur commun
IE
IE
NPN
PNP
IB
IC
IC
IB
(a) (b)
Figure 2.6 Analyse de configuration d’un collecteur commun
Université Virtuelle Africaine 49
Prenez note que l’entrée est appliquée entre la base et le collecteur, tandis que la
sortie sort de l’émetteur collecteur dans la figure 2.4. I B est le courant entrant. D’où
le gain de courant est donné par l’équation 2.5
I E I E IC β
β
=
⋅ = =
I B IC I B a β / 1+ β
(
∴
IE
= 1+ β
IB
(
)
)
(2.5)
( )
Dans les figures 2.6 (a) et (b) , I = I
D’où, le courant sortant, I E = 1 + β × courant entrant
E
B
+ IC .
Pour une démonstration d’un émetteur amplificateur commun (démonstration de son
fonctionnement), voir :
http://www.educypedia.be/electronics/javacollectors.htm. 10 août 2007
http://www.educypedia.be/electronics/composemiconductors.htm. 10 août 2007
Sommaire de l’activité d’apprentissage
Rappelez-vous que les relations entre les courants à transistor sont :
IC
( i ) a = I
;
β=
E
IC
;
IB
À partir de l’équation
a=
(
)
(
)
(2.6)
(2.6) vous devriez être capable de démonter que :
β
I
1+ β E
(a ) I C
(b)
I B = 1- a I E
(c)
IE =
=
β
a
;and β =
1+ β
1- a
(
)
IB
(1 - a )
et que
Université Virtuelle Africaine 50
Les trois courants CC à transistor sont dans les rapports suivants :
(
)
(d) I E : I B : I C = 1: 1 - a :a
Activité 2.1.7 Courants de fuite dans un transistor
P
IE
VEE
N
(1 ) I E
P
I CO
IC = I E
VCC
I B = (1 ) I E I CO
N
IE
VEE
P
N
(1 ) I E
IC = I E
I CO
IC
IE
I B = (1 ) I E I CO
(a) (b)
Figure 2.7 Courants de fuite dans un transistor
Dans les figures 2.7 (a) et (b), VCC est la tension d’alimentation, e VEE est la tension émettrice. Dans les deux circuits, on voit que I E se sépare en deux parties, à
savoir :
(
)
(i 1 - a I E qui devient le courant de base I B , dans le circuit extérieur et
(ii) a I E qui devient le courant collecteur I C , dans le circuit extérieur.
Bien que C/B soit polarisé en inverse pour les porteurs majoritaires, dans la figure 2.7
(a) il est polarisé en direct pour les électrons générés thermiquement, lesquels
sont des porteurs minoritaires. Ceci est attribué au courant de fuite I CBO , lequel circule dans la même direction que le courant collecteur majoritaire I C ,
même si VEE est déconnecté. CBO veut dire « Collecteur base avec émetteur
ouvert ».
VCC
Université Virtuelle Africaine 51
Prenez note que I CBO , est dépendant de la température puisqu’il est fait de porteurs
minoritaires générés thermiquement. Si le courant dû aux porteurs minoritaires est
pris en compte,
(2.7 ) = majorité + minorité
I C = a I E + I CBO
Activité 2.1.8 Caractéristiques statiques du transistor
Dans cette section, les trois caractéristiques importantes du transistor bipolaire à
jonctions sont décrites. Étudiez les notes fournies, ainsi que les références, afin de
comprendre les concepts. Vous apprendrez qu’un transistor a trois caractéristiques
importantes : caractéristiques d’entrée, caractéristiques de sortie et caractéristiques
de courant fermé.
Utilisons la figure 2.8 pour en apprendre davantage sur ces caractéristiques.
Caractéristiques statiques base commune
IC
IE
E
C
R2
VEE
VCB
VBE
R1
VCC
B
Figure 2.8 Caractéristiques statiques base commune
(1) Caractéristiques d’entrée
Cela donne une variation de I E avec VBE lorsque VCB est constant.
(i) Utilisez les références mises à votre disposition et décrivez la façon dont les
séries de valeurs I E et VBE sont obtenues lorsque VCB est constant.
(ii) Dessinez un graphique démontrant les variations de I E avec VBE pour différentes valeurs de VCB
Université Virtuelle Africaine 52
(iii)Dans un graphique donné, une résistance à l’entrée Rin , est obtenue à partir
de l’inversion de la pente, p.ex.,
Rin =
ΔV BE
1
=
ΔI E / ΔV BE
ΔI E
(2.8)
Prenez note que la variation dans Rin avec VBE donne habituellement lieu à une distorsion des signaux.
(2) Caractéristiques de sortie : (mieux assimilées à l’aide d’expériences)
Ceci est une relation démontrant la variation de I C avec VCB lorsque I E est
constant.
(i) L’activité 2.1.8 peut être faite entièrement de façon expérimentale. Prenez les
composantes de la figure 2.8 et faites cette activité de manière pratique.
(ii) Afin d’obtenir les caractéristiques de sortie, notez les valeurs correspondantes
de I C et VCB pour différentes valeurs de I E .
(iii)Vous devriez être en mesure de remarquer que la petite quantité de I C circule
même lorsque I E =0.
(iv) Utilisez les caractéristiques obtenues pour trouver a ac du transistor.
Points d’apprentissage
(i) Au-delà d’une certaine valeur, VCE , I C augmente rapidement à un quasiniveau de saturation dû à un claquage par avalanche. Cela peut endommager
le transistor.
(ii) La petite quantité de IC qui circule même lorsque IE =0 est la fuite du courant
collecteur I CBO .
(iii)L’inverse de la partie horizontale près des caractéristiques donne la résistance
plaque, Rout du transistor quelle offrirait au signal d’entrée.
Université Virtuelle Africaine 53
(3) Caractéristiques de transfert de courant
Ceci est la relation montrant la variation de I C avec I E lorsque VCB est constant.
(i) Écrivez la façon dont vous pouvez obtenir les valeurs correspondantes de I C
et I E lorsque VCB est constant.
(ii) Les caractéristiques de transferts typiques sont calculées en utilisant le diagramme de la figure 2.9.
mA
IC
ΔI C
ΔI E
IE
La pente == a ac =
mA
ΔI C
ΔI E
Figure 2.9 Caractéristiques de transfert de courant
(iii)Si vous avez fait cette activité de façon pratique, déterminez les valeurs de
a ac =
ΔI C
ΔI E
.
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Tâche 2.3 Lectures approfondies et prise de note
Répétez l’activité 2.1.8 pour
(a) Les caractéristiques statiques d’un émetteur commun
(b) Les caractéristiques statiques d’un collecteur commun
Activité 2.1.9 Différentes façons de dessiner des circuits de transistor
Le concept important à retenir ici est les différentes façons dont différents transistors
peuvent être dessinés. Le point important à se rappeler est que dans un transistor
NPN, le collecteur et la base doivent tous les deux être positifs en ce qui concerne
l’émetteur.
Les figures 2.10 et 2.12 démontrent la façon dont la tension d’alimentation peut être
représentée avec un seul terminal de la pile. L’autre terminal est présumé être relié
à la terre de façon à fournir un chemin complet au courant.
VEE = +10V
IE
(i) Configuration base commune
IE
PNP
RE
RL
20K
RE
10K
VEB
VCE
VCC
25V
10V
VCC = 25V
IC
20K
B
+
VEB
10K
PNP
C
B
(a) VBC
+
RL
(b)
Figure 2.10 Configuration base commune
Fig. 2.10
(a) peut être redessiné tel que montré dans la figure 2.10 (b) dans laquelle le pôle
négatif VCC et le pôle positif VEE sont supposés être reliés à la terre.
Université Virtuelle Africaine 55
(ii) Configuration émetteur commun
RL
NPN
RB
IB
+V BB
o
IC
10K
1M
+VCC
o
IB
IC
RB
10K
RL
1M
V BB
10V
VC E
V BE
NPN
VC C
20V
IE
V BE
I E VC E
(b)
(a )
Figure 2.11 Configuration émetteur commun
()
Une façon plus populaire d’indiquer les tensions d’alimentation dans la figure 2.11 a
()
est donnée dans la figure 2.11 b . Puisque le collecteur et la base sont tous les deux
positifs en ce qui concerne l’émetteur, une seule pile peut être utilisée.
•
( ) dans lequel il n’y a qu’une seule
Dessinez un nouveau circuit pour 2.11 b
pile.
(iii)Configuration collecteur commun
IB
RB
NPN
VCB
++
IE
RB
+
VBB
IB
RE
IE
VCE
IC
++
RE
NPN
VEE
-
+
VCB
VCE
IC
++
++
(a) (b)
Figure 2.12
Les tensions d’alimentation dans la figure 2.12 (a) pour une configuration CC peuvent
être redessinées comme démontré dans la figure 2.12 (b)
Université Virtuelle Africaine 56
Exemples de numérisation
• Calcul des tensions et des courants dans les circuits
()
Étudiez la figure 2.10 b . En commençant par le sol et en appliquant la loi de
Kirchoff pour la partie gauche du circuit, nous avons
(a )
-V BE - I E R E + V E E = 0 ⇔ I E =
Pour Si, VBE = 0.7 V
∴IE =
V E E - V BE
RE
10 - 0.7
= 0.465 mA
20
Dans la plupart des cas VEE ? VE
D’où
IE ≅
(b)
V E E 10
=
= 0.5 mA
RE
20
I C = a I E ≅ I E = 0.5mA
• Nommez les raisons de cette approximation.
(c) De la même façon, le circuit de droite et en commençant par le sol, nous avons
VCB = VCC - I C R L ≅ VCC - I E R L = 25 - 0.5 × 10 = 20 V
Université Virtuelle Africaine 57
( )
Activité 2.2 Transistors à effet de champs TEC
Vous apprendrez que :
(i) Les transistors à effet de champ sont aussi des dispositifs à trois pôles qui sont
grandement utilisés dans les circuits intégrés linéaires et numériques.
(ii) Dans un TEC, un seul porteur de charge est impliqué dans son action, l’électron
ou le trou positif. Pour cette raison, le TEC est apellé transistor unipolaire.
(iii)Il y a deux types communs de transistor à effet de champs : le transistor à effet
de champ à jonctions (JFET) et le transistor à effet de champ métal-oxyde
semi-conducteur (transistor MOS).
(iv)Un des avantages qu’a le TEC sur le transistor bipolaire à jonctions est une
impédance d’entrée très élevée.
Activité 2.2.1 Action d’un JFET
Canal de type N
G
•
N
S
o
-
o
+
D
Région
deregion
grille de type P
p-type
g ate
Figure 2.13 Canal de type N
Les caractéristiques de la figure 2.13 incluent :
(i) S et D sont deux connections appelées source et drain respectivement. Lorsque celles-ci sont connectées à une alimentation électrique CC, les électrons
circulent à travers le canal à partir de la source S, jusqu’au drain D.
(ii) Une zone de type P appelée grille, G lequel est allié dans le canal C qui est la
régularisation d’électrode d’entrée.
Pour une démonstration, voir : http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/biasedPN/index.html.
8 août 2007
JFET canal N : http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/jfet.
html
JFET : http://jas.eng.buffalo.edu/education/jfet/index.html#. 8 août 2007
Université Virtuelle Africaine 58
Tâche 2.4 Prise de note
(a) Écrivez de brefs commentaires sur la formation de zones désertées lorsque la
grille G est rendue négative en ce qui concerne le canal N, tel que démontré
dans la figure 2.13.
(b) Décrivez la façon dont l’ampleur d’une intensité donnée détermine la largeur
de la couche désertée, la résistance du canal et la valeur du courant drain.
(c) Dessinez les symboles d’un TEC et des circuits de base CC pour les canaux
N et P.
(d) Dessinez les caractéristiques d’un TEC pour démontrer que la résistance
plaque CA rd , est la pente de la sortie, où les niveaux de courant sont fermés.
Ceci est :
(i) a.c. résistance plaque, rd =
δV DS
lorsque VGS constant (2.9)
δID
(ii) Utilisez également les caractéristiques mutuelles pour démontrer que la
conductance mutuelle en lien avec la sensibilité de la grille qui régularise le
courant drain est donnée par l’équation 2.10. Ceci est :
Conductance mutuelle, gm =
δI D
lorsque VDS est constant (2.10)
δVGS
Activité 2.2.2 Pinch Off
Le concept principal que vous apprendrez ici concerne la relation entre la région
désertée et les changements de potentiel entre S et D.
Point-off
Pinch-off
Pinch
poin t
chann el
D
G
g •
S
o
-
o
+
Zone
désertée
Depl etion
regio n
region
Figure 2.14 Montre le pinch-off
Université Virtuelle Africaine 59
Observations faites :
1. À mesure que la distance à partir de S vers D augmente :
(i) Le potentiel de canal devient plus positif;
(ii) Le p.d inverse entre la grille et le canal augmente vers D et
(iii)La largeur du canal entre la zone désertée ainsi que la longueur de la grille
diminuent.
2. L’augmentation de l’intensité positive sur le drain fait en sorte que les zones
désertées se rassemblent à la fin du drain, d’où le pinching-off du courant à une
certaine valeur.
Exemple de numérisation
(i) Utilisez les figures 2.15 (a) et (b) pour calculer la valeur de rd lorsque VGS est
-2 V et la valeur de la conductance mutuelle g m lorsque VDs est 6 v et VGS S est
-2 V.
ID
3
V DS = 6V
2
1
VGS
-3
-2
-1
δ VGS = 1.5V
Figure 2.15
À partir de l’équation 2.9, rd =
δV DS
8V
=
= 40kΩ
δID
0.2mA
Université Virtuelle Africaine 60
À partir de l’équation 2.10, gm =
δI D
2mA
⇔ gm =
; 1.3 mA/V
δVGS
1.5V
Activité 2.2.3 TEC circuit équivalent CA
+9V
RD
0.1
sign al
μF
D
gmV gs
V0
Vi
1M Ω
= gmVi
V0 R D
rd
S
Vi
-
(a) Circuit amplificateur
de base
a Basic FET amTEC
plifier circu it
( )
t
) FE T eq uivalen
(b)(bÉquivalent
TEC
circ uit
Figure 2.16
Vous apprendrez que dans un TEC
(i) Une très petite quantité de perte circule entre la source et la grille.
(ii) Courant source = Courant drain.
(iii)La capacité grille à source est beaucoup plus petite que dans le transistor
bipolaire à jonctions.
Illustration d’un circuit amplificateur TEC de base.
()
(i) Dans la figure 2. 16 a l’objectif du condensateur est d’isoler le signal
source à partir de la grille, aussi longtemps que CD est concerné.
(ii) La valeur de la capacité C doit être assez grande pour faire diminuer le signal. Dans ce cas, la valeur de la fréquence f est calculée pour C = 0.1 μF et
réactance X C = 1 M Ω , comme ce qui suit.
XC =
1
= 106
2π fC
Université Virtuelle Africaine 61
f =
1
= 1.6 Hz.
2π × 0.1 × 10-6 × 106
Circuit équivalent CA
()
()
Le circuit équivalent de la figure 2.16 a donné dans la figure 2.16 b est dessiné
après avoir identifié que :
(i) RD est connecté entre le drain et la source.
(ii) La résistance plaque rd , dans un TEC entre le drain et la source est parallèle
à RD .
(iii)La tension du signal Vi ou Vgs développe un courant de signal I d = g mVgs
lequel se divise entre rd et RD .
Activité 2.2.4 Gain en tension et moyenne fréquence
Le rayon moyen des fréquences en bande a.f. s'étend entre 300 Hz et 5000 Hz.
Gain en tension Av =
V0 et Vi
signal desortie V 0
=
signal d ' entree V i
sont valeurs r.m.s.
(),
À partir de la figure 2.16 b
V0 = I d R = g mVgs R
où R =
rd RD
rd et RD sont en parallèle.
rd + RD
V0 = Vds , and Vi = Vgs
Université Virtuelle Africaine 62
⇒
V0
= Av = gmR
Vi
Exemple numérique
Un transistor à effet de champ ayant g m = 4 mA/V et rd =60 kΩ est utilisé avec un
drain de résistance de charge 30 dans un amplificateur de tension a.f. Trouvez le gain
en intensité.
Solution
R=
rd R D
30 × 60
=
= 20 kΩ
rd + R D 30 + 60
Av = gmR = 4 × 20 = 80
Tâche 2.5 Prise de note et lecture approfondie
Utilisez les références et écrivez de brefs commentaires sur
(i) La sortie et l’angle de phase de sortie
(ii) La polarisation de la grille
(iii)Les calculs de la ligne de charge
Activité 2.2.5 Transistor MOS
1. Structure
(i) Le transistor MOS est une forme d’EC où la grille est isolée à partir du canal par
une mince couche d’oxyde de silicium, tel que montré dans la figure Fig. 2.17.
(ii) Par conséquent, dans un transistor MOS,
- Aucun courant de fuite entre la grille et le canal ne se produit et
- La résistance d’entrée est de centaines de mégohms.
Université Virtuelle Africaine 63
S
G
D
Silicon oxide
N-channel
P-substrate
Base
Figure 2.17 Construction d’un transistor MOS (type déserté)
Prenez note que la grille est associée avec l’effet de capacité à travers l’oxyde et le
canal. Lorsqu’une tension positive est fournie à la grille, un champ est mis en place
à travers l’oxyde qui attire les électrons vers la région de grille. Cette conduction a
lieu entre la source et le drain. Le degré de conduction dépend de la positivité de la
grille en ce qui concerne la source.
• Pour les caractéristiques de sortie d’un canal N d’un transistor MOS, voir :
http://jas.eng.buffalo. edu/education/transistor/n_MOS_IV/mosfet.html.
10 août 2007
Tâche 2.6 Prise de note et lecture approfondie
Utilisez les références et complétez les notes sur :
- Les caractéristiques de sortie courbent lorsque l’ampleur d’une tension positive
dans un transistor MOS est variée.
Université Virtuelle Africaine 64
Auto-évaluation 2
(
)
1. Continuez l’analyse d’EC et montrez que a = 1 / 1 + β .
Conseil : Écrivez tout d’abord la relation pour β dc en rapport au collecteur et aux
courants de base.
2. Montrez que dans une configuration CC
(
)
Courant de sortie = 1 + β × courant d’entrée
3. En référence à un transistor
(a) Montrez que
IC =
aIB
+
I CBO
(1 - a ) (1 - a )
et
(b) De la même façon, montrez que I = (1 - a ) I
(c) Répétez l’activité 2.1.7 pour un circuit EC
B
E
- I CBO
Université Virtuelle Africaine 65
Activité 3 : Amplificateurs opérationnels
Vous aurez besoin de 10 heures pour terminer cette activité. Seulement des instructions
de base vous sont fournies pour vous aider à faire cette activité.
Objectifs spécifiques d’apprentissage et d’enseignement
Dans cette activité, vous devrez :
i. Expliquer la construction d’un amplificateur opérationnel et
ii. dessinez, analyser et synthétiser des circuits d’amplificateur opérationnel.
Sommaire de l’activité d’apprentissage
Cette activité concerne l’apprentissage de propriétés générales d’un amplificateur
opérationnel, des principes derrière son fonctionnement et des applications dans le
calcul classique, notamment l’addition, la soustraction, la multiplication, la division,
l’intégration et la différenciation. Des équations pertinentes sont dérivées et utilisées
pour résoudre les problèmes de numérisation.
Lectures obligatoires
Lecture 1 : Electronics WIKIBOOKS
Référence : http://en.wikibooks.org/wiki/Electronics. 5 octobre 2007
Résumé : Les sujets couverts dans cette lecture incluent : les circuits analogiques, les circuits numériques, les éléments des circuits numériques,
l’architecture d’un ordinateur, les convertisseurs analogique à numérique et
numérique à analogique.
Justification : Cette lecture couvre adéquatement le cours de base en électronique résumé dans cette activité.
Lecture 2 : Operational Amplifier WIKIBOOKS
Référence : http://en.wikibooks.org/wiki/Electronics/Op-Amp. 5 octobre 2007
Résumé : La lecture 3 inclut : les amplificateurs, l’amplificateur opérationnel, la notation, le processus de construction rapide, les amplificateurs opérationnels idéaux, la configuration de base d’amplificateurs opérationnels,
la configuration avancée des amplificateurs opérationnels et l’amplificateur
opérationnel réel.
Justification : Fournit la plupart des lectures obligatoires sur l’amplificateur
opérationnel, nécessaires pour ce cours.
Université Virtuelle Africaine 66
Ressources MULTIMÉDIAS
Référence : http://server.oersted.dtu.dk/personal/ldn/javalab/Circuit03.html. 3 octobre 2007
Résumé : Cette ressource traite de l’amplificateur inverseur où la tension
source est allumée afin de regarder le circuit pour différentes valeurs des
résistances et (ou) le gain en boucle ouverte de l’ampli-op.
Justification : Dans le cas (normal) d’un grand gain en boucle ouverte d’un
ampli-op (habituellement >100 dB) le mécanisme de réaction forcera le terminal inverseur de sortie à être pratiquement mis au sol. Dans cette limite, le
facteur d’amplification de la boucle fermée du circuit sera déterminé par les
valeurs de résistances seulement.
Liens utiles
Titre : Operational amplifier.
Adresse URL : http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Electrical-Engineering-and-Computer-Science/6-002Circuits-and-ElectronicsFall2000/VideoLectures/index.
htm. 3 octobre 2007
Résumé : Contiennent des diapositives de lecture accompagnant des vidéos
de lecture et des descriptions de démonstrations en direct montrées par un
instructeur.
Titre : OP-Amps.
Adresse URL : http://en.wikibooks.org/wiki/Electronics/Op-Amps”. 4 octobre 2007.
Résumé : Fournit du bon matériel de lecture sur les amplificateurs, l’amplificateur opérationnel, la notation, les amplificateurs opérationnels idéaux, les
configurations de base des amplificateurs opérationnels, et les amplificateurs
opérationnels réels.
Titre : Operational Amplifier.
Adresse URL : http://en.wikipedia.org/wiki/Operational_amplifier. 4 octobre 2007
Résumé : Contient du bon matériel de lecture sur l’amplificateur opérationnel.
Les sujets incluent : l’opération de base, l’amplificateur opérationnel de base,
l’amplificateur opérationnel idéal, les limites de l’amplificateur opérationnel
réel, les notations, l’utilisation de la construction des systèmes électroniques,
le comportement du CD, le comportement du CA, le circuit amplificateur non
inversé de base, la circuiterie d’un amplificateur opérationnel de type 741 et
les applications communes.
Université Virtuelle Africaine 67
Activité 3.1 Conception d’un amplificateur opérationnel
En utilisant des références telles : http://en.wikipedia.org/wiki/Operational_amplifier
6 août 2007.
Vous apprendrez que l’amplificateur opérationnel :
(i) Est habituellement nommé ampli op et son symbole graphique habituel est
montré dans la figure 3.1
(ii) A deux entrées et une sortie, où on assume que les entrées ont une impédance
très élevée et que le courant négligeable circule donc à l’intérieur ou à l’extérieur des entrées.
(iii)A une sortie régularisée par une contre-réaction dans l’usage ordinaire.
(iv)A une tension de sortie d’entrée déterminée par la contre-réaction causée par
le gain élevé de l’amplificateur.
(v) Cela signifie qu’un ampli-op peut livrer un courant infiniment grand à la charge
ou au circuit auquel il est connecté.
(vi)Fait tous les calculs classiques possibles, notamment l’addition, la soustraction, la multiplication, la division, l’intégration et la différenciation.
Où :
V++ : entrée non inverseuse
V− : entrée inverseuse
Vout : sortie
VS+ : alimentation électrique positive (parfois aussi VDD, VCC, ou VCC +)
VS− : alimentation électrique négative (parfois aussi VSS, VEE, ou VCC − )
V S+
d
V+
d
+
d
_
V+
V-
Vout
d
V_
d VS
V S_
Figure 3.1. Symbole graphique pour un ampli-op
Université Virtuelle Africaine 68
Le type d’ampli-op le plus commun est le « 741 ». Il a huit jonctions p-i-n. La figure 3.2 donne leur apparence physique.
Figure 3.2. Apparence physique typique d’un ampli op 741
Activité 3.2 Circuit amplificateur non-inverseur
Dans cette activité, vous apprendrez que :
La tension de sortie est la différence entre les entrées + et - multipliée par le gain en
(
)
boucle ouverte : V out = V + - V - * Avo .
Vin
+
Vin
+
_
+
Vout
(a) Amplificateur inverseur
Vout
(b) Amplificateur non-inverseur
Figure 3.3 Circuits amplificateurs de base inverseur et non-inverseur
( ) et (b) , le rap-
(i) Si un ampli-op est connecté comme dans la figure 3.3 a
port de Vout / Vin sera très élevé. Ceci se nomme le gain en boucle ouverte.
Lorsqu’un ampli-op fonctionne sans branchement à une résistance ou à un
condensateur à partir de sa sortie (p.ex., sans réaction), il est dit être en condition de boucle ouverte. Le mot « boucle ouverte » signifie que le parcours ou
la boucle de réaction est ouvert.
Université Virtuelle Africaine 69
(ii) Dans un arrangement non-inverseur, la sortie V0 , est en phase avec la tension
d’alimentation est une copie amplifiée exacte de l’entrée, mais
(iii)Dans ce cas d’arrangement inverseur, la tension d’alimentation est exactement
opposée, copie amplifiée, p.ex., la tension de sortie est 180 degrés déphasés
avec la tension d’alimentation.
Tâche 3.1
Lecture approfondie et prise de note
Utilisez les références suivantes :
1. “http://en.wikipedia.org/wiki/Operational_amplifier. 12 août 2007
2. B.L Theraja and R.S. Sedha: “Principles of Electronic devices and circuits”
a. Faites des commentaires complets sur le circuit amplificateur non-inverseur.
b. Nommez les deux « règles d’or » dans vos commentaires.
c. Faites des commentaires sur la différence entre le gain en boucle ouverte et
le gain en boucle fermée.
Pour une simulation d’un amplificateur inverseur, voir :
http://server.oersted.dtu.dk/personal/ldn/javalab/Circuit03.html. 7 juillet 2007
http://www.ngsir.netfirms.com/englishhtm/Amplifier.htm
http://server.oersted.dtu.dk/personal/ldn/javalab/Circuit03.html
Activité 3.2.1 Contre-réaction
R2
+
R1
Vin
x
R3
Figure 3.4 Contre-réaction
_
Vout
Université Virtuelle Africaine 70
La contre-réaction se produit lorsqu’une petite partie du signal de sortie est réalimentée
à l’entrée inverseur en utilisant l’arrangement du circuit dans la figure 3.4. Puisque
V0 est de 180 0 il est déphasé de l’entrée, la réaction réduit le signal et l’amplificateur
doit amplifier et donc réduire le gain. La quantité de sorties réalimentée est générée
par R2 .
Certains des avantages à utiliser la contre-réaction sont :
1. Un amplificateur avec un gain variable presque infini peut être produit en utilisant
un circuit ampli-op standard.
2. L’utilisation d’une contre-réaction améliore la gamme de fréquences dont l’amplificateur amplifiera et améliorera la stabilité.
Certaines caractéristiques de l’ampli-op
(i) Il y a une très grande impédance entre l’entrée et le sol + et –. Idéalement, l’impédance est infinie, mais en pratique, elle est d’environ 2 M � . Cela assure
qu’aucun courant ne circule dans les terminaux d’entrée de l’amplificateur.
(ii) Il y a zéro impédance de sortie qui assure que l’amplificateur n’est pas affecté
par la charge.
Bref commentaire
ØÀ cause du gain à boucle ouverte élevé, une petite différence entre les tensions
d’alimentation + et – fait monter la sortie à sa plus haute valeur, laquelle est la
tension de l’alimentation. Ceci est appelé la valeur de saturation Vs puisque la
sortie ne peut être plus élevée. Si la tension d’alimentation est 15 V et que le
gain à boucle est 105, alors la différence en tension 15/105 =150 μV produit
la saturation. Avec un V0 , n’importe quelle petite différence en tension V0
peut passer de +15 V à -15 V ou le contraire.
NB. Dessinez la variation de V0 avec Vin pour cette observation
Université Virtuelle Africaine 71
Pour que l’amplificateur soit utile, l’entrée – doit avoir pratiquement la même tension
que l’entrée +. Dans le circuit d’amplificateur inverseur, l’entrée + est connectée au
sol lequel est également 0 V, alors l’entrée – doit toujours avoir pratiquement la même
tension. L’entrée – est connue sous le nom de terrain virtuel.
Activité 3.2.2 Gain d’un amplificateur inverseur
Dans la figure 3.3 l’entrée est gardée en équilibre aussi loin que possible si la résistance
R3 = R1 + R2 est connectée entre l’entrée + et 0 V, en parallèle à R1 & R2 .
Puisque l’entrée + est au potentiel de la masse (terrain virtuel) le courant à travers
R1 sera Vin / R1 et le courant à travers R2 = V0 / R2 .
Puisque l’impédance d’entrée est très élevée, aucun courant ne peut circuler dans
l’entrée –. La somme du courant à la jonction X doit donc être égale à zéro, p.ex.,
Vin / R1 + V0 / R2 = 0
⇒ V in / R1 = -V0 / R2 (3.1)
Mais
V0 / V in = - R2 / R1 = Gain
Le gain de cet amplificateur inverseur est donc = - R 2 / R1 . Le signe négatif indique
que l’entrée est inverseuse. Le gain dépend de R1 & R2 . Cela signifie que le gain n’est
affecté par aucun changement qui pourrait se produire dans l’ampli op, notamment
un changement en gain causé par un changement de température. La contre-réaction
fournit donc une stabilité.
Tâche 3.2 Lecture approfondie et bref commentaire
Utilisez les références et faites de brefs commentaires sur :
1. Le gain d’un amplificateur non-inverseur.
2. Le suiveur de tension.
3. La réponse de fréquence d’un circuit ampli-op.
Université Virtuelle Africaine 72
Activité 3.2.3
Gain d’un amplificateur non-inverseur
En utilisant la figure 3.4, le gain d’un amplificateur non-inverseur est dérivé comme
suit.
Figure 3.5 Gain d’un amplificateur non-inverseur
L’entrée est appliquée à l’entrée +, mais la réaction est appliquée à l’entrée –, tel que
démontré dans la figure 3.5. La fraction du signal de sortie qui doit être réalimentée
à l’entrée est déterminée par le diviseur de tension R1 & R2 .
Supposons la fraction de V0 envoyée à l’entrée inverseuse (-) est V f , où
Vf =
V0 × R1
(R
1
+ R2
)
(3.2 )
Supposons que la différence en tension entre les deux entrées soit VT où
.
VT = V in - V f .
(3.3)
Dans ce cas, VT est la tension amplifiée, p.ex.,
V0 = A0 × VT . (3.4 )
Université Virtuelle Africaine 73
A0 est le gain à boucle ouverte. D’où la substitution pour VT dans l’équation (3.3)
en utilisant l’équation (3.4) nous avons
V in - V f = A0 × VT
V f = V in - V0 / A0 ..
(3.5)
(3.6 )
Et
Encore une fois, la substitution pour V f dans l’équation (3.2) en utilisant l’équation (3.6) on obtient
V in V0
V × R1
= 0
A0
R1 + R2
(
)
⎛ R1
1⎞
∴V in = V0 ⎜
+ ⎟
⎝ R1 + R2 A0 ⎠
∴Gain =
V0 R1 + R2
=
A1
R1 (3.7)
1
; 0
A
0
À partir de l’équation 3.7, le gain dépend de R 1 & R2 .
Since A0 ; 105 ⇒
Exemple
Calculez la tension de sortie dans un amplificateur non-inverseur pour une entrée de
120 μV if R1 = 2.4 k Ω et R 2 = 240kΩ .
Solution
Le gain d’un circuit ampli-op est donné par
A = 1+
R2
240
= 1+
= 101
R1
2.4
Université Virtuelle Africaine 74
La tension de sortie est donc
V0 = AV1 = 101 × 120μV = 12.12mV .
Activité 3.2.4
L’ampli-op comme amplificateur de sommation
Un ampli op est utilisé dans les préamplificateurs audio et les mélangeurs. Lorsqu’utilisé pour ajouter un certain nombre de signaux ou de tension, le circuit est appelé
amplificateur de sommation, figure 3.6 Le point x est un terrain virtuel, les courants
d’entrée dans le point X sont donc :
V1 / R1 ,
V2 / R2 ,
V3 / R3
Et le courant de réaction = V0 / R4
Par la théorie de Kirchoff
V1 V2 V3 V0
+
+ +
=0
R1 R2 R3 R4
∴ -V0 =
R4
R
R
× V1 + 4 × V 2 + 4 × V3
R1
R2
R3
R4
R1
R2
V1
V2
R3
x
_
+
V3
R5
Figure 3.6 Ampli-op comme amplificateur de sommation
Vout
(3.8)
Université Virtuelle Africaine 75
D’où V0 est la somme des trois entrées avec chaque entrée multipliée par un facteur
de R4 / R , R , est la résistance à l’entrée correspondante. Le signe négatif pour V0
indique que V0 est en opposition de phase aux entrées. Ce résultat s’applique à la
tension alternative et à la tension continue et est assez utile pour un mélange de microphones, puisque nous ne voulons pas qu’un microphone en affecte un autre.
Activité 3.2.5 Réaction positive, oscillateur à onde carrée ou multivibrateur
astable.
Vous avez déjà appris que :
1. La contre-réaction réduit la tension différentielle à l’entrée.
2. De la même façon, la réaction positive tend à faire augmenter la tension différentielle à l’entrée puisque la tension de sortie sera en phase avec la tension
d’alimentation.
3. D’où la sortie atteint la tension de saturation VS. Si le circuit d’ampli-op est
conçu pour passer continuellement de +VS à –VS et de – VS à + VS, on obtient
une tension de sortie oscillatrice.
Un circuit avec réaction positive qui produit des oscillations à onde carrée et agit
comme un multivibrateur astable est montré dans la figure 3.7.
R1
V1
V2
C1
_
+
V0
R3
R2
Figure 3.7 Réaction positive, oscillateur à onde carrée et multivibrateur astable.
Université Virtuelle Africaine 76
Action du circuit.
Description de ce qui se produit. Lisez et suivez les instructions fournies :
Supposons C1 électriquement neutre au début et V0 à valeur positive maximale (+ V)
causé par une petite tension différentielle aux entrées.
Une fraction V2 de V0 est réalimentée à l’entrée +. Par laquelle
V2 =
V0 × R 2
R 2 + R3
(3.9 )
V0 est également réalimenté à l’entrée – à travers R1 . Cela provoque C1 (qui est
neutre au début) de sa charge à travers R1 vers +V et V1 augmente exponentiellement
()
(a)
Tension
avec le temps. Voir figure 3.8 a
e
g
at
l
o
V
Temps
Tension
Temps périodique
(b)
Figure 3.8 Variation de tension avec le temps
Temps
Université Virtuelle Africaine 77
Après un temps qui dépend de la constante de temps, C 1 × R1 , V1 atteint une valeur
plus élevée que V2 ; & la sortie change de façon à ce que la sortie soit –V, tel que
()
démontré dans la figure 3.8 b
La réaction positive aide l’ampli-op à changer rapidement puisque V2 baisse ensuite,
le rendant beaucoup moins élevé que V1 et force donc V0 à devenir négatif encore
plus rapidement. C1 , se décharge maintenant (et commence à se décharger dans
la direction opposée) jusqu’à ce que V1 devienne moins élevé que V2 . L’ampli-op
change donc à nouveau de façon à ce que V0 redevienne positif (+V). Le cycle est
ensuite répété.
( ) montre la façon dont V varie avec le temps et la figure 3.8 (b)
La figure 3.8 a
1
montre la façon dont la tension de sortie V0 varie avec le temps. Le temps périodique
du multivibrateur est donné par
⎛
2R ⎞
T = 2C 1 R1 ln ⎜ 1 + 3 ⎟
R2 ⎠
⎝
Tâche 3.3
Lecture approfondie et prise de note
(3.10 )
Utilisez les références disponibles et faites de brefs commentaires sur :
1. Oscillateur à onde sinusoïdale : écrivez l’expression pour la fréquence de
sortie
2. Ampli-op comme comparateur et circuit de commutation
Activité 3.2.6 Ampli op comme intégrateur
1. Dans cette section, on vous présente l’action d’un ampli-op comme intégrateur.
Lisez bien et assurez-vous que vous comprenez la description.
Université Virtuelle Africaine 78
C
R
I1
I2
X
Vin
V0
+
0V
Figure 3.9 Ampli-op comme intégrateur
Le circuit dans la figure 3.9 fournit une sortie, V0 qui est partie intégrante de la tension
d’alimentation, Vin . Le point X est un terrain virtuel. Le photodétecteur à travers R
est Vin et le photodétecteur à travers C est V0 . Mais,
Et
I1 =
Vin
R
dV
dQ
= C 0 dt
dt
At X, I1 + I 2 = 0
I2 =
∴
V in
dV
= -C 0 R
dt
(3.11)
(3.12 )
(3.13)
D’où
1
V dt = - ∫ dV0
RC ∫ in
∴V0 = -
1
V dt RC ∫ in
(3.14 )
Université Virtuelle Africaine 79
ØLa tension de sortie est proportionnelle à l’intégrale de la tension d’alimentation.
( )
À partir de l’équation 3.13 ,
V in
dV
= -C 0
R
dt
⇒
dV0
V
= - in = -k (constant).
dt
CR
(3.15)
Cela signifie que V0 varie de façon linéaire avec le temps t, et a un gradient négatif.
Auto-évaluation 3
1. Nommez les facteurs qui peuvent mener à la sélection d’un ampli op pour
l’utilisation
2. Calculez la tension de sortie d’un amplificateur non-inverseur pour une entrée
de 420 μV if R1 = 1.7 k Ω et R 2 = 340kΩ .
R3
R1
R2
x
V1
_
+
V2
Vout
R5
Calculez la tension de sorite pour le circuit ci-dessus si V1 = 50sin (1000t ) mV et
V2 = 10sin (300t ) mV
Université Virtuelle Africaine 80
Activité 4 : Circuits numériques
Vous aurez besoin de 30 heures pour terminer cette activité. Seulement des instructions
de base vous seront fournies pour vous aider dans cette activité.
Objectifs spécifiques d’apprentissage et d’enseignement
Pour cette activité vous devrez être capable de :
(i) Manipuler des nombres dans différentes bases (2, 8, 10, 16)
(ii) Appliquer l’algèbre booléenne dans la construction de circuits logiques
(iii)Construire, analyser et synthétiser des circuits logiques (multiplexeur, décodeurs, bascules de Schmitt, bascules flip-flops, enregistreurs)
(iv)Expliquer les niveaux des systèmes de composantes d’un microprocesseur.
Résumé de l’activité d’apprentissage
Dans cette activité, différents systèmes de numérisation, notamment les systèmes de
numérisation décimaux, binaires, octaux et hexadécimaux sont appris. On aborde
également la conversion d’un système à un autre système de numérisation et la façon
dont chaque système de numérisation est codé. La dernière partie de cette activité
concerne les éléments logiques où les caractéristiques de différents éléments logiques
sont présentées et discutées à l’aide d’exemples convenables en utilisant l’algèbre
booléenne.
Lectures obligatoires
Lecture 1L Electronics WIKIBOOKS
Référence complète : http://en.wikibooks.org/wiki/Electronics. 5 octobre 2007
Résumé : Les sujets abordés dans cette lecture incluent : les circuits analogiques, les circuits numériques, les éléments des circuits numériques, l’architecture d’ordinateur et les convertisseurs analogique à numérique et numérique
à analogique.
Justification : Cette lecture couvre de façon adéquate le cours de base électronique résumé dans cette activité.
Université Virtuelle Africaine 81
Lecture 2
Référence : http://en.wikipedia.org/wiki/electronics. 5 octobre 2007
Résumé : Cette lecture est constituée de références obtenues dans divers
sites. Leur adresse URL peut être obtenue à partir d’une copie sur écran de
cette lecture. En fait, tous les sujets essentiels de ce cours sont couverts dans
la lecture 2.
Justification : La référence fournit des sources de lecture facile sur l’électronique que le lecteur ne devrait pas avoir de difficulté à utiliser.
Lecture 3 : Boolean Algebra + Notes on Designing simulation of Schmitt’sTrigger
circuit
Référence : http://en.wikipedia.org/wiki/Electronics/Boolean-Algebra. 5 octobre 2007
Justification : Fournit du matériel de lecture facile sur l’algèbre booléenne.
Ressources MULTIMÉDIAS utiles
Référence : http://jas.eng.buffalo.edu/ 3 octobre 2007.
Résumé : Illustrations utiles des amplificateurs avec transistor bipolaire à
jonctions et transistor MOS sont utiles pour promouvoir la compréhension
facile des sujets.
Justification : Fournit une vidéo utile sur les amplificateurs avec transistor
bipolaire à jonctions et transistor MOS
-Modèles de circuits de quatre amplificateurs de base
-Circuits amplificateurs transistor bipolaire à jonctions monoétagé (EC, BE
et BC)
-Amplificateur émetteur commun monoétagé conception polarisée (java1.1)
-Circuits amplificateurs transistor MOS monoétagé (CS, c.g. et CD)
-Différents types de charge dans un circuit amplificateur CI (p.ex., un ampli
CS)
Université Virtuelle Africaine 82
Liens utiles
Titre : Digital Logic
Adresse URL : http://www.educypedia.be/electronics/digital.htm. 3 octobre 2007
Résumé : Ce site fournit du matériel de lecture sur les éléments logiques, les
diagrammes de Venn, les diagrammes de De Morgan, les circuits logiques
combinatoires, les formes canoniques, l’algèbre booléenne, les tables de
Karnaugh, les tables de vérité, les commutateurs anti-rebond, la bascule JK,
la bascule maître-esclave, la soustraction binaire, l’arithmétique binaire, la
bascule à verrouillage D, la bascule D, les symboles de bascule, la conversion
bascule d’entrée, l’alternance des circuits de balance, la bascule D ; utilisant
des verrous non-ou, la construction d’une balance CMOS, les compteurs et
le compteur asynchrone.
Titre : Schmitt’s trigger
Adresse URL : http://www.visionics.ee/curriculum/Experiments/
Schmitt%20Trigger/Schmitt%20Trigger1.html. 3 octobre 2007
Résumé : Fournit des lectures supplémentaires sur la théorie de la bascule de
Schmitt.
Titre : Logic Gates
Adresse URL : http://www.shef.ac.uk/physics/teaching/phy107/phy107.
htmlhttp://www.shef.ac.uk/physics/teaching/phy107/phy107.html. 3 octobre 2007
Résumé : Cette lecture fournit à l’étudiant les compétences fondamentales
requises en construction de circuits numériques. Aucune connaissance sur
les techniques numériques n’est préalable. La lecture présente tout d’abord
les éléments logiques de base qui forment les composantes de base de tous
les circuits numériques. Elle progresse ensuite pour combiner ces éléments
de circuit en un nombre de façons de construire des circuits qui fournissent
certaines fonctionnalités, notamment le calcul et les aditions. Les aspects de
la construction d’un circuit sont également couverts.
Titre : Boolean Algebra
Adresse URL : http://en.wikibooks.org/wiki/Electronics/Boolean_Algebra.
4 octobre 2007
Résumé : Ici, on présente des opérations mathématiques formelles ainsi que
les lois de l’algèbre booléenne. De plus, un certain nombre d’exemples est
donné.
Titre : Multiplexing
Adresse URL : http://en.wikipedia.org/wiki/Multiplexing. 4 octobre 2007
Résumé : La lecture inclut de la télégraphie, des processus vidéo, une radiodiffusion numérique et une radiodiffusion analogue.
Université Virtuelle Africaine 83
Introduction
Il existe deux types de circuits qui peuvent être considérés comme étant des dispositifs numériques : les éléments logiques et le basculeur bistable. La calculatrice
électronique est un exemple de circuits numériques où l’information est traitée en
forme binaire et où la sortie est affichée en nombres décimaux. Le mouvement graduel de l’arbre du potentiomètre est l’entrée analogue dans un circuit qui consiste
en une pile, un potentiomètre et un ampèremètre en série. Des exemples de signaux
analogiques incluent l’onde sinusoïdale et les signaux audio et vidéo. L’onde carrée,
quant à elle, est un exemple de signal numérique. Un système numérique a deux
amplitudes distinctes telles 0 et +5 V. L’impulsion est soit tout allumée, soit tout
éteinte, p.ex., élevé ou bas.
Activité 4.1 Systèmes de numérisation
(i) Manipulation de nombres en différentes bases
Un système de numérisation est une série de nombres ainsi qu’une ou plusieurs
opérations telles une addition ou une multiplication.
Des exemples de systèmes de numérisation incluent les entiers naturels, les entiers
relatifs, les nombres rationnels, les nombres algébriques, les nombres réels, les
nombres complexes, les nombres p-adiques, les nombres surréels et les nombres
hyperréalistes.
Numéral
Les numéraux utilisés dans l’écriture des nombres avec des chiffres ou des symboles
se divisent en deux types appelés les numérales arithmétiques 0,1, 2,3, 4,5, 6,7, 8,9
et les numéraux géométriques 1,10,100,1000,10000... respectivement.
Quatre systèmes de numérales arithmétiques sont souvent utilisés dans les circuits
numériques.
Ces systèmes sont :
1. Décimal ; il a une base (ou base de numération) de 10, p.ex., il utilise dix différents
symboles pour représenter les nombres.
2. Binaire ; il a une base de deux, p.ex., il utilise seulement deux différents symboles.
3. Octal ; il a une base de huit, p.ex., il utilise huit différents symboles.
4. Hexadécimal ; il a une base de 16, p.ex., il utilise 16 différents symboles.
Université Virtuelle Africaine 84
Tous ces systèmes utilisent le même type de numération pondérée, excepté que
a) le système décimal qui utilise les puissances de 10 est utilisé pour représenter
les quantités à l’extérieur du système numérique.
b) le système binaire qui utilise la puissance de 2 est énormément utilisé par les
systèmes numériques tels les ordinateurs qui fonctionnent à l’aide d’information binaire.
c) le système octal qui utilise la puissance de 8 possède certains avantages dans
le travail numérique puisqu’il requiert moins de circuiterie pour recevoir de
l’information à l’intérieur et à l’extérieur du système numérique. De plus, il
est plus facile de lire, d’enregistrer et d’imprimer des nombres octaux que des
nombres binaires.
d) le système hexadécimal qui utilise une puissance de 16 est particulièrement
approprié pour les micro-ordinateurs.
Activité 4.2
Le système de nombre décimal
(i) Base ou base de numération
Le système de nombre décimal a une base de dix, ce qui signifie qu’il contient dix
symboles uniques (ou numéros). Ils sont : 0, 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Chacun d’eux
peut être utilisé dans chacune des positions du nombre.
(ii) Valeur de position
La valeur de position d’un nombre 2573 est donnée par :
2573 = 2*103 + 5*102 + 7*101 + 3*100
Le chiffre trois est le chiffre le moins significatif, alors que le deux est le chiffre le
plus significatif.
Encore une fois, le nombre 2573.469 peut être écrit comme
2573.469 = 2*103 +5*102 + 7*101 +3*100 +4*10-1 +6*10-2 +9*10-3
Activité 4.3. Système de nombres binaires
Comme le système de nombres décimaux, il a une racine et utilise le même type de
système de valeur de position.
Racine
Sa base ou racine est deux puisqu’il utilise seulement deux numéros, soit 0 et 1 (les
mots binary digit se contracte pour former le mot « bit »). Tous les nombres binaires
consistent en une chaîne de zéro et d’un. Des exemples sont 10, 101 et 1011 qui
sont lus comme un-zéro, un-zéro,-un et un-zéro-un-un. Pour éviter la confusion, des
indices de dix pour les décimaux et de deux pour les binaires sont ajoutés comme
démontré ci-dessous.
Université Virtuelle Africaine 85
1010 , 10110 , 657410 ___ nombres décimaux et
102 , 1012 , 1100012____ nombres binaires.
Valeur de position
La valeur de position de chacun des bits correspond à une certaine puissance de deux.
Un nombre binaire à sept bits 1101,011 est illustré ci-dessous
Chiffre le plus significatif
Chiffre le moins significatif
1
1
0
1
0
1
1
23 22 21 20 2-1 2-2 2-3
•
Virgule binaire
L’équivalent décimal est
(
) (
) (
) (
) (
) (
) (
1101.0112 = 1 × 23 + 1 × 22 + 0 × 21 + 1 × 20 + 0 × 2-1 + 1 × 2-2 + 1 × 2-3
= 8 + 4 + 0 +1+ 0 + = 8 + 4 + 0 +1+ 0 +
)
1 1
+ = 13.37510
2 8
Les nombres binaires sont énormément utilisés par tous les systèmes numériques
causés par l’électronique lui-même. Le bit 1 peut être représenté par un transistor
saturé (pleine conductivité), une lumière allumée, un relais énergisé ou un aimant
magnétisé dans une direction particulière. D’un autre côté, le bit 0 peut être représenté par un arrêt de transistor, une lumière éteinte, un relais rendu inerte ou un
aimant magnétisé dans la direction opposée. Dans de tels cas, seulement deux valeurs
peuvent être présumées par le dispositif.
Université Virtuelle Africaine 86
Activité 4.4 Conversion de binaires en décimales
Les procédures suivantes devraient être adoptées dans la conversion d’un entier relatif
binaire (nombre entier) en un nombre décimal :
Étape 1 : Écrivez un nombre binaire, p.ex., tous ses bits en rangée.
Étape 2 : Directement en dessous des bits, écrivez 1, 2, 4, 8, 16, …De droite vers
la gauche.
Étape 3 : Rayez les poids décimaux qui s’étendent en dessous de 0 bit.
Étape 4 : Ajoutez les poids restants pour obtenir l’équivalent décimal.
Exemple 4.1 Conversion de 11012 en son nombre décimal équivalent
Solution Les quatre étapes de la conversion sont données comme suit :
Étape 1
1
1
0
0
1
Étape 2
16
8
4
2
1
Étape 3
16
8
4
2
1
Étape 4
16+8+1 = 25.
∴11012 = 2510
Activité 4.5 Fractions binaires
La procédure est la même que pour les entiers relatifs binaires sauf que les poids
suivants sont utilisés pour différentes positions de bits.
Exemple 4.2. Conversion de la fraction binaire 0,101 en son équivalent décimal.
Solution. Les quatre étapes suivantes seront utilisées :
Étape 1
0
1
0
1
Étape 2
½
¼
1/8
Étape 3
½
¼
1/8
Étape 4
½ +1/8 = 0.625
∴0.1012 = 0.62510
Université Virtuelle Africaine 87
Exemple 4.3 Trouvez l’équivalent décimal du nombre binaire à 6 bits 101.1012
Solution
1
0
1
1
0
1
4
2
1
½
¼
1/8
4
2
1
½
¼
1/8
= 5 + ½ +1/8 = 5.625
∴101.1012 = 5.62510 Activité 4.6 Méthode double-addition
Cette méthode de conversion des entiers relatifs binaires et beaucoup plus simple et
rapide que celle donnée jusqu’à maintenant, surtout dans les cas de gros nombres.
Les trois étapes suivantes sont nécessaires :
1. Doublez le premier bit à l’extrême gauche et additionnez cette double valeur
au bit suivant à la droite.
2. Doublez la somme obtenue et ajoutez la valeur doublée au bit suivant.
3. Continuez l’étape 2 jusqu’à ce que le dernier bit ait été additionné à la somme
doublée précédemment.
La conversion de 110012 se fait de la façon suivante. Il est vu que 110012 =2510
1
1
0
0
1
2 × 1 = 2,2 + 1 = 3, 2 × 3 = 6,6 + 0 = 6, 2 × 6 = 12,12 + 0 = 12, 2 × 12 = 24,24 + 1 = 25
Université Virtuelle Africaine 88
(i)
En utilisant la méthode double-addition, convertissons 1110102 en son équivalent binaire.
1. 2 × 1 = 2 , additionnez le bit suivant 1 pour que 2+1 =3
2. 2 × 3 = 6 , additionnez le bit suivant 1 pour que 6+1 =7
3. 2 × 7 = 14 , additionnez le bit suivant 0 pour que 14+0 =14
4. 2 × 14 = 28 , additionnez le bit suivant 1 pour que 28+1 =29
5. 2 × 29 = 58 , additionnez le bit suivant 0 pour que 58+0 =58
Donc
1110102 = 5810 .
4.7 Conversion de décimales en binaires
(a) Entiers relatifs
De telles conversions peuvent être effectuées en utilisant la méthode double-addition ou la méthode division par deux. Comme exemple, convertissons 2510 en son
équivalent binaire.
25 ÷ 2 =12+ reste de 1
12 ÷ 2 = 6 + reste de 0
6 ÷ 2 = 3 + reste de 0
3 ÷ 2 = 1 + reste de 1
1 ÷ 2 = 0 + reste de 1
HAUT
BAS
Donc 2510 = 110012
(b) Fractions
Dans ce cas, la règle de multiplication par deux est utilisée. On multiplie chaque bit
par deux et on enregistre le report dans la position de l’entier relatif. Les étapes cidessous démontrent la façon dont 0.812510 est converti en son équivalent binaire.
0.8125 × 2
= 1.625
= 0.625
avec un report de 1
0.625 × 2 = 1.25
= 0.25
avec un report de 1
0.25 × 2 = 0.5 = 0.5
avec un report de 0
0.5 × 2 = 1.5 = 0.0
avec un report de 1
∴ 0.8125 10 = 0.1101 2
Université Virtuelle Africaine 89
Activité 4.9 Opérations binaires
Les quatre étapes suivantes sont considérées :
1. addition 2. Soustraction 3. Multiplication 4. Division
(a) Utilisez vos connaissances en mathématique apprises à l’école pour effectuer
l’addition binaire.
(b) Soustraction binaire.
La soustraction binaire requiert plus d’opérations d’emprunt que la soustraction
décimale. Les quatre règles de la soustraction binaire sont les suivantes :
1. 0 – 0 = 0, 4. 0 – 1 = 1 avec un emprunt de 1 dans la colonne suivante de la diminuende ou de 10 – 1 = 1
2. 1 - 0 = 1, 3. 1 – 1 = 0,
Exemple 4.4
Soustrayons 01012 de 11102. Les étapes diverses sont expliquées ci-dessous :
1110
-0101
1001
Explication
1. Dans la première colonne, puisqu’on ne peut soustraire 1 de 0, on emprunte 1
de la colonne de gauche suivante. D’où on écrit 1 dans la réponse et change
le 1 de la colonne suivante par un 0.
2. On applique la règle 1 à la colonne suivante, p.ex., 0 – 0 = 0.
3. On applique la règle 3 à la troisième colonne, p.ex., 1 – 1 = 0.
4. Enfin, on applique la règle 2 à la dernière, p.ex., la quatrième colonne 1 – 0 =
1 Comme vérification, on doit prendre note que parlant de nombres décimaux,
on a soustrait 5 de 14. Évidemment, la réponse doit être 9 (10012).
Université Virtuelle Africaine 90
Activité 4.10 Complément d’un nombre
Dans un travail numérique, deux types de compléments de nombres binaires sont
utilisés pour une soustraction complémentaire :
(a) Complément 1
Le complément 1 d’un nombre binaire est obtenu en changeant chacun de
ses 0 en un 1 et chacun de ses 1 en un 0. On l’appelle également le complément restreint. Par exemple, le complément 1 de 1002 est 0112 et de 11102 est
00012.
(b) Complément 2
Le complément 2 d’un nombre binaire est obtenu en additionnant 1 à son
complément 1é
Complément 2 = complément 1 + 1
Il est aussi connu sous le nom de complément vrai.
Exemple : 4.5
Le complément 2 de 10112 est trouvé de la façon suivante :
Étape 1 : Son complément 1 est 0100 2 .
Étape 2 : Additionnez 1 à 0100 2 afin d’obtenir 01012.
Étape 3 : D’où le complément 2 de 1011 2 es t 0101 2 .
La méthode de complément de soustraction diminue la soustraction à un processus
d’addition.
Dans les ordinateurs numériques, cette méthode est populaire puisque
1. Seulement des sommateurs sont requis, ainsi la simplification de la circuiterie.
2. Il est facile d’obtenir des compléments avec les circuits numériques.
Université Virtuelle Africaine 91
Activité 4.10 Soustraction complémentaire de 1
La soustraction d’un nombre est effectuée en additionnant le complément 1 à la
diminuende en suivant les règles suivantes :
1. Calculez le complément 1 du diminuteur en changeant tous ses 1 en 0 et tous
ses 0 en 1.
2. Additionnez ce complément au diminuteur.
3. Faites le report circulaire du dernier 1 ou 0.
4. S’il n’y a pas de report circulaire (p.ex., 0 report), la réponse doit donc être
recomplémentée et un signe de négation doit y être attaché.
5. Aucune recomplémentation n’est nécessaire si le report circulaire est 1.
Exemple 4.6
La soustraction de 101 2 à 111 2 est faite de la façon suivante :
Solution
111
+ 010
1001
1
010
← Complément du diminuteur 101
← Report circulaire
La réponse finale est obtenue en enlevant le report de la somme de l’addition dans
la dernière position et en l’additionnant dans le reste. On appelle cela le report circulaire.
Tâche 4.1. Utilisations des règles précisées en 4.13 dans la résolution de problèmes
Utilisez les règles de soustraction et faites les soustractions suivantes.
a. Soustrayez 1101 2 de 1010 2 . La réponse finale est -0011. Expliquez la façon
dont elle est obtenue.
b. Soustrayez 1110 2 de 0110 2 . La réponse est -1000 2 .
c. Soustrayez 01101 2 de 11011 2 . La réponse est 01110 2 .
Université Virtuelle Africaine 92
Activité 4.11. Soustraction complémentaire de 2
Les étapes essentielles sont les suivantes :
1. 2. 3. 4. 5. Trouvez le complément 2 du diminuteur,
Additionnez ce complément au diminuende,
Écrivez le report final,
Si le report est 1, la réponse est positive et ne doit pas être recomplémentée,
Recomplémentez la réponse et ajoutez un signe négatif s’il n’y a pas de report.
Exemple 4.7 Utilisations de la soustraction complémentaire de 2
Soustrayez 1010 2 de 1101 2
Solution.
Le complément 1 de 1010 est 0101
Le complément 2 est 0101 + 1 = 0110
En l’additionnant, on obtient
1101
+0110
10011
L’omission du dernier report donne la réponse finale 0011 2 .
Activité 4.12. Multiplication et division binaires
Les procédures pour la multiplication et la division sont les mêmes que pour la multiplication et la division décimales.
(a) Les quatre règles simples de la multiplication sont :
i. 0 × 0 = 0
ii. 0 × 1 = 0
iii. 1 × 0 = 0
iv. 1 × 1 = 1
.
Université Virtuelle Africaine 93
(b) Les règles de la division sont :
i. 0 ÷ 1=0
ii. 1 ÷ 1= 1
iii. La division de 1 par 0 est sans signification
Tâche 4.2. Lecture approfondie et prise de note
a) Utilisez les références disponibles et lisez sur la multiplication et la division
des nombres binaires.
b) Faites le plus d’exemples possible afin de bien maîtriser de tels problèmes.
c) Multipliez 1101 2 par 1100 2 (La réponse est 1001100 2 ).
d) Multipliez 111 2 par 111 (La réponse est 101001 2 ).
e) Divisez 11001 2 par 101 2 (La réponse est 101 2 ).
f) Divisez 110011 2 par 100 2 (La réponse est 110,11 2 ).
Activité 4.13 Système de nombres octaux
(i) Racine ou base
Il a une base de 8, ce qui signifie qu’il possède huit chiffres compteurs distincts :
0,1, 2,3, 4,5, 6, et 7
Ces chiffres de 0 à 7 ont exactement la même signification physique que dans le
système décimal. Au-delà de 7, le comptage devient
0,
1,
2,
3,
4,
5,
6,
7,
→ 10,
11,
12,
13,
14,
15,
16,
17,
20,
21,
22,
23,
24,
25,
26,
27,
30,
31,
32,
…
…
…
…
…
Université Virtuelle Africaine 94
(ii) Valeur de position
La valeur de position (ou poids) pour chacun des numéros est donnée par différentes
puissances, comme démontré ci-dessous :
← 84 83
82 81
80
•
8 -1 8 -2 →
↑
Point octal
Exemple 4.8 Conversions de nombres octaux en décimaux
453 8 ≡ 4 × 82 + 5 × 81 + 3 × 80 = 4 × 64 + 5 × 8 + 3 × 1 = 29910
453.27 8 ≡ 4 × 82 + 5 × 81 + 3 × 80 = 4 × 64 + 5 × 8 + 3 × 1 + 2 ×
1
1
+7×
8
64
; 299.359410
Exemple 4.9 Conversions de nombres décimaux en octaux
Ici, huit agit en tant que facteur de multiplication pour les entiers relatifs et comme
facteur de division pour les fractions.
256 .4310 → octal
256 ÷ 8 = 32 avec 0 reste
32 ÷ 8 = 4 avec 0 reste
4 ÷ 8 = 0 avec 4 restes
⇒ 25610 ≡ 4008
De la même façon,
0.4310 → octal est calculé de la façon suivante :
0.43 × 8 = 3.44 = 0.44 avec un report 3
0.44 × 8 = 3.52 = 0.52 avec un report 3
0.52 × 8 = 4.16 = 0.16 avec un report 4
0.16 × 8 = 1.24 = 0.24 avec un report 1
Université Virtuelle Africaine 95
0.24 × 8 = 1.92 = 0.92 avec un report1 etc.
∴0.4310 ≅ 0.3348
∴ 256.4310 ≅ 400.3348 .
Activité 4.14 Conversions de binaires en octaux
La procédure la plus simple est d’utiliser la méthode binaire triple, où le nombre donné
est arrangé dans des groupes de trois bits en commençant à partir du point binaire.
Ensuite chaque groupe est converti en son nombre octal équivalent.
Exemple 4.10
(a) convertissez 101011
2
en son équivalent octal.
Solution
Étape 1 : Commencez par convertir les bits dans les groupes de trois, p.ex.,
101011
101 011
Étape 2 : Convertissez chacun de ceux-ci en octaux
101 2 est 5 octaux et 011 2 est 3 octaux.
∴101
011
↓
↓
5
3
∴1010112 = 538
Université Virtuelle Africaine 96
(b) Convertissez 1101.11
2
en octal
Solution
Étape 1 : Regroupez les bits en trois, p.ex.,
1101.11
001 101 110
Étape 2 :
Activité 4.14.1
↓
↓
↓
1
5
6
∴1101.112 = 15.68
Utilité du système de nombre octal.
La facilité avec laquelle les conversions peuvent être faites entre les octaux et les
binaires rend le système octal attrayant comme moyen « abrégé » d’exprimer les
gros nombres binaires. On doit prendre note que certains nombres binaires dans les
ordinateurs ne représentent pas toujours une quantité numérique, mais qu’ils sont
souvent un type de code qui transmet de l’information non numérique comme :
(i) des données numériques réelles,
(ii) des nombres correspondants à une location appelée (adresse) en mémoire,
(iii)un code des instructions,
(iv) un code représentant des caractères alphabétiques et autres caractères non
numériques,
(v) un groupe de bits représentant l’état des dispositifs internes et externes à
l’ordinateur.
Il est pratique et plus efficace d’écrire un nombre en octal plutôt qu’en binaire lorsqu’on a affaire à une grande quantité de nombres binaires de plusieurs bits. Par contre,
souvenez-vous que les circuits et systèmes numériques fonctionnent seulement en
binaire.
Activité 4.15
Systèmes de nombres hexadécimaux
Système de nombre hexadécimal
1. Il a une base de 16 et utilise donc 16 chiffres compteurs distincts allant de
0 à 9 et de A à F : 0,1, 2,3, 4,5, 6,7, 8,9, A, B, C, D, E, F
2. La valeur de place de chacun de ses numéros est en puissance ascendante
de 16 pour les entiers relatifs et en puissance descendante pour les puissances
de 16 pour les fractions.
Université Virtuelle Africaine 97
Ce système est utilisé pour spécifier les adresses de différents nombres binaires d’une
mémoire d’ordinateur.
Exemple 4.11 Comptage au-delà de F
………F 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 1A 1B 1C 1D 1E 1F 20 21 22….
Activité 4.16 Codage numérique
Dans les circuits logiques numériques, chaque pièce d’information est représentée
par une combinaison équivalente de chiffres binaires, appelée code numérique.
L’utilité d’un code parmi d’autres est de
i. Réduire le besoin de circuiterie.
ii. Augmenter la fiabilité du système numérique.
iii. Permettre aux erreurs détectées d’être corrigées.
Activité 4.16.1 Code décimal codé binaire (DCB)
Le code décimal codé binaire (DCB) est utilisé pour représenter un chiffre décimal
par un groupe de quatre bits. À partir de la droite jusqu’à la gauche, la pondération
des positions des quatre bits est 8-4-2-1 Cela est aussi appelé le code 8421. Il est un
code numérique pondéré. Chaque chiffre numérique de 0 à 9 requiert un nombre
binaire pondéré de 4 bits, comme démontré dans la table 4.1
Table 4.1
Décimale
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
DCB
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
Université Virtuelle Africaine 98
a) Cependant, tout nombre décimal est exprimé en code DCB en remplaçant
chaque chiffre décimal par la combinaison de quatre bits appropriée.
b) Inversement, un nombre DCB est converti en nombre décimal en divisant le
nombre pondéré en groupes de quatre bits (en commençant par le bit le moins
important) et en écrivant ensuite le chiffre décimal représenté par chacun de
ces groupes de quatre bits.
Exemple 4.12 Écrivez le nombre décimal 674 en code DCB.
Solution. 0110 0111 0100.
De la même façon, les codes DCB pour les nombres décimaux suivants sont montrés
dans la table 4.2.
Table 4.2
Decimale
51
428
7369
21057
DCB
0101 0001
0100 0010 1000
0111 0011 0110 1001
0010 0001 0000 0101 0111
Activité 4.16.3 Codage octal
Cela implique le regroupement de bits en trois. Par exemple, (2341)8 = (010 011 100
001)2 = (010011100001)2.
De la même façon, le nombre à 24 bits stocké dans la mémoire de l'ordinateur tel 110
010 101 001 010 111 000 011 peut être lu dans l'octal comme
110
6
010
2
Activité 4.16.4
101
5
001
010
111
000
011
1
2
7
0
3
Codage hexadécimal
L’avantage de ce codage est que quatre bits sont exprimés par un seul caractère. Cependant, le désavantage est que de nouveaux symboles ont été utilisés pour représenter
les valeurs de 1010 à 1111 binaires.
Université Virtuelle Africaine 99
Éléments logiques
Activité 4.17 Définition d’un élément logique
Un élément logique est un circuit électronique qui
(i) prend des décisions logiques basées sur certaines combinaisons de signaux
d’entrée.
(ii) possède une sortie et une ou plusieurs entrées.
(iii) met en application la fonction logique de matériel basée sur l’algèbre booléenne. Les variables utilisées en algèbre booléenne sont soit un zéro ou un
1. Les principaux circuits intégrés de ces éléments sont : la logique à transistors et transistors (TTL), la logique à couplage par l’émetteur (ECL), le
métal-oxyde-semiconducteur (MOS) et le semi-conducteur complémentaire
à l’oxyde de métal (CMOS).
Pour une démonstration, voir ce qui suit : Useful Applets : http://jas.eng.buffalo.
edu/
CMOS Inverter Gate Applet : http://jas.eng.buffalo.edu/education/mos/inverter/
index2. html: 4 octobre 2007
Analog Switch & Transmission Gate : http://jas.eng.buffalo.edu/education/mos/
tgate/index.html. 4 octobre 2007
Activité 4.17.1 Logiques positive et négative
Les symboles numériques 0 et 1 représentent les états possibles d’un circuit ou d’un
dispositif dans les systèmes informatiques dans lesquels on peut avoir une logique
positive ou négative. Dans une logique positive, le 1 représente : un circuit ALLUMÉ,
un commutateur FERMÉ, une HAUTE tension, un signe POSITIF ou une proposition
numérique VRAIE. D’un autre côté, le 0 représente un circuit ÉTEINT, un commutateur FERMÉ, une BASSE tension, un signe NÉGATIF ou une proposition numérique
FAUSSE. Dans une logique négative, seules les conditions opposées l’emportent.
Pour un système numérique avec deux seuils de tension 0V et 5V, on a un système
de logique positive si le symbole 1 veut dire 5V et le symbole 0 pour 0V. Par contre,
si 1 représente 0V et 0 représente 5V, nous obtiendrons un système de logique négative.
En effet, le seuil de tension le plus positif des deux représente le 1 tandis que
dans la logique négative, la tension la plus négative représente le 1 et il n’est pas
essentiel que le 0 soit représenté par 0 V.
Université Virtuelle Africaine 100
Activité 4.17.2
La porte OU
Pour cette activité, vous devrez apprendre que le symbole pour la porte OU à deux
entrées avec les entrées marquées A et B et la sortie marquée X est montré dans la
figure 4.1 (a). Son circuit de commutation équivalent est montré dans la figure Fig
4.1 (b). Les trois variables A, B et X peuvent avoir 1 ou 0 à la fois.
A
A
X
B
B
X
A+B= X
( a ) ( b)
Figure 4.1 La porte OU
Activité 4.17.3
Opération logique
Les points d’apprentissage importants sont :
a) La porte OU possède une sortie de 1 lorsque A, B ou les DEUX sont 1.
b) Ceci est n’importe laquelle ou toutes les portes puisqu’une sortie se produit
lorsque n’importe laquelle ou toutes les entrées sont présentes.
c) Dans la figure 4.1 (b), la lampe s’allume (logique 1) lorsque l’un ou l’autre
des commutateurs A ou B ou les deux sont fermés.
Par contre, la sortie est 0 si et seulement si les entrées sont 0. En changeant les conditions, la lampe est ÉTEINTE (logique 0) seulement lorsque les deux commutateurs
A et B sont FERMÉS.
La porte OU représente l’équation booléenne A + B = X. (4.1)
Dans l’équation 4.1, X est réel lorsque A est vrai ou B est vrai ou que les deux sont
vrais. Sinon, cela signifie que la sortie X est 1 lorsque A ou B ou les deux sont 1.
Dans ce cas, la porte OU se nomme la porte OU inclusif puisqu’elle inclut le cas où
les deux entrées sont réelles. Le signe « + » dans l’équation 4.1 indique une opération
OU et non pas que la somme de A et B est égale à X. Les autres symboles utilisés à
la place de « + » sont U et V. D’où l’équation 4.1 peut aussi être écrite comme :
AUB = X ou AVB = X.
(4,2)
Université Virtuelle Africaine 101
Exemple 4.13 Transistor porte OU
Cet exemple illustre un transistor porte OU possible qui consiste en trois transistors
interconnectés Q1, Q2, et Q3 alimentés à partir d’une alimentation commune Vcc = +5V,
tel que démontré dans la figure 4.3.
R1
B A Q1
+ 5V
R2
N
Q2
X
M
Q3
Figure 4.2 Transistor porte OU qui consiste en trois transistors interconnectés
Description de ce qui se produit dans la figure 4.2
(ii) Lorsque +5V est appliqué à A, Q1 est polarisé dans le sens direct. Il mène donc.
Supposons que Q1 est saturaté, l’entier Vcc = 5V tombe à travers R1 causant donc
N à aller au sol. À tour de rôle, cela coupe Q3 causant ainsi X à aller à Vcc , p.ex.,
+5V.
(iii)Lorsque +5V est appliqué à B, Q2 mène, conduisant ainsi N au sol, p.ex., 0V.
Sans polarisation directe sur sa base, Q2 est coupé et conduit donc encore une
fois X à Vcc , p.ex., +5V.
(iv) Si les deux entrées A et B sont reliés à la terre, Q1 et Q2 sont coupés, conduisant
N à +5V.
Comme résultat, Q3 devient polarisé dans le sens direct et mène pleinement.
Dans ce cas, l’entier Vcc tombe à travers R2 , conduisant M et donc X au sol.
Université Virtuelle Africaine 102
Tâche 4.3 Construction d’une table de vérité pour une porte OU
(a) Pour toutes les combinaisons possibles d’entrées, utilisez la figure 4.1 (b) et
construisez une table de vérité qui donne l’état de sortie.
(b) Expliquer la signification de chaque combinaison.
(c) Construisez une table de vérité pour la porte OU à trois entrées.
Activité 4.17.4 Porte OU exclusif
Dans cette section, vous apprendrez que :
a) Le symbole pour la porte OU exclusif est comme démontré dans la figure 4.3
(a) et que son circuit de commutation équivalent est comme démontré dans
la figure 4.3 (b).
b) Dans ce type de porte, la sortie est 1 lorsque ses entrées sont différentes et la
sortie est 0 lorsque ses deux entrées sont les mêmes.
c) Le circuit se nomme également comparateur ou détecteur d’égalité puisqu’il
produit une sortie seulement lorsque les deux entrées sont différentes.
(a) : Porte OU exclusif
(b) : Circuit de commutation équivalent
Figure 4.3
Ici, nous traiterons seulement d’énoncés exclusifs tels que :
On peut être riche OU pauvre,
Évidemment, on ne peut être les deux à la fois.
Le changement de circuit de commutation de la figure 4.3 (b) simule la porte OU
exclusif. Le changement des positions A et B allumera la lampe individuellement,
mais une combinaison de A et B n’est pas possible. Construisez la table de vérité.
Université Virtuelle Africaine 103
Activité 4.17.5 La porte ET
Le symbole logique pour une porte ET à deux entrées est montré dans la figure 4.4 (a)
et son circuit de commutation équivalent est montré dans la figure 4.4 (b). Chacune
des trois variables A, B, X peuvent avoir une valeur de 0 ou 1.
A
A
X
B
B
X
lamp
A.B = X
(a )
(b )
2-Porte ET entrée
Circuit de commutation équivalent
Figure 4.4
Opération logique
• La porte ET donne une sortie seulement lorsque toutes ses entrées sont présentes.
• La porte ET a une sortie 1 lorsque A et B sont tous les deux 1. D’où cette porte
est une porte tout ou rien qui a une sortie se produisant seulement lorsque
toutes ses entrées sont présentes.
• En terminologie vrai ou faux, la sortie d’une porte ET sera réelle seulement
si toutes ses sorties sont réelles. Sa sortie sera fausse si une de ses entrées est
fausse.
La porte ET fonctionne avec l’algèbre booléenne
A× B = X
or
A.B = X
or
AB = X . .
(4.3)
Ceci est différent de la multiplication arithmétique. La signification logique de
( ) est que
l’équation 4.3
• La sortie X est 1 seulement lorsque A et B sont 1.
• La sortie X est réelle seulement lorsque A et B sont réels.
Université Virtuelle Africaine 104
Tâche 4.4 Construction d’une table de vérité
(a) Construisez une table de vérité pour une porte ET à deux entrées.
(b) Construisez une table de vérité pour une porte ET à trois entrées.
(c) Dessinez des circuits électriques équivalents pour la porte ET.
Activité 4.17.6 Porte ET symbolise la multiplication logique
Selon l’algèbre booléenne, la porte ET fait une multiplication logique sur ses entrées
selon l’équation 4.4.
0.0 = 0, 1.0 = 0
0.1 = 0,
1.1 = 1
}
(4.4 )
En général, les lois booléennes de multiplication sont données par l’équation (4.5)
A.1 = A,
A.0 = 0
}
A.A = A
(4.5)
Activité 4.17.7 La porte NON
(1) La sortie de cette porte n’est PAS la même que son entrée. Cette porte est aussi
appelée un inverseur puisqu’il inverse le signal d’entrée. Elle possède une entrée
ou une sortie, comme démontré dans la figure 4.5 (a) et la table de vérité est
montrée dans la figure 4.5 (b). Le symbole schématique pour l’inversion est un
petit cercle, comme démontré dans la figure 4.5 (a).
A
B
0
1
1
0
(a) Porte NON
(b) Table de vérité
Université Virtuelle Africaine 105
Le symbole pour l’inversion, la négation ou la complémentation est une barre audessus de la fonction, pour indiquer l’état complémentaire. Par exemple, A signifie
non-A. De la même façon, ( A + B ) signifie le complément de
( A + B).
(2) L’opération NON
Elle est une opération de complémentation et son symbole est une barre au-dessus.
Par exemple
0 =1
1= 0
or 0 = 1 = 0
1= 0 =1
D’où la double complémentation donne la valeur originale.
Activité 4.17.8 La porte NON-OU
(1) Elle est une porte NON-OU qui peut être faite d’une porte OU en branchant
un inverseur dans sa porte, comme démontré dans la figure 4.6 (a).
A
B
X
Figure 4.6. Une porte NON OU qui peut être faite d’une porte OU
L’équation de sortie est donnée par
X = (A + B )
Une fonction NON OU est tout simplement le contraire de la fonction OU.
Université Virtuelle Africaine 106
Tâche 4.5 : Circuits équivalents pour une porte NON
(2) Une porte NON OU est une porte universelle
Une porte NON OU est souvent appelée porte universelle puisqu’elle peut être utilisée
pour réaliser les fonctions de base logique : OU, ET et NON OU.
A
A
o
B
A
A+ B
X = A+ B
B
O R gate
porte OU
(a )(a)AsComme
A
A
A
B
o
X = AB
(b) Comme porte
(b)ET As AND gate
o
A+ A= A
) AsNON
N O OU
T gate
(c) Comme(cporte
Figure 4.7
(i) Comme porte OU
Dans la figure 4.7
(a) La sortie à partir des portes NON OU est A + B. En utilisant un autre inverseur
dans la sortie, la sortie finale est inversée et est donnée par X = A + B laquelle
est la fonction logique d’une porte normale OU.
(ii) Comme porte ET
Afin d’utiliser la porte NON OU comme porte ET, deux inverseurs sont utilisés,
une pour chaque entrée, comme démontrée dans la figure (b) .
(iii) Comme porte NON
Comme porte NON, les deux entrées sont connectées ensemble, comme démontré dans la figure 4.7
(c) . L’entrée est A + A .
Université Virtuelle Africaine 107
Activité 4.17.8 La porte NON-ET
(1) La porte NON-ET est une porte NON et une porte ET. Elle peut être obtenue
en connectant une porte NON dans l’entrée d’une porte ET, tel que démontré
dans la figure 4.8. Sa sortie est donnée par l’équation booléenne.
A
X
B
(a )
A
o
B
X = AB
(b)
Figure 4.8
Si les entrées ne sont pas 1, alors la sortie de la porte sera 1.
(2) La porte NON-ET est une porte universelle.
La porte NON-ET se nomme porte universelle puisqu’elle peut faire les trois fonctions
logiques d’une porte OU, ET ou d’un inverseur.
Tâche 4.6. Lecture approfondie et prise de note
(a) Montrez la façon dont une porte NON peut être faite d’une porte NON-ET.
(b) Montrez la façon dont on peut utiliser les deux portes NON-ET pour produire
une porte ET.
(c) Montrez la façon dont une porte OU peut être faite à partir de trois portes
NON-ET.
Exemple 1 : Un signal électrique est exprimé comme 101011. Expliquez sa signification. Si ce signal est appliqué à une porte NON, quel sera le signal de sortie ?
Université Virtuelle Africaine 108
Solution
1
0
1
0
1
1
input d’entrée
signal
Signal
0
1
0
1
0
0
Signal
outputde sortie
signal
Le nombre binaire 1010112 pour le signal d’entrée est représenté comme un train
d’impulsions.
La logique positive 1 représente la haute tension et 0 représente la basse tension. Le
nombre binaire pour le signal de sortie est 0101002 .
Exemple 2. Deux signaux électriques représentés par A = 101101 et B =110101 sont
appliqués à une porte ET à deux entrées. Dessinez le signal de sortie et le nombre
binaire qu’elle représente.
Solution. Le train de pulsions correspondant à A et B est montré dans la figure 4.9.
Dans une porte ET, C est 1 seulement lorsque A et B sont 1.
A
B
C
1
0
1
1
0
1
1
0
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
2
3
4
5
6
1
input signal
Signal d’entrée
input signal
Signal d’entrée
output signal
Signal de sortie
Time intervals
Intervalles
de temps
Figure 4.9 En montrant les signaux d’entrée A et B, et le signal de sortie C
Université Virtuelle Africaine 109
La sortie peut être trouvée dans différents intervalles de temps comme suit :
1. 1er intervalle : 1 + 1 = 1
2. 2e intervalle : 0 + 1 = 0
3. 3e intervalle : 1 + 0 = 0
4. 4e intervalle : 1 + 1 = 1
5. 5e intervalle : 0 + 0 = 0
6. 6e intervalle : 1 + 1 = 1
D’où la sortie de la porte ET est 1001012 .
Activité 4.17.8 Circuit combinatoire logique
Un circuit combinatoire logique est un circuit construit à partir de différentes combinaisons de portes logiques. Le circuit possède une série d’entrées, un circuit associatif
sans mémoire pour fonctionner sur des entrées et une série de sorties, comme montré
dans la figure 4.10. La sortie pour un circuit logique combinatoire dépend uniquement
de la valeur d’entrée présente et non de celles qui ont précédé.
Des exemples de tels circuits sont : des décodeurs, des additionneurs, des multiplexeurs, des démultiplexeurs, etc.
Combi nation al
Sorties
combinatoires
outpu ts
Éléments
logiques
Combi nation al
Log ic gates
Exter nal inputs
Entrées externes
Figure 4.10 Circuit logique combinatoire
Université Virtuelle Africaine 110
Activité 4.17.9 Multiplexeur et Démultiplexeur
(a) Le multiplexeur (MUX) est un dispositif qui sélectionne une entrée seulement
parmi N sources d’entrées de données, C0 , C1 ,............Cn �1 sous l’influence
d’une entrée de sélection, montrée dans la figure 4.11 (a) . Il possède une ligne
de sortie unique. D’où le multiplexeur est un commutateur logique de sortie
lequel est maîtrisé par un signal logique.
input
C0
c0
C1
c1
output
c2
1-4
multiplexer
output
F
c3
Cn 1
Address
A
select
B
Figure 4.11(a) Analogue mécanique du multiplexeur; 4 à 1 multiplexeur (b) Schéma
d’ensemble
(b) Démultiplexeur
Un démultiplexeur performe le processus contraire du multiplexeur. Il peut prendre
une entrée et transférer les données sur cette ligne d’entrée à la borne de plusieurs
lignes de sortie, sous l’influence de l’entrée de sélection.
• Utilisez les livres d’électronique standard et compilez les notes sur le travail
de démultiplexeur.
Activité 4.17.11 Bascules bistables
Le nom bascule bistable décrit l’habileté d’un circuit à changer entre deux états stables. Une bascule bistable, aussi appelée multivibrateur bistable, constitue un circuit
de mémoire numérique de base puisqu’il possède deux états stables. Un des états
stables est connu sous le nom de R à U ou logique 1 et l’autre état stable est appelé
Université Virtuelle Africaine 111
Réinitialisation, CLAIR ou 0. La plupart des bascules bistables sont du type
base de temps dans lequel le changement d’état de la bascule bistable se produit à
une vitesse précise. Certaines des bascules bistables les plus utilisées sont les types
SR, JK, D et T.
(a) Balance SR
Le type de balance le plus simple est la balance SR. Elle possède deux entrées : les
entrées S et R et les deux sorties, qui sont complémentaires à chacune, indiquées par
Q et Q . Le circuit de balance SR est parfois appelé le verrou SR. Le verrouillage
signifie que le circuit maintient une condition, en mode désactivé, jusqu’à ce qu’il
soit libéré par une impulsion S ou R. La construction d’un verrou SR est démontrée
dans la figure 4.12.
R
o
oQ
o
o
o
oQ
Figure 4.12 Circuit de balance SR avec deux portes NON-OU
• Il y a quatre modes d’opération : (i) mode désactivé inhinbité (ii) mode ensemble (iii) mode conditions initiales ou vidage (iv) mode interdit ou non
permis.
Activité 4.19
ALGÈBRE BOOLÉENNE
Introduction
L’algèbre booléenne n’est pas l’algèbre numérique ordinaire apprise à l’école, mais
un totalement nouveau système appelé algèbre logique. Comme mentionnée plus tôt,
l’algèbre booléenne est idéale pour la conception et l’analyse de circuits logiques
utilisés en informatique. Elle fournit une façon économique et directe de décrire la
circuiterie informatique et des circuits de commutation compliqués. Comparée aux
outils d’analyse et de conception mathématiques, l’algèbre booléenne a les avantages
de simplicité, de rapidité et de précision.
Université Virtuelle Africaine 112
Caractéristique unique de l’algèbre booléenne
Contrairement à l’algèbre ordinaire, les variables utilisées en algèbre booléenne ont
une propriété unique, p.ex., elles peuvent assumer seulement une des deux valeurs
possibles 0 et 1. Chacune des valeurs utilisées dans une équation logique ou booléenne
peut supposer seulement la valeur de 0 ou 1.
Par exemple, dans l’équation logique A + B = C, chacune des trois variables A, B et
C peuvent avoir seulement la valeur de 0 ou 1.
Lois de l’algèbre booléenne
L’algèbre booléenne est un système de mathématique basé sur la logique. Elle a sa
propre série de lois fondamentales qui sont nécessaires à la manipulation des expressions booléennes.
1. Lois OU
A+ 0 = A
Loi 1.
Loi 2. A + 1 = 1 Loi 3. A + A = A
Loi 4. A + A = 1
2. Lois ET
Loi 5. A.0 = 0 Loi 7.
A. A = A
Loi 6
A.1 = A Loi 8.
A. A = 0
3. Lois de complémentation
Loi 9. 0 = 1 Loi 10. 1 = 0 Loi 11. Si A = 0, alors A = 1
Loi 12. If A = 0, alors A = 0
Loi 13 A = A
4. Lois de la commutativité
Ces lois permettent un changement dans la position des variables dans les expressions
OU et ET.
Loi 14. A+ B = B + A
Loi 15.
A.B = B.A
Université Virtuelle Africaine 113
Les lois 14 & 15 signifient que l’ordre dans lequel une combinaison de termes est
faite n’influence pas son résultat final.
5. Lois associatives
Ces lois permettent d’enlever les parenthèses de l’expression logique et de regrouper
les variables.
Loi 16.
A + (B + C ) = ( A + B ) + C
Loi 17.
( A + B ) + (C + D ) = A + B + C + D
Loi 18.
A. (B.C ) = ( A.B ).C
6. Lois distributives
Ces lois permettent la factorisation ou la multiplication d’une expression.
Loi 19.
A (B + C ) = AB + AC .
Loi 20.
A + BC = ( A + B )( A + C ) .
Loi 21.
A + A.B = A + B .
7. Lois d’absorptivité
Elles nous permettent de réduire une expression logique compliquée en une forme
plus simple en absorbant certains des termes en termes existants.
Loi 22. A + AB = A Loi 24 A. A + B = AB .
(
)
Loi 23. A. ( A + B ) = A
Université Virtuelle Africaine 114
Auto-évaluation 4
1. Convertissez la fraction binaire 0,111 en sa décimale équivalente.
2. Convertissez 0.7710 en son binaire équivalent.
3. Convertissez 25,625 en sa binaire équivalente.
4. Dans les conversions suivantes, commentez les réponses obtenues
i 1101.0 2 et 11010.0 2 .
ii 1101.0 2 et 110.10 2 .
5. Effectuez les soustractions binaires suivantes :
a. 1000 2 - 0001 2
b. 1001 2 - 0111 2 .
c. 1101 2 - 1010 2 .
6. Écrivez les nombres hexadécimaux suivants en nombres binaux.
(i )D8
(ii ) 4E.
7. (a) Utilisez les références pour dessiner des circuits équivalents pour une porte
NON et expliquez le fonctionnement de ceux-ci.
(b)
A
B
C
X
(i) Trouvez l’équation booléenne pour la sortie X.
(ii) Évaluez X lorsque : A = 0, B = 1, C = 1 et lorsque : A = 1, B = 1, C = 1
(c) Construisez une opération logique pour une porte NON-OU et expliquez son
fonctionnement.
Université Virtuelle Africaine 115
8.
i) Dessinez le circuit logique pour le multiplexeur de la figure 4.11
(b)
ii) Écrivez l’équation logique qui fournit la fonction commutatrice.
iii) Le démultiplexeur exécute le processus contraire du multiplexeur.
Écrivez un bref commentaire à ce sujet.
9.
(i) Construisez une table de vérité pour la figure 4.13
(ii) Utilisez la figure 4.13 pour décrire la façon dont les quatre modes d’opération :
mode désactivé ou inhibé; mode ensemble; mode réinitialisation ou vidage et
mode interdit ou non permis sont obtenus.
(iii) Dessinez un circuit d’une bascule à verrouillage RS et décrivez son mode
de fonctionnement.
Université Virtuelle Africaine 116
Activité 5 Acquisition de données et commande de processus
Vous aurez besoin de 20 heures pour terminer cette activité. Seulement des directions
de base vous seront données pour vous aider à faire cette activité.
Objectifs spécifiques d’apprentissage et d’enseignement
Dans cette activité, vous aurez besoin de :
i. Expliquer le fonctionnement d’un transductor en différents modes (tension,
lumière, piézo, température)
ii. Expliquer et appliquer le signal transductor qui conditionne les processus et
iii. Appliquer le signal conditionné en forme numérique.
Résumé de l’activité d’apprentissage
Dans cette activité, on aborde le sujet de différents types de transducteurs en relation avec la façon dont le traitement de l’information est fait. La discussion sur le
traitement de l’information est divisée en trois parties : les capteurs, le formage de
signaux et l’acquisition de données. Comme exemple de capteurs, on discute du capteur piézoélectrique et une expression pour la tension générée est dérivée. En ce qui
concerne le formage de signaux, les sujets suivants sont abordés : exigences pour les
convertisseurs analogiques numériques ; isolation de signaux, formage de signaux;
suppression de signaux indésirés. De plus, les conversions d’un capteur de tension,
de courant et de résistance en tension sont discutées. La dernière section de cette
activité traite de l’acquisition de données dans laquelle les sujets discutés incluent :
l’antirepliement; l’échantillonnage et la mémorisation; la conversion analogique
numérique et les intégrations de systèmes. Dans certains cas, certaines équations
sont dérivées et uitilsées pour des problèmes numériques.
Lectures obligatoires
Lecture 1 : WIKIBOOKS
Référence complète : http://en.wikibooks.org/wiki/Electronics/Boolean_Algebra.
5 octobre 2007
Résumé : Les sujets traités incluent parmi d’autres : opérateurs mathématiques
formels, lois de l’algèbre booléenne (associativité, distributivité et commutativité).
Justification : Cette lecture fournit du matériel de lecture de base sur l’algèbre
booléenne.
Université Virtuelle Africaine 117
Lecture 5 : Sensors.
Référence : http://Soundlab.cs.princeton.ed/learning/tutorials/sensors/node19.
html.
7 juillet 2007
Résumé : Les sujets traités incluent l’acquisition de données (capteurs piézoélectriques, accéléromètre, capteurs de force, microphones, capteurs bipotentiels); formage de signaux (exigences pour les convertisseurs N/A, tension
à tension, résistance à tension, capacité à tension); acquisition de données
(antirepliement, conversion analogique numérique, systèmes d’acquisition
de données).
Justification : Cette lecture fournit du bon matériel sur cette activité.
Ressources MULTIMÉDIAS
Référence : http://images.google.co.uk/images?hl=en&q=Transducers&oe=UTF8&um=1&ie=UTF-8&sa=N&tab=wi. 4 octobre 2007
Résumé : Images de différents types de transducteurs.
Justification : Cette ressource fournit de l’information sur les différents
transducteurs.
Référence : http://images.google.co.uk/images?hl=en&q=sensors&oe=UTF8&um=1&ie=UTF-8&sa=N&tab=wi. 4 octobre 2007
Résumé : Cette ressource fournit différents types de capteurs.
Justification : Les images renforcent l’apprentissage.
Liens utiles
Titre : Piezoelectricity
Adresse URL : http://en.wikipedia.org/wiki/Piezoelectricity. 4 octobre 2007
Résumé : Fournit des lectures utiles sur : matériel, applications qui incluent la
haute tension et les sources d’énergie, les capteurs, les récepteurs, les moteurs
piézoélectriques et les classes de cristal.
Titre : Transducers
Adresse URL : http://en.wikipedia.org/wiki/Transducer”; 4 octobre 2007
Résumé : Fournit de bonnes lectures sur les types de transducteurs qui incluent parmi d’autres : l’antenne, lampe fluorescente, capteur à effet Hall,
moteur rotatif, générateur mécanique de vibrations, cristal piézoélectrique et
photodiodes.
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Activité 5.1 Fonctionnement des transducteurs
Dans cette activité, vous devrez :
i. Expliquer le fonctionnement d’un transducteur en différents modes.
ii. Expliquer et appliquer les processus de formage de signaux de transducteurs.
iii. Appliquer le formage de signaux en forme numérique.
Puisque l’électronique n’est pas un cours très enseigné à l’école, cette activité vous
fournira grandement la plupart des informations de case liée aux différents concepts.
Par contre, vous devrez faire de la lecture extensive afin de couvrir les zones méconnues. Un certain nombre de références vous seront données pendant votre étude,
mais vous ne devriez pas vous limiter à celles-ci.
Activité 5.1.1 Définition des transducteurs
Un transducteur est un dispositif, habituellement électrique, électronique, électromécanique, électromagnétique, photonique ou photovoltaïque qui convertit un
type d’énergie en un autre pour différentes raisons, notamment le mesurage ou le
transfert de l’information (p.ex., les capteurs de pression). Dans un sens plus large,
un transducteur est parfois défini comme étant un dispositif qui convertit un signal
d’une forme à une autre.
Activité 5.1.2 Traitement de l’information
Dans cette section, vous apprendrez la façon dont le traitement de l’information est
fait. Cela, concernant les domaines principaux. Le chemin par lequel l’information
est traitée requiert trois parties : les capteurs, le formage de signaux et l’acquisition
de données, telles que représentées dans la figure 5.1.
Figure 5.1 Les trois parties dans lesquelles l’information est traitée
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Avant de discuter des trois parties dans lesquelles l’information est traitée, jetons un
œil aux types de transducteurs.
Types de transducteurs
Les types de transducteurs sont donnés comme suit :
1. Électromagnétique :
- Antenne ‑ convertit les ondes électromagnétiques en courant électrique et vice
versa.
- Tube cathodique (CRT) – convertit les signaux électriques en forme visuelle.
- Lampe fluorescente, ampoule électrique convertit l’énergie électrique en
lumière visible.
- Cartouche de bande magnétique convertit le mouvement en forme électrique.
- Résistor de la phase lumineuse convertit les changements d’intensités lumineuses en résistances aux changements.
- Amorce de la bande, convertit les champs magnétiques changeants en forme
électrique.
- Capteur à effet Hall convertit le niveau d’un champ magnétique en forme
électrique.
2. Électrochimique :
- Sonde de pH.
- Pile à combustible électrogalvanique.
3. Électromécanique :
- Moteur rotatif, moteur linéaire.
- Potentiomètere lorsqu’utilisé pour mesurer une position.
- Cellule à quartz convertit la force à mV/V signal électrique en utilisant des
tensiomètres.
- Tensiomètre.
- Commutateur.
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4. Électroacoustique :
- Géophone convertit le mouvement au sol (déplacement) en tension.
- Hydrophone convertit les changements de pression de l’eau en une forme
électrique.
- Haut-parleur, écouteur – convertit les changements de signaux électriques en
forme acoustique.
- Microphone – convertit les changements de pression d’air en signal électrique.
- Cristal piézoélectrique convertit les changements de pression en forme électrique.
- Diode laser, diode électroluminescente convertit l’énergie électrique en formes
lumineuses.
- Photodiode, photorésistance, phototransistor, tube photomultiplicateur
– convertit les changements d’intensité lumineuse en forme électrique.
5. Électrostatique :
- Électromètre
- Affichage à cristaux liquides
6. Thermoélectrique :
- Détecteur de température à résistance
- Thermocouple
- Termistance (inclut résistor CTP et résistor CTN).
Tâche 5.1 Lecture approfondie et prise de note
Vous devez utiliser les références suivantes :
«http://en.wikipedia.org/wiki/Transducer»; 8 octobre 2007; http://soundlabs.princeton.edu/learning tutorials/sensors/node7, 12 août 2007, pour faire de brefs commentaires. Vous devez utiliser les liens inclus dans la référence afin d’enrichir vos
commentaires.
(a) Expliquer le fonctionnement d’un transducteur dans les modes suivants :
Tension
Lumière
Piézo et
Température
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Activité 5.1.3 Brefs commentaires sur le capteur, le formage de signaux
et l’acquisition de données
Dans cette section, on discute brièvement des trois phases du traitement de l’information de la figure 5.1. La plupart des concepts sont fournis, ainsi vous devez vous
concentrer sur la compréhension des concepts ci-dessous.
(i) Le capteur
Les capteurs peuvent être catégorisés par la physique sous-jacente de leur fonctionnement, bien qu’un principe physique puisse être utilisé pour expliquer plusieurs
phénomènes différents. Par exemple, l’effet piézoélectrique peut mesurer la force,
la flexion, l’accélération la chaleur et les vibrations acoustiques. Par ailleurs, un
phénomène peut aussi être mesuré par plusieurs principes physiques. Par exemple,
les ondes sonores peuvent être expliquées par l’effet piézosémétrique, la capacité,
les effets du champ magnétique et les changements de résistance.
(ii) Formage de signaux
L’information d’un capteur doit être changée en une forme appropriée pour une entrée dans un système d’acquisition de données. Cela signifie de changer l’entrée des
capteurs en une tension (si ce n’est pas déjà fait), en modifiant la plage dynamique
des capteurs pour maximiser la précision du système d’acquisition de données, en
enlevant les signaux indésirés et en limitant le spectre du capteur. Dans certains cas,
le fonctionnement des signaux analogiques (linéaire et non linéaire) est nécessaire
au redressement de la charge de traitement du système d’acquisition de données et
de l’ordinateur.
(iii) Acquisition de données
Les signaux horaires analogique et continu mesurés par le capteur et modifiés par la
circuiterie de formage de signaux doivent être convertis en une forme que l’ordinateur
peut comprendre. C’est ce qu’on appelle ici une acquisition de données.
Activité 5.1.4 Capteurs
Dans cette activité, vous expliquerez le fonctionnement de certains capteurs :
1. Capteurs piézoélectriques, résistance de caption de force et microphones.
2. Les notes fournies doivent être complétées en tout temps.
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Capteurs piézoélectriques
L’effet piézoélectrique est un effet dans lequel l’énergie est convertie entre les formes
mécanique et électrique. Lorsqu’une pression est appliquée à un piézoélectrique, la
déformation électrique résultante entraîne une charge électrique. Par exemple, les
microphones piézoélectriques changent la pression acoustique en une tension. D’un
autre côté, lorsqu’une charge électrique est appliquée à un cristal polarisé, celui-ci
subit une déformation mécanique qui, à son tour, peut créer une pression acoustique.
(Lisez sur ce sujet).
Façon dont une tension est formée dans un cristal polarisé.
Figure 5.2 Structure interne d’un électret
Les solides qui ont une polarisation électrique permanente se nomment électrets,
figure 5.2. Une polarisation permanente semblable est également observée dans les
cristaux où, chaque cellule du cristal possède un dipôle électrique, orienté de façon
à ce que les dipôles soient alignés. Par contre, cela provoque un excès de charge de
surface qui attire les charges libres de l’atmosphère environnante rendant le cristal
neutre. Si une force suffisante est appliquée à un cristal piézoélectrique, la déformation qui se produit perturbe l’orientation des dipôles électriques et une situation où la
charge n’est pas complètement annulée se produit. Cela entraîne un excès temporaire
de charge de surface, qui se manifeste ensuite en une tension développée à travers
le cristal.
Figure 5.3 Un capteur basé sur l’effet piézoélectrique
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Si la charge de surface sur un cristal est connue, le principe physique est utilisé pour
construire un capteur qui mesure la force. Un capteur de force est fait à partir d’un
condensateur formé en intercalant un cristal piézoélectrique entre deux plaques de
métal, comme démontré dans la figure 5.3. Lorsqu’une force externe agit sur un
cristal, une charge, fonction de la force appliquée est crée à cause de la déformation
du cristal. Cette charge provoque une tension V, donnée dans l’équation 5.1
V=
Qf
C
(5.1)
Q f est la charge résultante à partir d’une force f et C est la capacité du dispositif.
Comme on l’a décrit ci-haut, les cristaux piézoélectriques agissent comme transducteurs qui changent la force ou la contrainte mécanique en charge électrique qui peut
être convertie en tension. Inversement, si on applique une tension aux plaques du
système de la figure 5.3, le champ magnétique résultant fait en sorte que les dipôles
électriques internes se réalignent, causant une déformation du matériel. Un exemple
de cela est que des transducteurs piézoélectriques sont utiles tant comme haut parleurs
(tension à mécanique) que comme microphones (mécanique à électrique).
Tâche 5.2 Lecture approfondie et prise de note
Utilisez la lecture obligatoire 5 et autres références pour écrire des commentaires
expliquant les principes et le fonctionnement de :
(a) Résistors de caption de force.
(b) Accéléromètre (Dispositifs analogiques ADXL50).
(c) Microphones.
Activité 5.1. Formage de signaux
Exigences des convertisseurs N-S
L’objectif premier de la circuiterie de formage de signaux analogiques est de modifier la sortie du capteur en une forme pouvant être convertie de façon optimale
en un train de données numériques à temps discret par le système d’acquisition de
données. Voici certaines exigences importantes de l’entrée de la plupart de systèmes
d’acquisition de données :
1. Le signal d’entrée doit être une tension en forme d’onde. Le processus de
conversion de la sortie du capteur en une tension peut également être utilisé
pour réduire les signaux indésirés, p.ex., le bruit.
2. La plage dynamique devrait être près ou à la plage dynamique du système d’acquisition de données (habituellement égale au niveau de référence de tension,
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Vref ou 2* Vref ). Il est important de maximiser la résolution du convertisseur
analogique numérique.
3. L’impédance de source Rs , du signal d’entrée devrait être assez basse afin que
des changements dans l’impédance d’entrée Rin , du système d’acquisition de
données n’affectent pas le signal d’entrée.
4. La largeur de bande du signal d’entrée doit être limitée à moins de la moitié
de la fraction de sondage de la conversion analogique numérique.
Brefs commentaires sur les exigences supplémentaires pour un formage de signaux
Il y a plusieurs autres utilités à la circuiterie de formage de signaux en dépendance
d’une application particulière. Certaines d’entre elles sont :
(i) Isolation du signal
Dans plusieurs applications, il est nécessaire d’isoler le capteur de l’alimentation électrique de l’ordinateur. Cela est fait de l’une des deux façons suivantes :
isolation magnétique ou isolation optique.
(ii) Prétraitement du signal
En règle générale, il est préférable d’effectuer un prétraitement du signal
du processeur avant l’acquisition de données afin de diminuer le temps de
traitement requis par l’ordinateur, diminuer la fréquence d’échantillonnage
nécessaire du système ou même pour effectuer des fonctions qui permettront
l’utilisation d’un système entier d’acquisition de données plus simple.
(iii) Suppression de signaux indésirés
Plusieurs sorties de capteurs peuvent avoir plusieurs différentes composantes.
Certains de ces signaux supplémentaires peuvent corrompre le besoin de la
sortie du capteur à être supprimé avant que le signal soit numérisé. Le « bruit »
qui résulte des signaux indésirés peut également être supprimé en utilisant une
circuiterie analogique. Par exemple, 60 Hz d’interférence peuvent déformer
la sortie de capteurs à faible sortie. La circuiterie de formage de signaux peut
supprimer l’interférence avant d’être amplifiée et numérisée.
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Tension à tension
(i) Motif
Plusieurs capteurs produisent une tension en forme d’onde. Donc, aucune circuiterie
de formage de signaux n’est nécessaire pour effectuer la conversion en une tension.
Par contre, la modification de portée dynamique, la transformation d’impédance et la
diminution de la largeur de la bande peuvent toutes être nécessaires dans le système
de formage de signaux en dépendance de l’amplitude et de la largeur de bande du
signal et de l’impédance du capteur. À partir de ce stade, il est important de revoir
l’analyse des circuits idéaux ampli-op, discutés dans l’activité 3 (non inverseur,
amplificateur de sommation, etc.).
(ii) Circuits : Amplificateurs
Inverseur
Le circuit le plus commun utilisé dans le formage de signaux est le circuit amplificateur inverseur, tel que démontré dans la figure 5.4. Le gain en tension de cet
amplificateur est
-
Ff
RI
. Le niveau des sorties du capteur peut concorder au niveau nécessaire pour
le système d’acquisition de données. L’impédance d’entrée est d’environ RI et
l’impédance de sortie est près de zéro. Le circuit fournit donc une transformation
d’impédance entre le capteur et le système d’acquisition de données.
Figure 5.4. Amplificateur inverseur
L’excursion de tension de la sortie de l’amplificateur est limitée par l’alimentation
électrique de l’amplificateur, comme démontré dans la figure 5.5. Dans cet exemple,
l’alimentation électrique est +/- 13V. Lorsque la sortie de l’amplificateur dépasse ce
niveau, elle est « écrêtée ».
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Figure 5.5. Écrêtage de la sortie de l’amplificateur
La largeur de bande est limitée de la même façon que la plage dynamique de l’amplificateur. Le gain de largeur de bande d’un ampli-op est fixé. Lorsque le produit
gain bande passante 3MHz est connecté pour avoir un gain de 100, alors la largeur
de bande de l’amplificateur sera limitée à 30kHz (100 � 30kHz = 3MHz ) . Tous les
ampli-op amorcent le bruit au signal et cela constitue une limite majeure du circuit
amplificateur. Les résistances amorcent elles aussi le bruit dans le circuit. L’équation
pour ce bruit thermique est :
2
Vnoise
= 4kTBR (5.2 )
où k est la constante de Boltzmann, T est la température, B est la largeur de bande
du dispositif de mesure et R est la valeur de la résistance.
Une autre limite de l’ampli-op est la tension de décalage. Tous les ampli-op possèdent
une petite quantité de tension présente entre les terminaux inverseur et non-inverseur.
Ce potentiel en courant continu est alors augmenté comme s’il faisait partie du signal
du capteur.
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(iii) Amplificateur de mesure
L’amplificateur de mesure est certainement la configuration de circuit la plus importante pour augmenter la sortie du capteur. Un amplificateur de mesure devrait
posséder :
1. Un gain précis, exact et stable, habituellement entre 1 et 1 000.
2. Une impédance d’entrée très élevée
3. Une impédance de sortie très basse
4. Un RRMC très élevé
Prenez note que le RRMC (rapport de rejection en mode commun) est défini comme
suit :
CMMR =
Où :
Avd =
Avc =
Avd
Avc V out
V -V +
V out
V + +V 2
(5.3)
= Gain mode différentiel
(5.4 )
= Gain mode commun
(5.5)
L’amplificateur différentiel décrit ici ne satisfait pas la deuxième exigence de
l’impédance de sortie élevée. Ce problème est résolu en plaçant un amplificateur
non-inverseur à chacune des entrées de celui-ci, comme démontré à la figure 5.6.
Souvenez-vous qu’un amplificateur non-inverseur possède une impédance de sortie
presque infinie. Dans la figure 5.6, les deux résistances sont branchées ensemble pour
créer une résistance commune RG à la place de mettre les résistances à la terre. Le
gain différentiel total du circuit est donné par l’équation 5.6 :
⎛
R ⎞⎛ R ⎞
Avd = ⎜ 1 + 2 3 ⎟ ⎜ 2 ⎟
RG ⎠ ⎝ R1 ⎠
⎝
(5.6 )
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Figure 5.6 Amplificateur de mesure
Exemple : Calcul numérique
Déterminez le gain total de l’amplificateur de la figure 5.6 si
2.3kΩ;
R2 = 47kΩ;
R3 = 4.5kΩ;and
RG = 2.0kΩ
Solution
⎛
R ⎞⎛ R ⎞
Avd = ⎜ 1 + 2 3 ⎟ ⎜ 2 ⎟
RG ⎠ ⎝ R1 ⎠
⎝
≅ 112.4 vi
()
Filtres actifs passe-bas et passe-haut
La largeur de bande du signal entrant peut être limitée en modifiant l’amplificateur
non-inverseur, comme démontré dans la figure 5.7. Cela dit, la résistance de réaction
est remplacée par une combinaison résistance/condensateur. Le gain du circuit est
donc maintenant donné par l’équation 5.7.
Av = H 0
Où:
1
⎛ f ⎞
1+ j ⎜ ⎟
⎝ f0 ⎠
H0 = -
R2
et
R1
f0 =
1
2π R2C
(5.7 )
(5.8)
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Figure 5.7 Filtre passe-bas unipolaire
Activité 5.2
Courant à tension
Dans cette section, vous apprendrez la façon dont le courant de sortie peut être
converti en tension.
Activité 5.2.1 Motif
Certains capteurs produisent un courant plutôt qu’une tension. Le plus commun de
ces types de capteurs est la photodiode qui a une sortie de courant proportionnelle à la
quantité de lumière brillant dessus. Dans ce cas, la circuiterie du formage de signaux
est requise pour convertir la sortie de courant du capteur en tension.
Activité 5.2.2
Circuits
Une configuration d’amplificateur inverseur est utilisée à la place d’un amplificateur
non-inverseur dans la conversion de courant en intensité, puisqu’un amplificateur
non-inverseur attire très peu de courant. La figure 5.8 montre un amplificateur de
courant connecté à une photodiode. À mesure que la lumière augmente, la sortie de
courant de la photodiode augmente, donc l’augmentation
Vout Proportionnellement :
Vout = I s R
(5.9 )
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Figure 5.8 Photocellule branchée à un amplificateur de courant
Activité 5.3 Résistance à tension
Activité 5.3.1 Motif
Plusieurs capteurs produisent des changements dans la résistance électrique en réponse
à la quantité qu’ils mesurent. Par exemple, dans les résistances de caption de force,
leurs résistances diminuent lorsqu’une force est appliquée, dans les thermistances, la
résistance change en fonction de la température et dans les microphones à charbon,
leur résistance change en réponse à la pression acoutisque changeante. Ce qui doit
être fait par la suite est la conversion de la résistance du dispositif en une tension
utilisable qui peut être lue par les convertisseurs analogiques numériques. Certains
circuits qui performent ces mesures sont décrits comme suit :
Activit 5.3.2 Circuits
Il y a deux façons de convertir la résistance d’un capteur en une tension. La première
façon et la plus simple est d’appliquer une tension à un réseautage de séparateur de
résistance composé d’une résistance étalon RF , et du capteur RM , comme démontré
dans la figure 5.9.
Figure 5.9 Résistance à tension
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La tension qui apparaît à travers le capteur (ou la résistance étalon) est alors isolée
avant d’être envoyée à la CAN. La tension de sorite est donnée par l’équation 5.10
Vout =
Rm
=
Rm + R f
1
R
1+ f
Rm
(5.10 )
Dans ce cas, l’amplificateur amplifie la tension entière mesurée à travers le capteur et
pourtant, il est beaucoup mieux d’amplifier seulement le changement dans la tension
dû au changement dans la résistance du capteur. Cela est atteint en utilisant un pont,
comme démontré dans la figure 5.10.
Figure 5.10. Un pont de résistance connecté à un amplificateur de mesure
Si R1 est fixé égal à R, alors la sortie approximative de ce circuit est donnée par
l’équation 5.11.
V out =
A
V δ
4 ref
(5.11)
Où A est le gain de l’amplificateur de mesure et δ est le changement dans la résistance du capteur correspondant à une certaine action physique. Ici, seulement δ est
amplifié.
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Activité 5.4 Capacité à tension
Activité 5.4.1 Motif
La propriété électrique de la capacité est un principe physique derrière plusieurs
capteurs puisque c’est une propriété qui varie directement de façon proportionnelle
à la distance entre les plaques de métal. Les condensateurs peuvent être utilisés
comme capteurs qui détectent la présence d’un objet entre leurs plaques puisqu’ils
sont sensibles au matériau qui réside entre leurs plaques de métal. Donc, le principe
peut être utilisé comme détecteur qui détermine lorsque quelque chose entre dans un
espace. Dans le cas du capteur piézoélectrique, on utilise le fait que la tension d’un
condensateur chargé variera de façon inversement proportionnelle à sa capacité. La
tension de sortie est amplifiée à un niveau utilisable par un circuit ampli-op.
Activité 5.4.2 Circuits
Cette activité décrit brièvement la façon dont la capacité peut être mesurée. On
doit prendre note que la capacité peut être mesurée des mêmes façons que la résistance, p.ex., en utilisant un diviseur de tension ou un circuit en pont, voir figure 5.
9 et figure 5.10. Au lieu d’utiliser des résistances, on utilise des condensateurs. Par
contre, une différence critique est que Vref doit être un signal sinusoïdal puisque le
condensateur bloque le CC.
Activité 5.5 Acquisition de données
Dans cette section, vous apprendrez sur les fonctions des différentes sections de l’acquisition de données. La figure 5.11 montre les étapes dans lesquelles l’acquisition de
données peut être divisée. Chaque étape du processus de l’acquisition de données :
antirepliement; échantillonnage et mémorisation; et quantification sont décrits.
Figure 5.11 Acquisition de données
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Activité 5.5.1 Antirepliement
L’exigence essentielle dans tous les signaux doit être la bande limitée à moins de la
moitié de la fréquence d’échantillonnage du système d’échantillonnage. Pour des
signaux de spectres larges, un filtre passe-bas analogique doit être placé avant le
système d’acquisition de données. L’atténuation minimum du filtre à la fréquence
antirepliement devrait être d’au moins :
Amin = 20 log
(
3∗ 2 B
)
(5.12 )
Où B est le nombre de CAN. Cette formule est dérivée du fait qu’il y a un niveau de
bruit minimum inhérent au processus d’échantillonnage et qu’il n’est pas nécessaire
d’atténuer le détecteur de signal plus qu’en dessous de ce niveau de bruit.
Tâche 5.3. Lecture approfondie et prise de note
(a) Utilisez la lecture obligatoire 5 et d’autres références pour écrire de brefs commentaires sur
- Les problèmes avec le filtre antirepliement :
- La façon dont les problèmes peuvent être résolus.
Activité 5.5.2
Échantillonage et mémorisation
Dans cette section, vous apprendrez que :
Le but de la circuiterie échantillonnage et mémorisation est de prendre un instantané
du détecteur de signal et de mémoriser la valeur. Cela se produit une fois à chaque période d’échantillonnage lorsque le commutateur se branche au condensateur au circuit
de formage de signaux. Pendant cette période, le condensateur mémorise la valeur
de la tension mesurée jusqu’à ce qu’on nouvel échantillon soit acquis. Au milieu de
tout cela, la CAN doit avoir un signal stable afin d’effectuer une conversion de façon
précise. La figure 5.13 est un circuit équivalent pour un circuit d’échantillonnage et
de mémorisation. Plusieurs fois, la circuiterie d’échantillonnage et de mémorisation
est incorporée dans le même bloc de circuits incorporé.
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C
Figure 5.13 Circuit équivalent pour un échantillonnage et mémorisation
Par contre, le circuit d’échantillonnage et de mémorisation a quelques problèmes
attribués à : temps de transition précis ; signal de branchement d’interface ; et signal
de statisme.
Activité 5.5 Conversion analogique à numérique
Dans cette section, vous apprendrez que :
(i) Le but de l’analogique au numérique est de quantifier le signal d’entrée à
partir de l’échantillon et de garder le circuit aux niveaux discrets 2B où B est
le nombre de bits du convertisseur analogique à numérique.
(ii) La tension d’entrée peut varier de 0 à Vref (ou -V ref to + +V ref pour une CAN
bipolaire). Cela signifie que la référence de tension de la CAN est utilisée
pour fixer la portée de conversion de la CAN.
(iii)Pour une CAN monopolaire, une entrée 0 V provoquera le convertisseur à
sortir tous les zéros.
(iv)Si l’entrée à la CAN est égale ou plus grande que Vref , alors le convertisseur sortira tous les uns.
(v) Pour les entrées entre deux niveaux de tension, la CAN sortira les nombres
binaires correspondant au niveau de signal.
(vi)Pour une CAN bipolaire, l’entrée minimum est -V ref et non 0 V.
1. Problèmes avec la CAN
La CAN a des problèmes causés par son dans le signal de sortie quantifié puisqu’elle
sort seulement des niveaux 2B. Le rapport entre le signal et son bruit de quantification
est appelé RSBQ. Le RSBQ décibels (dB) est environ égal à six fois le nombre de
bits de la CAN donnée dans l’équation 5.13.
(
)
20 log SQNR = 6 ∗ Bits (5.13)
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Pour une CAN de 8 bits, le RSBQ est approximativement égal à 48 dB. Par contre,
d’autres sources de bruit qui corrompent la sortie de la CAN incluent le bruit du
capteur, de la circuiterie du formage de signaux et de la circuiterie numérique environnante.
2. Façon de réduire le bruit
Les effets du bruit peuvent être réduits en maximisant le niveau du signal d’entrée.
Cela est fait en augmentant le gain de la circuiterie du formage de signaux jusqu’à
la sortie maximum du capteur soit égale à Vref de la CAN. Il est également possible
de réduire Vref jusqu’au niveau maximum du capteur. Le problème est que le bruit
corrompra les petits signaux. Une bonne règle de jugement est de garder Vref au moins
aussi large que le signal de conversion numérique maximum, qui est habituellement
de 5V.
Activité 5.6 Intégration d’un système
Figure 5.14 Schéma d’ensemble des instruments nationaux d’une carte d’acquisition
de données
Université Virtuelle Africaine 136
Activité 5.6.1 Système d’acquisition de données
La figure 5.14 représente un schéma ensemble matériel des instruments nationaux
d’une carte d’acquisition de données pouvant être utilisé dans la partie laboratoire
en classe. Il possède 16 voies analogiques qui peuvent être configurées en 16 sorties
individuelles closes ou en 8 sorties différentielles. Cela est fait par un multiplexeur
ou un circuit commutateur et son logiciel configurable.
La sortie du multiplexeur s’alimente dans un amplificateur qui a un gain programmable à travers le logiciel. Le circuit permet au programmeur de sélectionner un
amplificateur approprié au signal qui sera mesuré. Le tableau utilisé en classe est
capable d’implanter des gains de 0.5 à 100. Comme exemple de la façon dont le gain
programmable sera utilisé, supposons un signal d’entrée bipolaire (positif et négatif). Le convertisseur analogique à numérique a une plage de tension d’alimentation
de ±5V, d’où un gain de 0.5 permettrait au tableau de manipuler des tensions entre
±10V (5/0.5). De la même façon, un gain de 100 résulterait en une plage maximum
de ±50mV (5/100) à la sortie du tableau.
En plus des convertisseurs analogiques à numériques, il y a deux convertisseurs
numériques à analogiques qui permettent de générer des signaux analogiques. Huit
lignes d’objectif général E-S sont aussi fournies, ce qui permet au tableau de maîtriser la circuiterie numérique externe ou de surveiller l’état des dispositifs externes,
notamment les commutateurs ou les touches.
Auto-évaluation 5
1. (a) Que signifie le suiveur ?
(i) Temps de transition précis
(ii) Signal de connexion d’interface
(iii)Signal de statisme
(b)Décrivez la façon dont les problèmes dans (a) peuvent être résolus
2. Expliquez la signification de l’isolation magnétique et l’isolation optique
3. Expliquez la théorie de base de l’isolation optique
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Activité 6 : Interconnection ordinateurs-dispositif
Vous aurez besoin de 15 heures pour terminer cette activité. Seulement des directives
de base vous seront fournies pour vous aider à faire cette activité.
Objectifs spécifiques d’apprentissage et d’enseignement
Dans cette activité, vous devrez : expliquer les niveaux des systèmes de composantes
d’un microprocesseur.
Résumé de l’activité d’apprentissage
Cette activité commence en donnant premièrement les définitions des termes essentiels. Ensuite, on aborde les types de classification des ordinateurs, notamment
les ordinateurs analogiques, numériques et hybrides. Dans chaque cas, trois unités
principales pour un ordinateur : unités d’entrée, unités de sortie et unités centrales
de traitement sont discutées. Dans le cas de l’unité centrale (UC), la signification de
termes comme 16 bits 64 K mémoire sont clairement expliqués.
Matériel de lecture
Lecture 7 : Computers WIKIBOOKS
Référence : http://en.wikipedia.org/wiki/Computer. 4 octobre 2007
Résumé : La référence fournit des lectures sur l’architecture des programmes
enregistrés et la façon dont l’ordinateur fonctionne. Cela inclut l’unité de
commande, l’unité arithmétique et logique (UAL), mémoire, entrée/sortie
(E/S), multitâche, multitraitement et traitement en réseau et Internet.
Justification : Fournit aux débutants une lecture de base simple sur l’ordinateur.
Ressources MULTIMÉDIAS
Référence : http://www.eastaughs.fsnet.co.uk/cpu/index.htm. 7 octobre 2007
Justification : Les sujets couverts incluent le tutoriel informatisé, le tutoriel
du microprocesseur qui traite de la structure Cpp et les instructions du fonctionnement.
Justification : Fournit une illustration et des explications concises au sujet
de l’informatique.
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Liens utiles
Titre : Computers
Adresse URL : http://en.wikipedia.org/wiki/Computer 4 octobre 2007.
Résumé : Cette ressource fournit des lectures sur des programmes enregistrés
dans l’architecture et la façon dont l’ordinateur fonctionne. Cela incut l’unité
de commande, l’unité arithmétique logique (UAL), mémoire, entrée/sortie
(E/S), fonctionnement multitâche, multitraitement et traitement en réseau et
Internet.
Titre : Microprocessor.
Adresse URL : http://en.wikipedia.org/wiki/Microprocessor. 5 octobre 2007
Résumé : Fournit du matériel de lecture de base sur : les constructions notables
de 8 bits, constructions de 16 bits, constructions de 32 bits et constructions
de 64 bits dans les ordinateurs personnels.
Titre : 32-bit in computer architecture
Adresse URL : http://en.wikipedia.org/wiki/32-bit
Résumé : Donne la signification d’un processeur de 32 bits
Titre : 8-bit in computer architecture
Adresse URL : http://en.wikipedia.org/wiki/8-bit
Résumé : Inclut une liste d’UC de 8 bits
Activité 6.1 Ordinateur
Dans cette activité, nous commençons par donner la définition d’un ordinateur
numérique avant d’expliquer les niveaux de systèmes de composantes du microprocesseur.
Activité 6.1.1 Définition
Un ordinateur numérique est un éventail complexe d’éléments logiques, d’enregistrements et de circuiterie associée organisés pour exécuter des calculs logiques en
manipulant des formes d’ondes représentant des nombres et des mots numériques.
Les circuits d’ordinateurs numériques sont construits pour effectuer des calculs
logiques de toutes sortes. Donc, la machine fournit des instructions détaillées se rapportant à chaque étape spécifique du calcul désiré, ainsi qu’aux nombres numériques
impliqués. La série complète d’instructions se nomme le programme et est enregistrée
à l’intérieur de l’ordinateur. Puisque le programme et les données se changent facilement pour différents problèmes, le programme enregistré de l’ordinateur numérique
est un instrument très flexible et puissant de traitement.
Université Virtuelle Africaine 139
Activité 6.1.2
Types d’ordinateurs
Dans cette activité, vous apprendrez que les ordinateurs peuvent être divisés selon
leur grandeur et leurs mémoires. Cela inclut :
Les micro-ordinateurs : Un micro-ordinateur ou ordinateur personnel est le plus petit
système d’ordinateur à usage général. Il peut exécuter un programme pour performer
une variété d’instructions. De tels ordinateurs ont habituellement un microprocesseur
de 8, 16 ou 32 bits. Un microprocesseur de 8 bits signifie qu’il peut exécuter 8 bits
ou 1 octet de données dans un simple temps donné.
Les mini-ordinateurs : Un système mini-ordinateur est un petit ordinateur à usage
général. Les mini-ordinateurs sont multiusages, contrairement aux micro-ordinateurs.
Ils sont très utiles dans les réseaux de traitement de données distribuées. La plupart
des mini-ordinateurs d’aujourd’hui ont un microprocesseur de 32 bits.
Les ordinateurs centraux : Un système ordinateur central est un ordinateur rapide
pouvant traiter les données plus rapidement et plusieurs microprocesseurs sont utilisés
à la place du seul microprocesseur utilisé dans les micro-ordinateurs et mini-ordinateurs. Il peut opérer automatiquement 2 à 8 octets dans la même unité de temps.
Les superordinateurs : Les superordinateurs sont les ordinateurs les plus puissants et
les plus coûteux. Le temps requis pour effectuer une opération peut même être exprimé
en nanosecondes. De tels ordinateurs sont très utiles en recherche et en défense.
Activité 6.1.3
Classification des ordinateurs
Dans cette section, vous apprendrez que les ordinateurs peuvent également être classés
selon les données qu’ils traitent. La classification inclut : les ordinateurs analogiques,
numériques et hybrides.
a) Ordinateurs analogiques
(i) manipulent les données qui sont représentées par les quantités physiques de
grandeur à réglage continu, notamment le courant de tension, la température,
la longueur, etc.
(ii) soulèvent l’analogie mathématique du problème.
Cependant, un ordinateur analogique est moins précis (1 partie dans 144 ) et à une
mémoire limitée.
b) Ordinateurs numériques
Ils manipulent les nombres actuels exprimés en chiffres et les qualités dans
le problème sont représentées par des numéros uniques. La circuiterie d’impulsion est utilisée dans de tels ordinateurs. Ils divisent le problème en étapes
arithmétiques logiques. Ils possèdent une très grande mémoire et sont très
précis (1 partie dans 1012 ou plus).
Université Virtuelle Africaine 140
c) Ordinateurs hybrides
Les ordinateurs hybrides sont ceux dans lesquels les caractéristiques désirables
des ordinateurs analogiques et numériques sont intégrées.
Activité 6.1.4.
Composantes essentielles du système informatique
Dans cette activité, vous apprendrez les fonctions principales d’un ordinateur. Un
ordinateur peut être divisé en trois unités principales :
-
Unités d’entrée, unités de sortie et unité centrale.
La figure 6.1représente le diagramme gobal d’un système informatique.
CPU
Contro l Un it
Input
Arithmetic
&
Logi c Un it
Output
Main m emory
Figure 6.1 Diagramme d’ensemble d’un système informatique
Université Virtuelle Africaine 141
(i)
Unités d’entrée
Les instructions et données nécessaires sont alimentées à l’ordinateur à travers l’unité
d’entrée de celui-ci. Les unités d’entrée peuvent être séparées en deux types :
- Les unités d’entrée directes et les unités d’entrée indirectes
Les unités d’entrée directes sont :
Le clavier, la voie d’introduction des données, le lecteur code à barres, l’écran tactile
(unité de visualisation), le pointeur optique, la table d’entrée, la souris, le lecteur
de voix, le lecteur de caractères à encre magnétique et le lecteur de caractères optiques.
Les entrées indirectes sont :
Le lecteur de cartes, le lecteur de disquettes, les disques compacts, les clés USB et
la bande magnétique.
Lecteur
(ii)
Unités de sortie
Ces unités prennent la sortie générée par l’ordinateur dans le code machine et la
convertissent en une forme compréhensible pour l’être humain ou l’emmagasinent
de façon pratique. Les unités de sortie peuvent être divisées en trois catégories :
sortie-écran, sortie imprimée ou sortie emmagasinée. La plupart des ordinateurs
possèdent des unités-écrans. Les unités-écrans sont les tubes cathodiques (CRT).
L’écran plasma est venu sous les projecteurs avec l’arrivée des ordinateurs portables.
L’unité imprimée génère la sortie dans la forme imprimée sur papier. Les imprimantes
peuvent être largement divisées en quatre types :
- Imprimantes par points, imprimantes qualité courrier, imprimantes par ligne,
imprimantes laser.
Les différentes formes de sorties emmagasinées, aussi connues sous le nom d’emmagasinage secondaire, sont les suivantes :
- Papier perforé, bande magnétique, disque magnétique, rangement zone disque
en mémoire, rangement de bulles magnétiques, disque optique.
(iii) Unité centrale (UC).
L’UC est le cœur de l’ordinateur et consiste en trois composantes :
- Mémoire ou mémoire principale, unité arithmétique et logique et unité de
commande
Université Virtuelle Africaine 142
Toutes les composantes sont des circuits électroniques. L’espace de mémoire ou de
mémoire principale peut être divisé en quatre sections :
- Zone mémoire d’entrée où les données sont gardées jusqu'à ce qu’elles soient
traitées.
- Zone mémoire programme où les instructions de traitement sont gardées.
- Zone mémoire de travail (bloc-notes) où les données intermédiaires sont
gardées pendant le traitement.
- Zone mémoire de sortie où les résultats finaux sont gardés.
La zone mémoire principale est de deux types :
- Mémoire à tores magnétiques
- Mémoire à semi-conducteurs
Le premier type est non rémanent, p.ex., il n’arrête pas de stocker les données lorsque
l’alimentation est éteinte. Il est maintenant presque super cédé par le second type.
Les mémoires à semiconducteurs sont plus rapides d’accès, plus compactes et moins
coûteuses. Les types communs sont :
-
-
-
-
Mémoire vive (MEV),
Mémoire morte (ROM),
ROM programmable (ROMP),
Mémoire morte reprogrammable (EPROM).
La mémoire est mesurée en mots, localisation ou adresses.
Par exemple, le nombre d’octets dans une mémoire de 16 bits 64 K est donné comme
suit :
Mémoire de 16 bits 64 K = 64 * 1024 localisations
= 64 * 1024 * 16 = 1048576 bits
= 131072 octets,
Où 1 octet = 8 bits de localisations de mémoire et K = 1024 localisations.
Activité 6.2. Microprocesseur
Dans cette activité, on apprend sur le microprocesseur et ensuite, on explique son
système de niveau de composantes. Un microprocesseur est un ordinateur processeur
sur une micro-puce. Il est parfois appelé puce logique. Il est le « moteur » qui va en
mouvement lorsque vous allumez votre ordinateur. Un microprocesseur est conçu pour
exécuter des opérations arithmétiques et logiques qui font usage de petits espaces de
maintien de nombre appelés registres. Les opérations typiques d’un microprocesseur
incluent l’addition, la soustraction, la comparaison de deux nombres et le report de
nombres d’un espace à un autre.Ces opérations sont le résultat d’une série d’instructions qui fait partie de la construction d’un microprocesseur. Lorsque l’ordinateur est
Université Virtuelle Africaine 143
allumé, le microprocesseur est conçu pour recevoir la première instruction à partir du
système d’entrée-sortie de base (BIOS) qui vient avec l’ordinateur comme partie de
sa mémoire. Après, le BIOS ou le système d’exploitation chargé par le BIOS dans la
mémoire de l’ordinateur, ou un programme d’application « lit » le microprocesseur,
lui donnant des instructions à exécuter.
En résumé, le microprocesseur est l’intégration d’un nombre de fonctions utiles dans
un seul CI. Ces fonctions sont :
a. L’habileté à exécuter une série d’instructions stockées pour poursuivre les
tâches définies de l’utilisateur.
b. L’habileté à accéder aux puces mémoires externes pour lire et écrire les données à partir de et à la mémoire.
Activité 6.2.1 Architecture d’ordinateur
Vous apprendrez que :
a. Les parties principales d’un ordinateur peuvent être interconnectées de différentes façons pour insister sur différentes caractéristiques de fonctionnement.
b. La structure interne de chaque partie peut être configurée pour exécuter
certaines tâches de façon très efficace. Ces aspects de la construction d’un
ordinateur numérique se nomment l’architecture d’ordinateur.
Activité 6.2 Architecture des microprocesseurs
Cette activité traite de l’apprentissage de l’architecture des microprocesseurs qui
inclut : l’organisation de la mémoire, l’unité centrale et entrée/sortie.
Activité 6.2.1 Organisation de la mémoire
Ici, vous apprendrez que la mémoire morte (ROM) et la mémoire vive (MEV) utilisées dans les systèmes microprocesseurs, sont basées, entre autres, sur les transistors
bipolaires portes à circuit intégré (porte NON-ET en DTL, porte NON-ET en TTL,
porte NON-OU en ECL, porte OU en I2L); et les circuits intégrés portes à transistor
MOS (porte NON-OU en MOS à canal N, porte NON-ET en CMOS).
• Écrivez de brefs commentaires pour expliquer ce qui suit
a. Mémoire vive (MEV)
b. Mémoire morte (ROM)
Université Virtuelle Africaine 144
Points d’apprentissage
Vous devrez apprendre, parmi d’autres points, que :
i. Une mesure de la puissance du système microprocesseur est la capacité de
mémoire qui détermine la longueur du programme ainsi que la quantité de
données pouvant être manipulée.
ii. Normalement, la plus petite unité d’information accessible à l’extérieur de la
mémoire est un mot et la longueur de mot la plus utilisée en microprocesseur
est un mot de 8 bits, appelés octet.
iii. Les mots mémoire peuvent être interprétés par l’UC de trois façons fondamentales différentes : binaire pur de données numériques; instructions et code
de données.
iv. Les données binaires sont les données numériques associées avec le programme. Par exemple, un octet de mémoire peut représenter n’importe quel
numéro à partir de 0000 0000, cela est, 0 à 1111 1111, ou 255.
Activité 6.2.2 Unité centrale (UC)
Dans cette activité, vous apprendrez que :
i. Chaque UC à au moins un registre dans lequel les mots de données pris dans
la mémoire peuvent être stockés.
ii. Le registre de travail principal de l’UC se nomme accumulateur.
iii. L’accumulateur stocke le mot de données que l’UC fera fonctionner.
• Utilisez les références disponibles et écrivez de brefs commentaires pour
expliquer le fonctionnement de trois autres registres opérationnels :
Registre d’instruction; registre de programme et compteur de données.
Activité 6.2.3 Entrée/Sortie
Cette activité jette un bref coup d’œil sur ce qui se produit dans l’entrée et la sortie
du microprocesseur.
Les points d’apprentissage principaux sont :
(i). Dans un système microprocesseur complet, l’UC échange des données et
des mots d’adressage avec les puces mémoires et entrée/sortie ou dispositifs
E/S.
(ii).Une façon directe d’accomplir cela est avec un bus de données et un bus
d’adresse, qui sont des parcours du signal communs interconnectant tous
les dispositifs. (Le terme bus est dérivé du latin omnibus, qui signifie « pour
tout »).
Université Virtuelle Africaine 145
(iii). L’UC peut placer un mot d’adressage sur le bus d’adresse lequel est décodé
par chacune des autres puces et qui résulte en une réponse appropriée. Cette
réponse qui peut être de faire placer le mot mémoire sur le bus de données par
une puce mémoire, est déclenchée par un signal d’autorisation sur une ligne
de commande, telle que la ligne de commande de lecture/écriture.
(iv).
Une longueur de mot d’adressage commune dans un microprocesseur
classique de 8 bits est composée de 16 bits, c’est-à-dire deux octets.
(v).Une convention populaire est d’assigner les dix chiffres les plus bas au mot
d’adressage et les six chiffres binaires les plus significatifs restants à la sélection de puces, tel que démontré ci-dessous : 16 bits adresse mémoire
1104024
0 131 01442443
01100011
6 bits
Sélection de puces
10 bits
sélection d’un mot
En utilisant cette convention, 26 ou 64, différentes puces mémoires (et (ou) dispositifs
E/S) peuvent être sélectionnées et jusqu’à 210 , ou 1024, mots individuels de chaque
puce peuvent être adressés. Le plus souvent, les dispositifs E/S communiquent avec
les microprocesseurs à travers l’interface E/S puces tampons qui sont adressées par
l’UC de façon très semblable aux puces mémoires.
•
Écrivez de brefs commentaires pour expliquer ce qe signifie le suiveur dans
l’entrée et la sortie.
i. Priorités interrompues
ii. Accès direct en mémoire (DMA)
Activité 6.3 Codeur et décodeur
Dans cette activité, vous apprendrez que dans un ordinateur :
(i). Le processus de codage transforme les signaux voulus en mots binaires pouvant être stockés dans la mémoire pour l’utilisation lorsque nécessaire.
(ii).La longueur de mot (nombre de bits) est beaucoup moins que le nombre de
lignes.
(iii). Le circuit d’un codeur possède également plusieurs lignes, mais la sortie est
une forme codée qui identifie chacune des entrées. Par exemple, sept signaux
d’entrée sont codés pour produire des mots binaires de trois bits.
• En général, un total de 2n-1 lignes peut être représentée par des mots binaires
de n bits.
Université Virtuelle Africaine 146
Exemple : Trouvez le nombre de lignes qui peuvent être codées à :
1. un mot de huit bits
2. un mot de 16 bits
Solution
Nombre total de lignes = 2 n - 1
Pour un mot de 8 bits, le nombre total de lignes = 28 - 1 = 255
Pour un mot de 16 bits, le nombre total de lignes = 216 - 1 = 65535
Les longueurs de mots de 8, 16, 32 et 64 bits sont utilisées fréquemment dans les
systèmes informatiques. Les mots sont souvent divisés en segments de huit bits que
l’on appelle les octets.
Exemple : Pour déterminer le nombre minimum de bits requis
Un clavier sur lequel il y a 26 bas de casse et 26 lettres majuscules, 10 chiffres et
(
)
22 caractères spéciaux a besoin d’un nombre total de 84 = 26 + 26 + 10 + 22 codes
si on doit transmettre un code binaire avec chacun des segments du clavier.
Puisque le nombre total de lignes = 2 n - 1
Le nombre de bits, n, est déterminé comme suit :
Si n =6 alors, 26 = 64 . Cela est moins que le total requis de 84 codes
Si n = 7 alors, 27 = 128 . Cela est plus grand que 84. Donc, un minimum de sept
bits sera requis.
Activité 6.3.1 Illustration d’un codeur
Un diagramme d’ensemble pour un tel codeur est démontré dans la figure 6.2. Si la
clé est touchée, un commutateur K n , est proche, alors une alimentation 1V (correspondant à l’état 1) est branchée à la ligne.
Université Virtuelle Africaine 147
K0
oo
K1
o
A
o
B
oo
oo
o
C
o
D
o
E
o
F
o
G
K 83
oo
Enco der
1V
Figure 6.2 Diagramme d’ensemble pour un codeur à clavier
Activité 6.4. Microprocesseurs pratiques
Dans cette activité, les différents microprocesseurs pratiques : systèmes de 8 Bits,
UC de 16 et 32 Bits sont discutés et appris.
Activité 6.4.1 Systèmes de 8 Bits
Dans cette activité, vous apprendrez que :
(i). Des processeurs de 8 bits possèdent des séries d’instructions (78 instructions),
une architecture de puce et un cycle d’instructions 2- μ s.
(ii).Les instructions et les mots de données ont 8 bits de longueur.
(iii). La longueur de mot d’adresse et cependant de 16 bits, laquelle adresse 216
ou 65,536 localisations.
(iv). Des données de 8 bits et des bus d’adressage de 16 bits séparés communiquent avec la puce périphérique et une région de MEV est réservée pour agir
en tant que mémoire en pile qui permet l’inclusion pratiquement illimitée de
sous-programmes.
(v).Donc, dans l’architecture d’ordinateur, des entiers relatifs de 8 bits, des
adresses de mémoire ou autres unités de données sont 8 bits au plus (un octet)
de largeur. De plus, les architectures d’une UC et d’une UAL de 8 bits sont
celles basées sur les registres, les bus d’adresse ou sur les bus de données de
cette grandeur.
(vi). Le premier processeur de 8 bits grandement utilisé fut l’Intel 8080. Il était
utilisé dans plusieurs ordinateurs amateurs à la fin des années 1970 et au
début des années 1980, faisant souvent fonctionner le CP/M du système
d’exploitation.
Université Virtuelle Africaine 148
• Écrivez un bref commentaire sur la signification de cycle d’instruction
Activité 6.4.1 16-Systèmes Bit
Ici, les points d’apprentissage importants sont :
(i).
(ii).
(iii).
(iv).
(v).
(vi).
Dans les circuits microprocesseurs, la précision augmente avec l’utilisation
de mots de données plus longs. Pour cela, on utilise les microprocesseurs
de 16 et 32 bits.
Il est préférable d’utiliser des mots d’adressage plus longs afin d’avoir accès
à des mémoires plus larges et à des fréquences d’horloge plus rapides pour
réduire le temps d’exécution.
Les puces modernes de 16 et 32 bits atteignent ces buts en utilisant des
longueurs plus grandes et en employant une architecture avancée.
Un certain nombre de paramètres spécifient la performance des microprocesseurs et déterminent leur pertinence pour toute application donnée.
Ainsi, dans l’architecture d’ordinateur, les entiers relatifs de 16 bits, les
adresses mémoires ou autres unités de données sont ceux qui sont à 16 bits
(deux octets) de largeur au maximum. De plus, les architectures d’une UC
et d’une UAL de 16 bits sont celles qui sont basées sur les registres, les
bus d’adresse ou les bus de données de cette grandeur.
La capacité de mémoire est indiquée par une puissance communément utilisée de 2 conventions. Cela dit, K est le symbole pour 210 = 1024 octets, ou
kilo-octets et M signifie 220 = 1, 048,576 octets, ou un mégaoctet, tandis
que G = 230 = 1, 073, 741,824 octets, ou un gigaoctet.
(vii). Dans les processeurs de 16 bits importants, on retrouve le PDP-11, l’INTEL 8086, l’Intel 80286 et le WDC 65C816. Le Motorola 68000 était de
16 bits et ses bus de données 16 bits de longueur. Cependant, il était de
32 bits puisque ses registres d’usage général étaient de 32 bits de longueur et
la plupart des instructions arithmétiques supportaient 32 bits arithmétiques
et 24 bits puisque le bus d’adresse était de 24 bits de longueur.
vUn entier relatif de 16 bits peut stocker 216 (ou 65536) de valeurs uniques. Dans
une représentation non signée, ces valeurs sont les entiers relatifs entre 0 et 65535;
en utilisant un complément à deux, les valeurs possibles s’étendent entre −32768 et
32767.
Université Virtuelle Africaine 149
Activité 6.4.3 32-Systèmes bit
Ici, les points d’apprentissage importants sont :
(i). Dans l’architecture d’ordinateur, les entiers relatifs de 32 bits, les mémoires
d’adresse ou autres unités de données sont ceux qui sont de 32 bits (quatre octets) de largeur au maximum. De plus, les architectures d’une UC et d’une
UAL de 32 bits sont celles basées sur les entiers relatifs, les bus d’adresse ou
sur les bus de données de cette grandeur. Le terme 32 bits est également utilisé
pour nommer une génération d’ordinateurs pour lesquels les processeurs de
32 bits étaient la norme.
(ii).La plage de valeurs d’un entier relatif peut être stockée dans 32 bits est 0
jusqu’à 4,294,967,295 ou −2,147,483,648 jusqu’à 2,147,483,647 en utilisant
un encodage de complément à deux. D’où un processeur avec une mémoire
d’adresse de 32 bits peut accéder directement à une mémoire adressable par
octet de quatre gigaoctets.
Activité 6.4.4. Kibioctet opposé à kilo-octet
Dans cette activité, on verra la différence entre kibioctet et kilo-octet. Premièrement,
on définit le kibioctet :
Un kibioctet (une contraction de kilo binaire et octet) est une unité d’information ou
de mise en mémoire dans l’ordinateur, établie par la Commission électrotechnique
internationale en 2000.
Son symbole est Kio.
1 kibioctet = 210 octets = 1 024 octets
Vous devriez prendre note que :
Le kibioctet est étroitement lié au kilo-octet, lequel peut être utilisé comme synonyme
pour kibioctet ou pour faire référence à 103 octets = 1.000 octets, par lequel
1 kilo-octet = 103 = 1000 octets
Ainsi, le terme kibioctet a évolué pour faire référence à 1024 octets exclusivement.
Vous devriez prendre note que :
Si quelqu’un s’attend à des valeurs de puissance de deux pour parler de capacité
(i).
Avec un kilo-octet (1024 opposés égal à 1000), la différence est
de 2,4 %.
(ii). Avec un méga-octet (1024² ou 1.048.576 opposé à 1.000.000 soit une
différence de 4,9 %.
(iii). Avec des « giga-octets », si on utilise 1024³, on s’attendra à ce que la grandeur d’une unité soit de 1.073.741.824 octets par giga-octet opposé à un
simple 1.000.000.000 soit une différence de 7,4%.
Université Virtuelle Africaine 150
Vous devriez donc être conscient qu’une confusion peut être aggravée par l’utilisation
de 1024 et de 1000 dans une seule définition.
La capacité approuvée des disquettes HD de 3½ pouces est 1,44 Mo, où Mo veut
dire 1 000 fois 1 024 octets. La capacité totale est donc de 1 474 560 octets ou approximativement 1,41 Mib.
Exemple
La relation ci-dessus peut être démontrée comme suit :
1,44 Mo = 1,44 × 1 000 × 1 024 = 1 474 560 octets
Divisez ceci par 1.048.576 par exemple.,
1.44 × 1000 × 1024
= 1.40625 MiB
1,048,576
Ainsi, une disquette de 1,44 Mo peut stocker 1474560 octets de données lorsque Mo
signifie 1 000 fois 1 024 octets.
Auto-évaluation 6
1. Expliquez la signification du terme « programme » en informatique.
2. Trouvez le nombre de lignes d’entrée pouvant être codées à un mot de 32 bits.
3. Expliquez la signification d’instruction et registre en informatique.
4. Exprimez 3.7 Mo en
(i) octets
(ii) Mib
Université Virtuelle Africaine 151
Solution à l’auto-évaluation 1
1. (a)
ni = 6.1144 × 1017 m-3
0.01859 s/m
(b)
2. Cela est parce que, en plus du donneur, le nombre d’électrons disponibles pour
les objectifs de conduction devient plus grand que le nombre de trous intrinsèques disponibles. Cependant, la charge totale du semiconducteur ne change pas
puisque le donneur gagne autant de charges négatives (par la voie des électrons)
que de charges positives (par la voie de protons dans leur noyau).
3. La tension seuil de conduction dépend de la concentration de dopant, de la charge
électronique et de la température. Pour une jonction donnée, les deux premiers
facteurs sont constants, les rendant donc dépendants de la température. Avec
l’augmentation de la température, plus de porteurs de charges minoritaires sont
diminués, menant à leur dérive plus grande à travers la jonction. Le résultat est
que l’équilibre se produit à un potentiel de barrière plus bas. Il est juste de dire
que Ge et Si diminuent d’environ 2mV / ºC.
Solution à l’auto-évaluation 2
1. Les caractéristiques physiques du transistor bipolaire à jonctions sont que :
- La base est légèrement dopée avec un matériau à haute résistivité.
- Le collecteur entoure la zone émetteur, rendant cela presque impossible, pour
les électrons injectés dans la zone de base, de ne pas être collectés, rendant
ainsi la valeur résultante de a très proche de l’unité et donnant donc au transistor un grand β. Une coupe transversale d’un transistor bipolaire à jonctions
indique que la jonction collecteur-base a une zone beaucoup plus large que
celle de la jonction base-émetteur.
- Contrairement aux autres transistors, le transistor bipolaire à jonctions n’est
pas un dispositif symétrique. Cela signifie qu’interchanger le collecteur et
l’émetteur fait que le transistor laisse le mode actif vers l’avant et commence
à fonctionner en mode inverse. Puisque la structure interne du transistor est
habituellement optimisée en mode de fonctionnement vers l’avant, interchanger le collecteur et l’émetteur rend les valeurs de α et β en fonctionnement
inverse beaucoup plus petites que celles trouvées dans le fonctionnement
vers l’avant; souvent, le α du mode inverse est plus bas que 0,5. Le manque
de symétrie est tout d’abord causé par les rapports de dopage de l’émetteur
et du collecteur. L’émetteur est fortement dopé, tandis que le collecteur est
légèrement dopé, permettant d’appliquer une grande tension en polarisation
inverse avant que la jonction collecteur-base ne se brise. La jonction collecteur-base est polarisée en inverse dans le fonctionnement normal.
Université Virtuelle Africaine 152
- L’émetteur est hautement dopé pour augmenter l’injection de l’émetteur de
façon efficace : le rapport de porteurs injectés par l’émetteur à ceux injectés
par la base.
- Pour un gain de courant élevé, la plupart des porteurs injectés dans la jonction
émetteur-base doivent venir de l’émetteur.
Des petits changements dans la tension appliquée à travers les pôles émetteur-base font
en sorte que le courant qui circule entre l’émetteur et le collecteur change de façon
significative. Cet effet peut être utilisé pour amplifier la tension d’alimentation ou le
courant à l’entrée. Les transistors bipolaires à jonctions peuvent être vus comme des
sources de courant commandées en tension, mais sont plus simplement caractérisés
comme des sources ou des amplificateurs de courant commandés en courant, dû à la
basse impédance à la base.
Le transistor NPN est un des deux types de transistors bipolaires dans lequel les
lettres « N »et « P » font référence aux porteurs de charges majoritaires dans les
différentes zones du transistor. La plupart des transistors bipolaires utilisés de nos
jours sont des transistors NPN puisque la mobilité de l’électron est plus grande que
la mobilité du trou dans les semiconducteurs, permettant de plus grands courants et
un fonctionnement plus rapide.
Les transistors NPN consistent en une couche de semiconducteur de dopage de type
P (la « base » entre deux couches de dopage de type. Un petit courant entrant dans la
base dans un mode émetteur commun est amplifié dans la sortie de l’émetteur.
Dans le symbole du transistor NPN, la flèche est sur la jambe de l’émetteur et pointe
dans la direction de l’intensité de courant conventionnelle lorsque le dispositif est
en mode actif vers l’avant.
Un dispositif mnémotechnique pratique pour l’identification du symbole du transistor
NPN et, par élimination, le transistor NPN est «NPN est Non Pointé à l’intérieur».
Université Virtuelle Africaine 153
Solution à l’auto-évaluation 3
1.
Un ampli-op spécifique peut être choisi pour : son gain en boucle ouverte, sa
largeur de bande, sa performance sur le plan du bruit, son impédance d’entrée,
sa consommation d’énergie ou un compromis entre ces facteurs.
2. 84.42 MT
3. La tension de sortie est
⎛ 330
330 ⎞
V0 = - ⎜
V1 +
V = - 10V1 + 33V 2
10 2 ⎟⎠
⎝ 33
(
(
))
(
(
(
(
)
))
)
= - ⎡10 50sin 1000t + 33 10sin 3000t ⎤
⎣
⎦
(
)
= ⎡⎣0.5sin 1000t + 0.33sin 3000t ⎤⎦
Solution à l’auto-évaluation 4
1. Les quatre étapes suivantes seront utilisées :
Étape 1
1
1
1
Étape 2
½
¼
1/8
Étape 3
½
¼
1/8
Étape 4
½ + ¼ +1/8 = 0.875
0
∴0.1112 = 0.87510
2. 0.77 10 = 0.110001 2
3. 25.625 10 = 11001.101 2
4. i- 13 et 26;
ii- 13 et 6.5
Université Virtuelle Africaine 154
Cela implique que le changement du point binaire à droite est équivalent à la multiplication du nombre par 2, tandis que le changement du point binaire à gauche est
équivalent à la division du nombre par 2.
5 a.
111 2
b.
0010 2
c.
0011 2
6.
(i) 11101000 (ii) 1001111
7.
(c) i. X = AB + C
ii. X = 1;et X = 1
8 L’équation logique qui fournit la fonction de changement est donnée par
F = C0 A.B + C1. A.B + C2 . A.B + C3 . A.B
Pour A = B = 0, on obtient F = C0 ,
Pour A = 0, B = 1, on obtient F = C1
Pour A = 1, B = 0, on obtient F = C2
Pour A = 1, B = 1, on obtient F = C3
Ainsi, pour que C2 soit sélectionné AB = 10, lequel permet X 2 et C2 apparaitra à
la sortie F
Université Virtuelle Africaine 155
Solution à l’auto-évaluation 5
1
(a) -Temps de transition précis : L’échantillonnage et mémorisation prend une certaine période de temps à capturer un échantillon du signal de capteur. C’est ce
qu’on appelle le temps de transition, le signal échantillonné peut être légèrement
éteint.
•
•
Signal connexion d’interface : Lorsque l’échantillonnage et la mémorisation
ne sont pas connectés au signal, la valeur étant retenue devrait demeurer
constante. Malheureusement, un certain signal purge à travers le commutateur
causant ainsi la tension retenue à changer légèrement.
Signal statisme : La tension étant retenue sur le condensateur commence à
diminuer lentement avec le temps si le signal n’est pas échantillonné assez
souvent.
(b) La solution principale à ces problèmes est d’avoir un petit temps de transition lié
à la période d’échantillonnage. Cela signifie que si le concepteur IHM utilise une
fréquence d’échantillonnage élevée, le temps de transition et de mémorisation
devra être assez petit.
2
•
•
L’isolation magnétique est tout d’abord utilisée pour coupler l’énergie à partir
de l’ordinateur ou de la prise de courant murale jusqu’au capteur. Cela est fait
à l’aide d’un transformateur.
L’isolation optique est utilisée pour coupler le signal de capteur à l’entrée
de l’acquisition de données. Cela est habituellement fait à l’aide d’une diode
électroluminescente et d’un photodétecteur. Ceci peut être intégré dans un
seul boîtier de circuit intégré tel que le 6N139.
La théorie de base de l’isolation optique a deux éléments de base : une source de
lumière (habituellement une diode électroluminescente) et un détecteur photosensible.
Ces deux éléments sont face à face et insérés dans un circuit électrique pour former
un optocoupleur. La propriété principale d’un optocoupleur est qu’il y a un isolement
par l’air entre la source de lumière et le détecteur. Aucun courant ne passe à travers cet
espacement, seulement l’énergie lumineuse désirée représentant les données. Ainsi,
les deux côtés du circuit sont « isolés» l’un de l’autre de façon efficace. Application
principale dans les communications de données, l’application principale de l’isolation
optique est dans un circuit de données point à point qui couvre une distance de plusieurs centaines de pieds ou plus. Puisque les dispositifs connectés sont supposément
sur des circuits de puissance différente, une différence probable de potentiel du sol
existe entre eux. Lorsque de telles conditions existent, la tension du « sol » peut être
différente, parfois de plusieurs centaines de volts.
Université Virtuelle Africaine 156
Où une différence de potentiel au sol existe, un phénomène nommé boucle de mise
à la terre se produit. Dans ce phénomène, le courant circulera le long de la ligne de
données dans un effort pour égaliser le potentiel au sol entre les dispositifs connectés.
La boucle de mise à la terre peut, à tout de moins, sévèrement mutiler les communications—si elle n’endommage pas le matériel !
L’isolation optique résolut le problème de boucle de mise à la terre en soulevant le
branchement de façon efficace entre la ligne de données et le « sol » à un ou l’autre
des bouts de la ligne. Si un branchement couplé optiquement existe à chaque bout,
le trafic des données « flotte » au-dessus de la volatilité des différences de potentiel
au sol.
Solution à l’auto-évaluation 6
1. En informatique, un programme est une série précise d’opérations que l’ordinateur
doit performer. Dans l’ordinateur moderne, le programme contient des sequences
et des instructions que l’orinateur suit. Typiquement, le programme est mis dans
une zone de mémoire accessible à l’ordinateur. L’ordinateur reçoit une instruction
et l’exécute et reçoit ensuite la prochaine. La zone de mémoire ou mémoire peut
également contenir les données sur lesquelles l’instruction fonctionne. (Prenez
note qu’un programme est aussi un type spécial de « données » qui dit la façon
de fonctionner sur « les données explicatives ou les données de l’utilisateur »).
Ces programmes peuvent être caractérisés comme étant interactifs ou par lots
en ce qui concerne ce qui les fait fonctionner et la façon dont ils fonctionnent
continuellement. Un programme interactif reçoit des données à partir d’un utilisateur interactif (ou si possible à partir d’un autre programme qui simule un
utilisateur interactif). Un programme par lots fonctionne et fait son travail pour
ensuite arrêter. Les programmes par lots peuvent commencer à l’aide d’utilisateurs interactifs qui requièrent leur programme interactif pour faire fonctionner
le programme par lots. Un interpréteur de commandes ou un navigateur est un
exemple de programme interactif. Un programme qui calcule et imprime un
état des salaires d’une compagnie est un exemple de programme par lots. Les
impressions sont aussi des programmes de lots.
Lorsque vous créez un programme, vous l’écrivez en utilisant un certain langage informatique. Vos instructions de langage sont le programme source. Vous
« compilez » donc le programme source (avec un programme spécial nommé un
compilateur de langage) et le résultat se nomme le programme d’objet. Il existe
plusieurs synonymes pour le programme d’objet, notamment le module résultant,
et le programme compilé. Le programme d’objet contient la chaîne de 0 et 1
appelée le langage d’ordinateur avec lequel le processeur logique travaille.
Université Virtuelle Africaine 157
Le langage d’ordinateur de l’ordinateur est construit par le compilateur de langage avec danune compréhension de la logique de l’architecture de l’ordinateur,
notamment la série d’instructions possible d’un ordinateur et la longueur (nombre
de bits) dans une instruction.
2. Pour un mot de 32 bits, le nombre total de lignes de sortie= 232 - 1 =
42949672953. Instruction
Une instruction est un ordre donné à un processeur d’ordinateur par un programme
d’ordinateur. Au niveau le plus bas, chaque instruction est une séquence de 0 et 1
qui décrit l’opération physique que l’ordinateur doit exécuter (tel que « Ajouter ») et, en tenant compte du type d’instruction particulière, la spécification des
zones de mémoire spéciales appelées registres qui peuvent contenir des données
utilisées dans la mise en exécution de l’instruction ou la localisation des données dans la mémoire d’ordinateur. Dans un langage d’assemblage d’ordinateur,
chaque instruction de langage correspond généralement à une seule instruction
du processeur. Dans des langages de haut niveau, une instruction de langage
provoque généralement (après la compilation du programme) des instructions
de processeurs multiples.
Registre
Dans un ordinateur, un registre est formé d’une petite série de données gardant les
places qui font partie d’un processeur d’ordinateur. Un registre peut garder une
instruction d’ordinateur, un stockage d’adresse ou toute autre sorte de données
(tel que la séquence des bits ou les caractéristiques individuelles). Certaines instructions stipulent les registres comme faisant partie de l’instruction. Par exemple,
une instruction peut spécifier que les contenus de deux registres définis soient
additionnés et ensuite, placés dans un registre donné. Un registre doit être assez
grand pour garder une instruction – par exemple, une instruction d’ordinateur de
32 bits, un registre doit être de 32 bits de longueur. Dans certaines constructions
d’ordinateur, il y a de plus petits registres, par exemple, les demi-registres, pour
des instructions plus courtes. Tenant compte de la construction du processeur et
des règles de langage, les registres peuvent être numérotés ou avoir des noms
arbitraires.
4. (i) 3788800 octets
(ii) 3.61 Mib
Université Virtuelle Africaine 158
XI. Concepts clés
Conductivité intrinsèque : conductivité d’un semiconducteur qui est associée avec
le semiconducteur lui-même et n’est pas touchée par les impuretés. À toute température donnée égale un nombre de porteurs de charges : électrons et trous sont générés
thermiquement et ce sont eux qui donnent lieu à la conductivité intrinsèque.
Semiconducteur intrinsèque : semiconducteur pur dans lequel les électrons et les
densités des trous sont égaux sous la condition de l’équilibre thermique. En pratique, la
pureté absolue est inatteignable et le terme est appliqué aux quasi-matériaux purs.
Semiconducteur extrinsèque : semiconducteur dans lequel la concentration de
porteurs de charges est dépendante des impuretés et autres imperfections.
Zone de déplétion : zone de charge d’espace dans un semiconducteur dans lequel il y
a une charge nette due au nombre insuffisant de porteurs de charge libre. Les zones de
déplétion sont formées, par exemple, à l’interface entre les semiconducteurs de type
P et N en l’absence d’un champ appliqué. Elles sont également formées à l’interface
d’un métal et d’un semiconducteur.
Redresseur : dispositif électronique qui permet au courant de circuler dans une seule
direction et qui peut donc faire alterner dans le courant direct. Il fonctionne par la suppression ou l’atténuation de demi-cycles alternatifs de forme d’onde de courant ou en
les inversant. Les redresseurs les plus communs sont les diodes à semiconducteurs.
Tension de seuil : tension à laquelle une caractéristique particulière d’un dispositif
électrique se produit. Pour un transistor à effet de champ à grille isolée, elle est la
tension à laquelle la formation de voie se produit.
Fuite : circulation d’un courant électrique dû à une isolation imparfaite, dans une
voie autre que celle voulue.
Courant de fuite : erreur due à une fuite. Il est petit, comparé à la magnitude d’un
court circuit .
Amplificateur : dispositif qui sert à reproduire une électricité consommée à une
intensité croissante. Si une f.é.m. croissante est produite en fonctionnant à haute
impédance, le dispositif est un amplificateur de tension et si la sortie fournit une
intensité de courant appréciable dans une impédance relativement basse, le dispositif
est un amplificateur de puissance. Les amplificateurs les plus utilisés fonctionnent
à l’aide de transistors.
Circuit logique : circuit conçu pour exécuter une fonction logique précise ; il est basé
sur les concepts « ET », « OU inclusif ». Habituellement, ces circuits fonctionnent
entre deux seuils de tensions discrets, p.ex., niveaux logiques haut et bas, et sont
décrits comme état des circuits binaires logiques. En utilisant trois niveaux logiques
ou plus, la logique est possible, mais peu commune.
Université Virtuelle Africaine 159
Portes logiques : dispositif utilisé pour mettre les fonctions logiques élémentaires
en application. Ces portes logiques incluent, parmi d’autres : la porte; l’inverseur
(porte NON); la porte NON-ET; la porte NON-OU, etc.
Transducteurs : Tout dispositif servant à convertir des signaux non électriques (ou
vice versa), les variations dans le signal électrique étant une fonction de l’entrée.
Les transducteurs sont utilisés comme instruments de mesure et dans le champ
électroacoustique, le terme étant appliqué aux tourne-disques PICK UP, aux microphones et aux haut-parleurs. La grandeur physique mesurée par le transducteur est
le mesurande, la portion du transducteur dans laquelle la sortie prend naissance est
l’élément transducteur et la nature de l’opération est le principe de transduction. Le
dispositif répondant directement au mesurande est l’élément de détection et les limites
maximales et minimales de la valeur du mesurande pour lesquelles le transducteur
fournit une sortie utile est la plage dynamique.
Microprocesseur : Intégration d’un nombre de fonctions utiles dans un seul boîtier
de circuit intégré. Ces fonctions sont l’habileté d’exécuter une série d’instructions
stockées pour mener les tâches précises de l’utilisateur et l’habileté à accéder des
puces mémoires externes pour lire et écrire des données à partir de la mémoire.
Université Virtuelle Africaine 160
XII. Lectures obligatoires
Lecture : 1
Référence complète : http://en.wikibooks.org/wiki/Electronics. 3 octobre 2007
Résumé : Livre complet sur l’électronique qui traite, entre autres, de : circuits
analogiques, tubes électroniques, diodes, transistors, amplificateurs, amplificateurs
opérationnels et de multiplicateurs analogiques.
Justification : Chaque sujet est présenté en une forme simple, qui rend la lecture
facile. Par contre, ce livre ne sert qu’à compléter le processus d’apprentissage.
Lecture : 2
Référence : http://en.wikipedia.org/wiki/electronics. 5 octobre 2007
Résumé : Cette lecture est formée de références obtenues à partir de plusieurs sites.
Leur adresse URL peut être obtenue à partir d’une capture d’écran de celle-ci. En
fait, tous les sujets importants de ce cours sont traités dans la lecture 2.
Justification : La référence fournit des sources de lecture faciles sur l’électronique
qui ne devraient pas causer de problème au lecteur lors de l’utilisation.
Lecture 3 : Operational Amplifier WIKIBOOKS
Référence : http://en.wikibooks.org/wiki/Electronics/Op-Amp. 5 octobre 2007
Résumé : La lecture 3 inclut : les amplificateurs, les ampli-op, la notation, le processus
de conception rapide, les ampli-op idéaux, la configuration d’ampli-op de base, les
configurations d’ampli-op avancées et l’ampli-op réel.
Justification : Fournit la plupart des connaissances requises pour ce cours sur l’amplificateur opérationnel.
Lecture 4 : Boolean Algebra + Notes on Designing simulation of Schmitt’sTrigger circuit
Référence : http://en.wikipedia.org/wiki/Electronics/Boolean-Algebra. 5 octobre 2007
Justification : Fournit du matériel facile à lire sur l’algèbre booléenne.
Université Virtuelle Africaine 161
Lecture 5 : Sensors
Référence : http://Soundlab.cs.princeton.ed/learning/tutorials/sensors/node19.html.
7 juillet 2007
Résumé : Les sujets inclus sont l’acquisition de données (capteurs piézoélectriques,
accéléromètre, résistance de caption de force, microphones, capteurs bipotentiels), le
formage de signaux (exigences pour les convertisseurs N/A, tension à tension, courant
à tension, résistance à tension, capacité à tension), L’acquisition de données (antirepliement, conversion analogique numérique, systèmes d’acquisition de données).
Justification : Cette lecture fournit du bon matériel sur cette activité.
Lecture 7 : Computers WIKIBOOKS
Référence : http://en.wikipedia.org/wiki/Computer. 4 octobre 2007
Résumé : Cette référence fournit des structures de programmes enregistrées et la façon
dont l’ordinateur fonctionne. Cela inclut l’unité de commande, l’unité arithmétique
et logique (UAL), la mémoire, l’entrée/sortie (E/S), le fonctionnement multitâche,
le multitraitement, le réseautage et l’Internet.
Justification : Fournit une lecture de base facile pour un débutant dans l’apprentissage de l’informatique.
Université Virtuelle Africaine 162
XIII. Ressources multimédias
Référence : http://www.educypedia.be/electronics/javacollectors.htm
Résumé : Cette ressource permet l’étude des caractéristiques du transistor
NPN.
Justification : Ce site donne une expérience virtuelle simple pouvant être
menée pour l’étude des caractéristiques du transistor NPN.
Référence : http://server.oersted.dtu.dk/personal/ldn/javalab/Circuit04.html
Résumé : Cette ressource est pour le circuit d’un amplificateur émetteur
commun (EC) primitif comprenant un transistor NPN et une base externe,
un collecteur et des résistances de charge. L’apprenant trouvera les plages de
tension d’alimentation pour une série fixe de paramètres de composantes qui
font en sorte que le transistor s’éteint, s’active ou se sature respectivement.
Dans le cas des applications analogiques, l’apprenant déterminera le gain en
tension différentielle du circuit lorsque le transistor est dans la plage active.
Pour les applications numériques, on s’attend à trouver le plus petit gain de
courant possible (bêta) et une résistance de collecteur correspondante faisant
du circuit un inverseur fonctionnel logique.
Justification : Cette ressource sert d’aide à l’apprentissage de la polarisation
du transistor NPN.
Référence : http://server.oersted.dtu.dk/personal/ldn/javalab/Circuit01.html
Résumé : Cette ressource fournit un circuit équivalent de Thévenin avec une
charge dans laquelle une puissance P est libérée.
Justification : Ce site fournit une ressource utile pour l’apprentissage du
diviseur de tension.
Référence : http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/fermi/bandAndLevel/index.
html. 4 octobre 2007
Résumé : Cette ressource montre les niveaux de Fermi opposés à la concentration de porteurs et le dopage des donneurs et des receveurs d’impuretés.
Justification : Aide à l’apprentissage de la concentration de porteurs et du
dopage des donneurs et des receveurs d’impuretés
Université Virtuelle Africaine 163
Référence : http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/BjtFet/index.html. 4 octobre 2007
Justificartion : Les étapes de la fabrication d’une paire métal-oxide semiconducteur (MOS), d’un transistor à effet de champ (TEC) et d’un transistor
bipolaire à jonctions sur une tranche de silicium sont illustrées dans cet applet.
Les quatre touches « premier », « précédent », « suivant » et « dernier » vous
permettent de voir les fonds d’images à différents stades de la fabrication du
dispositif. La touche animation « suivant » vous permet de voir les « séquences
temporelles » animées du processus de fabrication d’une étape à l’autre. La
capacité d’animation vous enseigne très clairement les étapes physiques détaillées impliquées. Les étapes de fabrication de dispositifs semi-conducteurs
impliquent plusieurs étapes physiques, mécaniques et thermiques. Cet applet
vous permet de bien les comprendre.
Justification : Ressource d’apprentissage utile à utiliser.
Référence : http://jas.eng.buffalo.edu/education/transistor/n_MOS_IV/mosfet.
html. 4 octobre 2007
Justification : Cette ressource montre un applet qui calcule et trace les caractéristiques de sortie d’un canal N (mode d’enrichissement) de transistor MOS.
Essayez de changer la plage de la tension drain source et (ou) la valeur de
départ de la polarisation de seuil (« commencer ») ou autres valeurs et voyez
le changement de tension drain source opposé à la polarisation de seuil.
Justification : Cette ressource est utile pour l’apprentissage du calcul et du
traçage des caractéristiques de sortie d’un canal N d’un transistor MOS.
Référence : http://server.oersted.dtu.dk/personal/ldn/javalab/Circuit03.html. 3 octobre 2007
Résumé : Cette ressource concerne l’amplificateur inverseur où la source
de tension est allumée afin de regarder le circuit pour différentes valeurs des
résistances et (ou) du gain en boucle ouverte de l’ampli-op.
Justification : Dans un cas (normal) d’un grand gain en boucle ouverte de
l’ampli-op (habituellement >100 dB), le mécanisme de réaction forcera le
terminal d’entrée inverseur à être pratiquement mis au sol. Dans cette limite,
le facteur d’amplification de la boucle fermée du circuit sera déterminé par
les valeurs de résistance seulement.
Université Virtuelle Africaine 164
Référence : http://jas.eng.buffalo.edu/ 3 octobre 2007.
Résumé : Illustrations utiles d’amplificateurs avec transistor bipolaire à
jonctions et transistor MOS sont utilisées pour promouvoir la compréhension
facile des sujets.
Justification : Fournit une vidéo utile sur les amplificateurs avec transistor
bipolaire à jonctions et transistor MOS.
- Modèles circuit de quatre amplificateurs de base
- Circuits amplificateurs monoétages de transistors bipolaires à jonctions (CE,
BC et CC)
- Amplificateur à émetteur commun monoétage à conception polarisée
(java1.1)
- Circuits amplificateurs monoétages de transistors (CS, CG et CD)
- différents types de charges dans un circuit amplificateur IC (un exemple
d’ampli CS)
Référence : http://images.google.co.uk/images?hl=en&q=Transducers&oe=UTF8&um=1&ie=UTF-8&sa=N&tab=wi. 4 octobre 2007
Résumé : Des images de différents types de transducteurs sont fournies.
Justification : La ressource est assez bonne puisqu’elle fournit des informations à propos de différents transducteurs.
Référence : http://images.google.co.uk/images?hl=en&q=sensors&oe=UTF8&um=1&ie=UTF-8&sa=N&tab=wi. 4 octobre 2007
Résumé : La ressource fournit différents types de capteurs.
Justification : Les images renforcent l’apprentissage.
Référence : http://www.eastaughs.fsnet.co.uk/cpu/index.htm. 7 octobre 2007
Résumé : Les sujets couverts incluent le tutoriel informatisé et le tutoriel de
microprocesseurs qui traitent de la structure CPP et des instructions d’exécution.
Justification : Fournit des illustrations et explications concises à propos d’un
ordinateur.
Université Virtuelle Africaine 165
XIV. Liens utiles
Titre : Basic circuit analysis
Adresse URL : http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Electrical-Engineering-and-Computer-Science/6-002Circuits-and-ElectronicsFall2000/VideoLectures/index.
htm.
6 octobre 2007
Résumé : Contient des diapositives de lecture accompagnant des vidéos de
lecture et des descriptions de démonstrations en direct montrées par un instructeur.
Titre : Diodes
Adresse URL : http://jersey.uoregon.edu/~rayfrey/431/lab2_431.pdfhttp://
jersey.uoregon. edu/
Résumé : Ce site fournit les caractéristiques V-I du travail pratique. De plus,
il fournit de la lecture sur les jonctions transistors et les commutateurs et la
saturation de transistors.
Titre : Diode applications
Adresse URL : http://morley.eng.ua.edu/G332BW.pdf.
Résumé : Diverses applications des diodes, notamment l’alimentation électrique, le redresseur à simple alternance, le pont redresseur, le redresseur à
deux alternances, etc. sont présentées.
Titre : MOSFET amplifier
Adresse URL : http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Electrical-Engineering-and-Computer-Science/6-002Circuits-and-ElectronicsFall2000/VideoLectures/index.
htm
. 4 octobre 2007
Résumé : Contient des diapositives de lecture accompagnant des vidéos de
lecture et des descriptions de démonstrations en direct montrées par un instructeur.
Université Virtuelle Africaine 166
Titre : BJT and FET transistor
Adresse URL :
http://www.nhn.ou.edu/~bumm/ELAB/Lect_Notes/BJT_FET_transitors_v1_
1.html.
3 octobre 2007
Résumé : Ce site fournit du bon matériel de lecture sur les transistors bipolaires à jonctions et des transistors FET.
Titre : Bipolar junction transistor
Adresse URL : “http://en.wikipedia.org/wiki/Common_collector. 4 octobre 2007
Résumé : Fournit du bon matériel de lecture sur la structure de NPN, PNP,
transistor bipolaire à hétérojonction, circuits à transistors et applications des
circuits.
Titre : CMOS
Adresse URL : “http://en.wikipedia.org/wiki/CMOS. 4 octobre 2007
Résumé : Fournit du bon matériel de lecture sur la structure d’une porte
NON-ET, la commutation d’alimentation et la fuite.
Titre : Common Source
Adresse URL : “http://en.wikipedia.org/wiki/Common_source. 4 octobre 2007
Résumé : Fournit des lectures sur les caractéristiques de la largeur de bande.
Titre : JFET
Adresse URL : “http://en.wikipedia.org/wiki/JFET”. 4 octobre 2007
Résumé : Source de bon matériel de lecture sur les TEC sur la structure, la
fonction, les symboles schématiques et la comparaison avec d’autres transistors.
Université Virtuelle Africaine 167
Titre : Operational amplifier
Adresse URL : http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Electrical-Engineering-and-Computer-Science/6-002Circuits-and-ElectronicsFall2000/VideoLectures/index.
htm. 3 octobre 2007
Résumé : Contient des diapositives de lecture accompagnant des vidéos de
lecture et des descriptions de démonstrations en direct montrées par un instructeur.
Titre : OP-Amps
Adresse URL : http://en.wikibooks.org/wiki/Electronics/Op-Amps”. 4 octobre 2007
Résumé : Fournit du bon matériel de lecture sur les amplificateurs, les ampliop, la notation, les ampli-op idéaux, les configurations d’ampli-op de base, et
l’ampli-op réel.
Titre : Operational Amplifier
Adresse URL : http://en.wikipedia.org/wiki/Operational_amplifier. 4 octobre 2007
Résumé : Contient du bon matériel de lecture sur l’amplificateur opérationnel. Les sujets incluent : l’opération de base, l’ampli-op idéal, les limites des
ampli-op réels, les notations, l’utilisation de la construction d’un système
électronique, le comportement du CC, le comportement du CA, le circuit
amplificateur non-inverseur de base, la circuiterie interne de 741 types d’ampli-op et les applications communes.
Titre : Digital Logic
Adresse URL : http://www.educypedia.be/electronics/digital.htm. 3 octobre 2007
Résumé : Ce site fournit du matériel de lecture sur les éléments logiques,
les diagrammes de Venn, les théorèmes de De Morgan, les circuits combinatoires logiques, les formes canoniques, l’algèbre booléenne, les tables de
Karnaugh, les tables de vérité, le commutateur antirebond, la bascule JK, la
bascule maître-esclave, la soustraction binaire, l’arithmétique binaire, la bascule JK, la bascule à verouillage D, la bascule D, les symboles de la bascule,
la conversion d’entrées de la bascule, les circuits alternatifs de la bascule, la
bascule D; en utilisant les verrous NON -OU, la construction d’une bascule
CMOS, les compteurs et le compteur asynchrone.
Université Virtuelle Africaine 168
Titre : Schmitt’s trigger
Adresse URL : http://www.visionics.ee/curriculum/Experiments/
Schmitt%20Trigger/Schmitt%20Trigger1.html. 3 octobre 2007
Résumé : Fournit des lectures supplémentaires sur la théorie de la bascule de
Schmitt.
Titre : Logic Gates
Adresse URL : http://www.shef.ac.uk/physics/teaching/phy107/phy107.
htmlhttp://www.shef. ac.uk/physics/teaching/phy107/phy107.html. 3 octobre 2007
Résumé : Cette lecture équipe l’étudiant avec des habiletés fondamentales
requises dans la conception de circuits numériques. Aucune connaissance
préalable des techniques numériques n’est requise. Cette lecture aborde tout
d’abord les éléments de base logiques, lesquels forment les composantes
de base fondamentales de tout circuit numérique. Ensuite, elle combine ces
éléments de circuits en nombre de façons afin de construire des circuits qui
fournissent certaines fonctionnalités, notamment le calcul et l’addition. Les
aspects de la conception de circuits sont aussi couverts.
Titre : Boolean Algebra
Adresse URL : http://en.wikibooks.org/wiki/Electronics/Boolean_Algebra.
4 octobre 2007
Résumé : Ici, des opérations mathématiques fondamentales sont présentées
avec les lois de l’algèbre booléenne. De plus, bon nombre d’exemples sont
donnés.
Titre : Multiplexing
Adresse URL : http://en.wikipedia.org/wiki/Multiplexing. 4 octobre 2007
Résumé : Cette lecture inclut la télégraphie, le traitement vidéo, la radiodiffusion numérique et la radiodiffusion analogique.
Titre : Piezoelectricity
Adresse URL : http://en.wikipedia.org/wiki/Piezoelectricity. 4 octobre 2007
Résumé : Fournit des lectures utiles sur : les matériaux, les applications,
notamment$la haute tension et les sources d’énergie, les capteurs, les récepteurs, les moteurs piézoélectriques et les catégories de cristaux.
Université Virtuelle Africaine 169
Titre : Transducers
Adresse URL :. “http://en.wikipedia.org/wiki/Transducer”; 4 octobre 2007
Résumé : Fournit de bonnes lectures sur les types de transducteurs, notamment
l’antenne, la lampe fluorescente, le capteur à effet Hall, le moteur rotatif, la
vibration alimentée par générateur, le cristal piézoélectrique et les photodiodes.
Titre : Computers
Adresse URL : http://en.wikipedia.org/wiki/Computer.
4 octobre 2007
Résumé : Cette ressource fournit des structures de programmes stockées et
la façon dont un ordinateur fonctionne. Cela inclut l’unité de commande,
l’unité arithmétique et logique (UAL), la mémoire, l’entrée/sortie (ES), le
fonctionnement multitâche, le multitraitement, le réseautage et l’Internet.
Titre : Microprocessor
Adresse URL : http://en.wikipedia.org/wiki/Microprocessor.
5 octobre 2007
Résumé : Fournit du matériel de lecture de base sur : les conceptions notables
de 8 bits, les conceptions de 16, 32 et 64 bits dans les ordinateurs personnels.
Titre : 32-bit in computer architecture
Adresse URL : http://en.wikipedia.org/wiki/32-bit
Résumé : Fournit la signification d’un transformateur de 32 bits.
Titre : 8-bit in computer architecture
Adresse URL : http://en.wikipedia.org/wiki/8-bit
Résumé : Inclut la liste des unités centrales de 8 bits.
Université Virtuelle Africaine 170
XV. Résumé du module
Au début, les dispositifs tels que les résistances, les condensateurs et les inducteurs
sont appelés composantes linéaires puisque le courant augmente en proportion directe
avec la tension appliquée en accord avec la loi de Ohm. Par contre, nous apprenons
que les composantes comme les diodes, pour lesquelles cette proportionnalité ne
s’applique pas, sont nommées les dispositifs non linéaires et sont la base pour tout
circuit électronique pratique. L’activité a fourni des concepts clés tels que l’examen
des propriétés d’un des dispositifs non linéaires, le redresseur à diodes. Ici, l’apprentissage a démontré que le redresseur fait passer un courant plus grand pour l’une des
polarités de la tension appliquée que pour l’autre. De plus, lorsqu’un redresseur est
inclus dans un circuit, le courant est négligeable chaque fois que la polarité de la tension à travers le redresseur est dans la direction inverse. Les applications principales
considèrent l’utilisation de diodes dans un redressement plein ondé.
Nous avons également appris que la polyvalence inhérente aux composantes électroniques non linéaires est augmentée incommensurablement par la capacité d’influencer le courant dans le dispositif en accord avec les signaux introduits dans une
électrode constante, lesquels sont considérés comme des dispositifs actifs puisqu’ils
maîtrisent l’électrode qui permet l’interaction active avec les courants dans le dispositif. Principalement, vous avez vu que les propriétés électriques de dispositifs actifs
sont décrites par les caractéristiques courant-puissance. En effet, les caractéristiques
courant-puissance des dispositifs électroniques dépendent tout d’abord des mouvements des électrons libres dans ceux-ci. Par conséquent, les propriétés des transistors
et autres dispositifs semi-conducteurs, notamment la diode à jonction, proviennent
directement du comportement des électrons dans les cristaux semi-conducteurs. Différents types et applications des transistors ont été discutés et appris dans ce module.
Tout comme les diodes, les transistors sont également des dispositifs non linéaires.
Leur fonctionnement est déterminé par l’analyse graphique en utilisant la description
de leurs propriétés éclectiques données par les caractéristiques courant-puissance.
L’analyse diffère en détail pour les dispositifs à commande en tension, tels que le
transistor à effet de champ comparé aux dispositifs à commande en tension, notamment le transistor bipolaire, mais n’est pas, en principe, différente.
Dans le module, nous avons vu que la performance des amplificateurs transistors
augmente à tous les égards en retournant une fraction du signal de sortie aux terminaux d’entrée. Ce processus s’appelle la réaction. Cette activité d’apprentissage a
démontré que les caractéristiques améliorées de réponse en fonction de la fréquence
et la distorsion électronique sont atteintes avec la réaction négative. De plus, nous
avons vu que la performance d’un amplificateur est moins dépendante du changement dans les paramètres du transistor causés par le vieillissement ou les effets de
température. Le module inclut une forme particulière de réaction négative, connue
sous le nom de réaction opérationnelle, utilisée dans les amplificateurs qui exécu-
Université Virtuelle Africaine 171
tent des opérations mathématiques telles que l’addition et l’intégration sur un signal
d’entrée. Nous avons vu que les amplificateurs opérationnels sont très larges dans le
mesurage et les fonctions de commande, ainsi que dans les ordinateurs analogiques
électroniques.
Dans l’activité 4, nous avons vu que les chiffres numériques peuvent être représentés
par les signaux électriques qui ont seulement deux magnitudes possibles, disons zéro
et une valeur précise. Dans cette situation, nous avons vu que seule l’existence d’un
état de signal ou de l’autre est significative et que la magnitude actuelle est relativement peu importante. Cela dit, les circuits numériques n’ont besoin que d’avoir
deux conditions stables, représentées par un transistor pleinement conducteur ou
complètement éteint. De tels circuits sont essentiellement plus fiables que ceux qui
doivent manipuler des plages continues de niveaux de signaux. Tout nombre donné
peut être représenté par une forme d’onde numérique afin que la précision ne soit
pas limitée par la stabilité des paramètres du circuit. Les signaux numériques sont
manipulés par les circuits, en accord avec des instructions logiques spécifiques qui
rendent possible le traitement de l’information extrêmement flexible et puissant. Le
module aboutit à la production de logique de traitement numérique sur une seule
puce. De tels microprocesseurs utilisent des techniques d’ordinateurs numériques
qui sont utilisées pour plusieurs différentes applications.
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XVI. Évaluation sommative
1
(a) Discutez du fonctionnement d’un transistor PNP.
(b) Décrivez la façon dont les caractéristiques statiques d’un transistor NPN
connectées dans la configuration base commune peuvent être déterminées.
(c) Un transistor qui fonctionne en configuration C/B possède I C =3.0 mA,
I E = 3.2 mA et I I CO = 0.02 mA. Quel courant circulera dans le circuit col-
lecteur du transistor lorsque connecté en configuration EC ?
2. (a) Démontrez que dans une configuration EC, a et β ont une relation donnée
par
β=
a
1- a
(b) Discutez de l’origine du courant de fuite dans un transistor.
(c) Pour un certain transistor, I C = 5.450 mA, I B = 49μ A, I CO = 4.9μ A .
Trouvez (i) les valeurs de I E a,β .
3. (a) Utilisez des exemples convenables pour faire la distinction entre les semiconducteurs intrinsèques et les semiconducteurs extrinsèques.
(b) Trouvez la concentration de porteurs intrinsèques dans le silicium à 300 K
pour lequel
N = 4.0 × 1025 m-3 , E g = 1.1eV , μe = 0.13m2 / V - s, andμ h = 0.05m2 / V - s
4. (a) Expliquez la formation d’une couche de déplétion dans une jonction P-N.
(b) À l’aide de diagrammes convenables, décrivez une jonction P-N dans le
mode vers l’avant.
5. (a) Décrivez brièvement les trois parties essentielles par lesquelles l’information
est traitée : capteurs, formage de signaux et acquisition de données.
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6. (a) Décrivez brièvement le fonctionnement d’un multiplexeur et d’un décodeur.
(b) Trouvez le nombre de lignes d’entrée qui peut être codé à
1. mot de 8 bits
2. mot de 16 bits
7.
(a) Utilisez le diagramme ci-dessous pour décrire ce qui se passe dans un
transistor possible porte OU qui consiste en trois transistors interconnectés Q1,
Q2, et Q3 alimentés par une alimentation commune Vcc = +5V.
o+ 5V
R1
B o
A o
Q1
R2
N
oX
M
Q2
Q3
(b) Construisez une table de vérité pour une porte ET à trois entrées.
(c) Construisez les circuits équivalents pour une porte ET.
8
(a) Convertissez la fraction binaire 0.101 en sa décimale équivalente.
(b) Uitlisez la méthode double-addition et convertissez 110012 en décimale.
(c) Convertissez 101011 2 en son octal équivalent.
9. (a) À l’aide d’un diagramme convenable, décrivez l’action d’un JFET.
(b) Un transistor à effet de champ ayant gm = 3 mA/V est utilisé avec une
résistance de charge de drain de rd =60 kΩ dans un amplificateur de tension
FA. Trouvez le gain en tension.
Université Virtuelle Africaine 174
10. (a) Décrivez un ampli-op pouvant être utilisé comme amplificateur de sommation.
(b) Démontrez la façon dont le gain en tension dans un amplificateur non inverseur est donné par
Gain =
V0 R1 + R2
=
A1
R1
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XVII. Références
Frederick F. Driscoll; Robert F. Coughlin. Solid State devices and Applications, D.B
Taraporevala Sons & Co.PVT, Published with arrangement with Prentice Hall,
Inc. 1981.
Bernard Grob, Basic Electronics, 4th ed., McGraw Hill International Book Company,
London, 1983.
Close K.J & J Yarwood. Experimental Electronics for Students, London Chapman
and Hall, Halsted Press Book, John Woley & Sons, 1179.
Tayal D.C. Basic Electronics. 2nd ed. Himalaya Publishing House Mumbai, 1998.
Theraja B.L., R.S. Sedha. Principles of Electronic Devices and Circuits, S.Chand &
Company Ltd, New Delhi,2004.
Sparkes J.J. Semiconductor Devices 2nd ed. Chapman & Hall, London, 1994.
Richard R. Spenser & Mohammed S. Ghaussi. Introduction to Electronic Circuit
Design, Prentice Hall, Pearson Education, Inc 2003.
Noel M Morriss. Semiconductor Devices, MacMillan Publishers Ltd. 1984.
Robert Boylestad& Louis Nashelsky. Electronic Devices and Circuit Theory, Prentice-Hall International Editions. 1992.
James J. Brophy. Basic Electronics for Scientists. 5th Edition, McGraw-Hill Publishing Company, New York, 1990.
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XVIII. Dossier de l’étudiant
XVIII Dossier de
l’étudiant Numéro
NOM
d’inscription Exercice 1
Exercice 2
Exercice 3
Exercice AV
Test 1
Test 2
Test AV
TOTAL
XIX. Auteur principal du module
Dr Obwoya Kinyera Sam est chargé de cours senior au département de physique
au Kyambogo University, Uganda. Il est présentement directeur de l’apprentissage
à distance et de l’apprentissage en ligne au Kyambogo University. Il est formateur
d’enseignants depuis 1984. Entre 1978 et 1984, il a été chef du département de physique à l’école secondaire Old Kampala, Uganda.
Son adresse de courriel est : [email protected].