Travaux pratiques - Pages de Michel Deloizy

Edition du 21/03/1997
LICENCE EEA
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dede
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UFR SCIENCES
REIMS
M. Deloizy

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Quelques rappels ...
I. Mesures des grandeurs en électronique :
Lorsque l’on utilise un appareil de mesure, celui-ci introduit une perturbation dans le montage étudié. Celle-ci peut être très gênante
et doit pouvoir être dans tous les cas quantifiée. Il importe donc de connaître les caractéristiques des organes de mesure (en général,
les paramètres utiles sont indiqués par le constructeur de l’appareil, par exemple : 1MΩ//20pF sur un oscilloscope).
La grandeur essentielle mesurée en électronique est la tension aux bornes des éléments. La saisie de cette grandeur offre en effet
plusieurs avantages :
- La perturbation introduite par l’appareil est connue et souvent (mais pas toujours ! ) négligeable.
- Aucune intervention sur le montage n’est nécessaire, la mesure s’effectuant en parallèle.
- Tout autre mesure peut être ramenée à une mesure de tension(s).
- Le voltmètre est un appareil supportant « mieux » les erreurs de manipulation (grâce à son impédance d’entrée élevée).
Ainsi, pour mesurer un courant, on préférera observer la tension aux bornes d’une résistance (d’ailleurs souvent déjà existante dans
le montage). Si la résistance n’existe pas, on la rajoute (en la choisissant de manière convenable), on évalue la perturbation
introduite (de préférence négligeable), et on mesure la tension à ses bornes.
Pour mesurer une impédance, on mesure la tension et le courant appliqués à cette impédance.
Par la suite, on supposera donc que le seul appareil de mesure disponible est du type ‘voltmètre’.
Les tensions mesurées sur un montage peuvent être classées en trois catégories (tensions continues, sinusoïdales, ou périodiques et
non sinusoïdales). Pour obtenir une mesure correcte des grandeurs, on choisira l’appareil le mieux adapté parmi le voltmètre
continu, le voltmètre alternatif, l’oscilloscope ou le dBmètre. On remarquera que le dBmètre n’est en fait qu’un voltmètre alternatif
procurant une échelle logarithmique pour une lecture directe en dB.
On peut indiquer dans un tableau les compatibilités entre les grandeurs mesurées et les appareils utilisés :
Continu Alternatif Périodique non sinusoïdal
Voltmètre continu Oui Mesure de la composante continue Mesure de la composante continue
Voltmètre alternatif Non Oui, à condition que la bande passante de
l’appareil le permette (rarement le cas)
Seulement s’il est spécifié RMS : il indique
la valeur efficace du signal variable.
Prendre garde à la bande passante.
Oscilloscope Oui Oui Oui
dBmètre Non Oui (bande passante spécifiée sur
l’appareil) Non
Pour l’oscilloscope, on privilégiera les mesures en DC, de manière à ne pas être gêné par le filtre intercalé à l’entrée de l’oscilloscope
sur la position AC. Le mode AC sera retenu pour éliminer une forte composante continue dans une gamme de fréquences assez
élevée (> qq 10 Hz).
II. Fréquences de coupure d’un montage :
Les montages électroniques font souvent apparaître deux fréquences de coupure, limitant leur fonctionnement en fréquences hautes
et en fréquences basses. Ils se comportent donc en général comme des filtres passe-bande. Quelquefois, seule la fréquence haute
existe (absence de condensateurs de liaison) et dans des cas idéaux, leur fréquence haute est également inexistante ou plutôt non
mesurable avec un appareillage conventionnel (cas d’un pont résistif parfait).
Entre les deux fréquences précitées, on atteint la bande passante du montage : c’est la zone de fonctionnement normal du montage.
De manière conventionnelle, cette zone sera limitée par une fréquence de coupure basse fB et une fréquence de coupure haute fH. On
estimera que le montage fonctionnera en dehors de cette zone lorsque la puissance transmise à la sortie du montage est inférieure à la
moitié de ce qu’elle vaut dans la bande passante, ce qui se traduit par :
VV
SS2 0
2
2
=
où VS est la tension de sortie du montage à la fréquence f, et V0S est la tension de sortie du montage dans la bande passante.
Si l’on exprime cette relation en décibels, on écrit :
20 10 2 20 0 ⋅= − ⋅+⋅=log( )log( )log( )A A avec A
V
V
S
E
, soit : A(dB) = A0(dB) - 3
où VE est un signal d’entrée d’amplitude constante.
Les fréquences de coupures hautes et basses sont donc obtenues lorsque le gain en tension du montage a diminué de 3dB, par rapport
à ce qu’il était dans la bande passante.

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La technique de mesure de fB et fH est donc la suivante :
- Appliquer un signal sinusoïdal à l’entrée du montage.
- Se placer dans la bande passante ( vérifier sur le dBmètre que la tension de sortie du montage est indépendante de la
fréquence).
- Adapter le signal d’entrée pour amener l’aiguille du dBmètre sur la graduation 0dB (en choisissant une gamme correcte de
manière à ce que le signal de sortie soit sinusoïdal).
- Baisser la fréquence jusqu’à ce que le dBmètre indique la graduation -3dB : relever fB.
- Augmenter la fréquence jusqu’à ce que le dBmètre indique la graduation -3dB : relever fH.
III. Impédances d’entrée et de sortie :
III.1. Mesure de l’impédance d’entrée.
Vu de son entrée, le montage est équivalent à une résistance de valeur RE que l’on veut
déterminer, comme indiqué sur la figure ci-contre. Pour cela, on ajoute une résistance de
mesure RM en série avec l’entrée du montage, et on relève le courant IE en mesurant VE et
VM. La résistance RM étant connue, ainsi que la tension d’entrée VE, on en déduit aisément
la relation : R
R
V
V
EM
E
M
=−1
On retrouve la méthode de mesure d’une impédance d’entrée par la technique dite « de la tension moitié » :
- On dispose à la place de RM un potentiomètre.
- On applique un signal d’entrée sinusoïdal en V E, de fréquence choisie dans la bande passante, d’amplitude permettant un
fonctionnement linéaire du montage (visualiser le signal de sortie).
- On tourne le potentiomètre jusqu’à atteindre en VM une tension égale à VE/2 (Mesure au dBmètre, en échelle linéaire).
- On relève la résistance du potentiomètre sur un ohmmètre. Cette valeur donne RE.
Cette méthode nécessite un potentiomètre (et un ohmmètre) pas toujours disponibles. On préférera donc parfois utiliser la méthode
suivante, qui ne requiert qu’une résistance additionnelle :
- Disposer à la place de RM une résistance de valeur voisine à RE déterminée théoriquement.
- Appliquer un signal d’entrée sinusoïdal en V E, de fréquence choisie dans la bande passante, d’amplitude permettant un
fonctionnement linéaire du montage (visualiser le signal de sortie).
- Relever VM.
- Calculer RE en utilisant l’équation donnée précédemment.
- Si la valeur calculée de RE est très éloignée de RM, renouveler l’opération en prenant cette fois-ci RM=RE qui vient d’être
mesurée avec une faible précision. Ceci permet d’améliorer fortement la précision. Le calcul en deux étapes doit suffire en règle
générale.
Remarque : Dans le cas de mesures d’impédances d’entrées très élevées (>100kΩ), veiller à la perturbation engendrée par les
appareils de mesure disposés en VM.
III.2. Mesure de l’impédance de sortie.
La mesure de l’impédance de sortie d’un montage est basée sur les mêmes principes que
pour l’impédance d’entrée. Cependant, dans ce cas, on ne dispose que d’un seul point de
mesure (la sortie du montage). La détermination de VS0 pourra aisément être obtenue en
imposant IS = 0, soit : RM →∞ (mesure de VM à vide). Ensuite, en disposant en sortie du
montage une résistance RM de valeur connue, on relève la nouvelle valeur de VM, et on en
déduit la valeur de RS donnée par la relation :
RV
VR
SS
M
M
= −
⋅
01
De même que précédemment, il est nécessaire de choisir RM voisin de RS afin d’obtenir une précision de mesure correcte. Les
mêmes techniques de mesure pourront donc être employées. Cependant, quelques précautions devront être prises :
- L’ajout de la résistance RM ne doit pas modifier la polarisation statique du montage. Un condensateur de liaison
correctement dimensionné devra être inséré.
- La résistance RM modifie la droite de charge dynamique du montage, et peut entraîner des saturations ou des écrêtages.
Bien surveiller l’allure des signaux de sortie à l’oscilloscope.
IV. Calcul des condensateurs de liaison ou de découplage :
Les condensateurs de liaison ou de découplage sont souvent « idéalisés » lors des études théoriques, c’est-à-dire que l’on considère
leur impédance nulle dans le domaine des fréquences de fonctionnement du montage. On sait cependant que l’impédance d’un
condensateur est de la forme 1/Cω, et elle augmente donc très vite lorsque la fréquence diminue.

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Pour dimensionner ces condensateurs, il faut donc connaître la fréquence minimale à laquelle on veut que le montage fonctionne de
manière correcte. A cette fréquence, le condensateur doit présenter une impédance très faible vis-à-vis des impédances
environnantes.
IV.1. Condensateur de liaison.
Les condensateurs de liaison sont nécessaires pour relier des points de manière dynamique
sans altérer les polarisations statiques des montages. Le cas le plus courant est le
condensateur disposé entre deux montages amplificateurs (les autres cas pouvant s’y
ramener), comme représenté ci-contre.
Dans cette configuration, on désire donc que V V V
R
R R
ES S E
S
E
= = ⋅+
0
or, en posant ZC=1/(jCLω), on écrit :
V V
R
Z
R R Z
S S EC
S
E
C
=⋅
+
+ +
0 et V V
R
R R Z
ESE
S
E
C
=⋅+ +
0
Ces relations impliquent que ZC doit être choisi tel que : ZC << RE, soit : CfR
L
E
>⋅ ⋅
10
2π
Si l’on regarde l’effet de CL sur la réponse en fréquence du montage, on obtient un filtre passe haut du premier ordre, dont la
fonction de transfert s’écrit :
V
V
R
R R
j
C
R
R
jC R R
E
S
E
S
E
LSE
L
S
E
0
1
=+⋅
⋅
⋅
⋅
+
+⋅ ⋅ ⋅ +
ω
ω
(
)
( ) , dont la fréquence de coupure est : fR R C
C
S
E
L
=⋅+⋅
1
2π( )
Condensateurs polarisés :
Dans certains cas, lorsque la valeur des condensateurs est élevée (en général supérieure à 1µF), on utilise des condensateurs
polarisés (chimiques) dont le sens de branchement est indiqué en clair sur le boitier, par des symboles (+) et (-). Ne pas respecter la
polarité indiquée entraine une dégradation du condensateur, et à terme sa destruction. Lorsque le condensateur est disposé entre deux
montages, les points de polarisations statiques indiquent le sens du branchement : on place la patte notée (+) du condensateur au
potentiel le plus élevé.
En travaux pratiques, il arrive fréquemment que les montages expérimentaux soient alimentés par un générateur basse
fréquences (GBF). Dans ce cas, il faut veiller au potentiel continu délivré par le GBF. En règle générale, les signaux transmis aux
montages ne nécessitent pas d’offset (composante continue), puisque celle-ci est supprimée par le condensateur : le GBF sera donc
règlé de manière à produire un signal à composante continue nulle. Le montage étudié étant alimenté par une tension positive, on
pourra sans crainte brancher la patte (+) du condensateur sur l’entrée du montage, et la patte (-) sur le GBF.
IV.2. Condensateur de découplage.
Les condensateurs de découplages sont des éléments mis en parallèle sur une résistance, de
manière à la court-circuiter en dynamique. Le montage obtenu peut toujours se ramener à celui
représenté sur la figure, où CD est un condensateur de découplage disposé sur la résistance RD.
L’ensemble du réseau est alimenté par un générateur de tension d’impédance de sortie RS.
L’effet de découplage sera obtenu lorsque VS << VS0.
En notant RP la résistance équivalente à RS//RD, on obtient :
V V
R
R R jR C
S S D
D
S
P
D
=⋅+⋅+⋅ ⋅ ⋅
0
1
1ω
Quand ω=0, on a : V V
R
R R
S S D
D
S
( )00 =⋅+ . On peut donc considérer que le découplage sera satisfaisant lorsque |VS(ω)|<<VS(0),
ce qui revient à :
R
C
P
D
⋅
⋅
>>
ω
1
, soit : CfR
D
P
>⋅ ⋅
10
2π

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V. Montages amplificateurs à transistor bipolaire.
V.1. On rappelle les caractéristiques essentielles des montages amplificateurs de base :
Montage : Emetteur commun Collecteur commun Base commune
Schéma
C1, C2 : cond. liaison
CD : cond. découplage
RP=R1//R2
Impédance d’entrée RP//h11 RP//(h11+h21.RE)RE//(h11/h21)
Impédance de sortie RCRE//(h11/h21)RC
Gain en tension -h21RC/h11 1h21RC/h11
Remarques Impédance d’entrée moyenne Impédance de sortie moyenne
Gain en tension élevé
Impédance d’entrée élevée
Impédance de sortie faible
Montage suiveur
Impédance d’entrée faible
Impédance de sortie moyenne
Gain en tension élevé
Grande bande passante
V.2. Calcul des composants satisfaisant une polarisation statique :
Les principes de polarisation des montages précédents sont souvent utilisés car ils apportent une grande indépendance de la
polarisation statique vis-à-vis des paramètres du transistor (en particulier du gain en courant β et de la tension vbe). La méthode de
calcul est toujours la même :
- On choisit la tension VCE statique, procurant un maximum de dynamique sur le signal de sortie (en général, VCE = VCC/2.)
- On choisit RC et RE permettant de satisfaire le gain dynamique du montage et son impédance de sortie.
- On en déduit le courant collecteur IC par la relation : I
V
V
R R
CCC CE
C
E
=
−
+
- Le constructeur donne le gain du transistor dans un domaine : βmin< β< βmax.
Le courant de base IB est donné par : I
I
BC
=β. Ce courant sera maximal pour β=βmin.
Afin d’imposer le courant collecteur, on impose la tension sur la résistance RE, ce qui revient à imposer la tension VB de la base du
transistor, puisque vbe est sensiblement constant et voisin de 0,6 volt. Le pont de polarisation constitué de R1 et R2 doit donc
maintenir la tension VB constante. Cette tension dépend cependant de IB qui est très mal connu (selon la valeur de β). Afin de
rendre VB indépendante de IB, il suffit de choisir le courant de polarisation IP circulant dans R1 et R2 très supérieur à IB. On prend
en général :
IP > 10.IB, soit, dans le cas le plus défavorable : IP > 10.IBmax, ou encore : I
I
PC
>⋅10 β
min
- Ayant trouvé IC, on calcule VRE aux bornes de RE :
V
R
I
RE
E
C
≈
⋅
- On en déduit VB = VRE + vbe
- On trouve R2 par la relation : R
V
I
B
P
2=
IP étant donné par une limite inférieure, la valeur de R2 est ici une valeur maximale. On choisit donc la valeur de R2 juste inférieure
à la valeur calculée, dans les séries normalisées.
- On calcule ensuite R1 par la relation : R R V
V
CC
B
1 2 1=⋅−
A propos de ce fascicule...
Le fascicule fourni fait office de compte rendu de ce TP. Les réponses seront exclusivement portées de manière synthétique
dans les cadres prévus à cet effet. Toute annotation extérieure aux cadres et tout autre document fourni sera ignoré.
Les conclusions devront être rédigées avec le plus grand soin, avec des remarques pertinentes (en particulier, si les résultats
sont négatifs, mettre en évidence les problèmes rencontrés...). Les remarques personnelles seront hautement appréciées.
Lors du dimensionnement de montages, on choisira les résistances dans la série E12 dont les valeurs de base sont les
suivantes : 1 ; 1.2 ; 1.5 ; 1.8 ; 2.2 ; 2.7 ; 3.3 ; 3.9 ; 4.7 ; 5.6 ; 6.8 ; 8.2
Les condensateurs non polarisés (de valeur inférieure à 1µF) seront également choisis dans la série E12.
Les condensateurs polarisés (chimiques) seront choisis dans les seules gammes : 1 ; 2.2 ; 4.7 (série E3)