T.P. d'Electronique ème 3 année CIRCUITS A DEUX ETATS 1 - PRINCIPE Les systèmes que nous allons étudier permettent de générer des créneaux ou des impulsions rectangulaires pour des applications logiques ou analogiques. Pour cela, on dispose généralement d'un composant électronique présentant: - deux états possibles: • Transistor à l'état saturé (résistance quasi nulle) ou bloqué (résistance quasi infinie) • Amplificateur opérationnel saturé à +/- Vcc • Composant logique à l'état 0 ou 1 - une ou deux entrées opératoires: • Bases de deux transistors identiques (ou émetteurs ou collecteurs) • Entrée inverseuse et non-inverseuse d'un amplificateur opérationnel • Entrées logiques de portes NAND pour un flip-flop par exemple - (au moins) une boucle externe de réaction positive qui induit un processus cumulatif rapide entrée sortie - entrée - sortie... 2 - SYSTEMES BISTABLES Ils présentent deux états stables parce que non corrélés, liés à l'existence de deux seuils de basculement. Nous allons voir dans ce qui suit deux exemples de systèmes bistables. 2.1 - La bascule à seuil ou trigger de SCHMITT Il possède deux seuils précis de basculement et une boucle de réaction positive assurant une liaison simple (pas de constantes de temps). S +Vo + Vo E M R2 S c E T2 T1 b P VM -V o e R V b Ve R1 Basculeur de Schmitt à transistors VP 2 R 1 Basculeur de Schmitt à AOP 1°) Au repos (tension d'entrée nulle en E: Vm=0 ou Vb = 0) le système est dans un état stable: - T1 bloqué (base à la masse), T2 saturé (par le pont de résistances issu de T1) impose un potentiel de seuil: 1 Ve - R1 V R 1 + R2 0 Amplificateur opérationnel saturé à +V0, le pont diviseur ramène un potentiel de seuil: Vp = R1 V R 1 + R2 0 2°) Quand la tension d'entrée (en E) dépasse le seuil (Vm>Vp ou Vb>Ve), le potentiel de sortie baisse: - au collecteur de T1 - en sortie de l'amplificateur opérationnel La boucle de réaction positive agissant sur Vp ou Ve rend le processus cumulatif. Le système bascule très rapidement dans l'autre état stable. - Dans le montage à amplificateur opérationnel la tension Vp prend alors une nouvelle valeur de seuil: V 'p = – R1 V R1 + R2 0 - Une analyse fine montre qu'il se crée aussi un autre état de seuil V'e pour le montage à transistor. 3°) Si la tension à l'entrée redescend en dessous de cette nouvelle valeur de seuil, le phénomène cumulatif joue à nouveau et un basculement en sens inverse se produit. Dans les deux montages, on décrit donc une boucle d'hystérésis. Vs V0 Vs V0 - R1 R1 +R2 R1 V0 R1 + R 2 VE R1 V0 R1 +R 2 VE V'0 -V0 Ve Cycle d’hystérésis du basculeur de à transistors Cycle d’hystérésis du basculeur à AOP Applications: Mise en forme (sous forme de créneaux) d'un signal périodique, sinusoïde ou signaux en créneaux affectés de bruit. 2.2 - La bascule Si l'on commande le basculement par des impulsions, la bascule à seuil devient une bascule. Il suffit que les impulsions aient une amplitude suffisante pour dépasser le seuil d'hystérésis et durent suffisamment longtemps pour que la tension de sortie ait le temps de s'inverser. Avec les montages indiqués on obtient les basculements vers l'un ou l'autre état en attaquant E par des impulsions alternativement positives et négatives. NB: L'amplitude des impulsions de commande nécessaire n'est pas identique pour les deux états dans le 2 cas du montage à transistors. On placera en général un différentiateur à l'entrée. Les signaux différentiés servant à la commande des bascules. S S -V o S +Vo N 1 E E1 E2 Bascule à AOP N 2 1 ou 0 1 ou 0 E1 E 2 Bascule logique (flip-flop) 3 - SYSTEMES MONOSTABLES Ils présentent un seul état stable lié à l'existence d'un seul seuil de basculement. Une impulsion externe peut les éloigner temporairement de cet état stable. Voici à titre d'exemples deux montages: +V REF Vo R +Vo E C + - E M S V M c T1 e b B2 b S P C -V o c + T2 - R e V P Monostable à transistor Monostable à AOP 1°) La capacité C introduit une coupure pour la polarisation continue dans la boucle de réaction, alors: - T2 se sature par le courant issu de la polarisation à travers une résistance entraînant le blocage de T1. La sortie passe au potentiel 0. Le seuil Vp n'existe plus. - Un potentiel permanent positif Vref appliqué en M suffit pour saturer négativement l'amplificateur opérationnel au potentiel -Vp. Dans les deux cas, la capacité C se charge au potentiel V0 avec la polarité indiquée. 2°) La capacité C transmet instantanément les transitoires très brefs. Une impulsion négative appliquée à l'entrée induit un basculement en sortie à +V0. 3°) La capacité C introduit une temporisation dans la boucle de réaction. C se décharge dans R par un courant I. Tant que I est assez fort: - B2 est en dessous du seuil de déblocage de T2 (environ 600 mV) - P est en dessous du seuil de basculement de l'amplificateur opérationnel fixé à +Vref. 4°) Quand C est suffisamment déchargée, on passe le seuil de basculement et on revient à l'état stable initial au bout d'un temps . 3 Ve Ve t t Vs Vs V0 V0 t t -V0 Monostable à transistor Monostable à AOP 4 - SYSTEMES ASTABLES Ils ne présentent aucun état stable: c'est à dire, en réalité il y a deux états possibles liés à l'existence de deux seuils de basculement, et rendus instables par une liaison électrique établie entre eux grâce à un élément de temporisation (capacité). A titre d'exemple: V o R1 R R 2 S C c T1 1 C b M b c C T2 R 2 P e e S 2 Vp Astable à transistor R 1 Astable à AOP En transistor on voit que l'adjonction de la capacité C2 permet à un fonctionnement univibrateur, supposé démarrer spontanément, de se poursuivre en relation avec un deuxième seuil qui est celui de déblocage de T1 et une deuxième constante de temps R2C2. Comme rien n'arrête dans le temps la propagation des signaux sur la boucle de rétroaction positive, le système de basculement s'auto-entretien entre les états de sortie 0 et V 0. En fait le système étant fondamentalement instable, démarre spontanément sur du bruit interne. NB: Les créneaux obtenus sont réguliers seulement si les deux constantes de temps sont égales: R1C1=R2C2 En amplificateur opérationnel le montage type bascule fournit les deux états de sortie +/- V0 liés aux deux seuils +/- (R1/R1 + R2) V0 (Par rapport au montage univibrateur on voit qu'il faut enlever la tension de référence positive qui supprime un des deux seuils). La capacité C assure la liaison temporelle entre les deux états. Si on part de S au potentiel +V0 et de C déchargée, la capacité se charge à travers R et un premier basculement à -V0 a lieu quand le potentiel de M franchit le premier seuil Vp: Vp = R1 V R1 + R2 0 La capacité se décharge alors à travers R et un deuxième basculement à +V 0, a lieu quand le potentiel de M descend en dessous du deuxième seuil V'p 4 V' p = - R1 V R1 + R2 0 etc..... le phénomène s'auto-entretien. NB: Les deux constantes de temps ayant fusionné en RC, les créneaux sont réguliers. Remarques générales: 1) Par construction un multivibrateur est un oscillateur dont l'amplitude est fixe (entre 0 et V0 ou entre -V0 et +V0). Par contre, l'amplitude d'un oscillateur sinusoïdal n'est limitée que par les amortissements externes à l'oscillateur et n'a pas de valeur imposée. 2) Un système bouclé avec rétroaction positive produit de l'énergie alternative. Il équivaut formellement à une résistance négative. Ceci explique pourquoi on peut aussi fabriquer des multivibrateurs et des oscillateurs à partir d'éléments présentant une résistance négative comme une diode à effet tunnel. 5 – PREPARATION ET MANIPULATION Pendant toutes les manipulations, utiliser des sondes capacitives pour mesurer tous les signaux: elles limitent l’effet de charge capacitif de l’oscilloscope. Les montages s’effectueront sur la plaquette à trous grise. Il faudra polariser correctement l’AOP (+15V, -15V et la masse) et ne pas oublier d’appeler l’enseignant avant de mettre sous tension. Il faudra également remplir le tableau de résumé des mesures fourni. 5.1 - L'ASTABLE A AOP 5.1.1 - Multivibrateur ordinaire. En préparation, expliquez brièvement le fonctionnement du circuit ci-dessous. Retrouver l'expression théorique de T. T = RC Lo g 1+ 2 R 1 2 R2 e R = 68 k M S C = 100 nF R 2 = 120 k P R - 1 = 100 k Réaliser le montage ci –dessus. Regarder simultanément la forme des signaux en M et S, et P (pour cela vous utiliserez la fonction enregistrement de l’oscilloscope). Mesurer les durées 1 et 2 des créneaux négatifs et positifs et leurs amplitudes. Comparer à la 1/2 période théorique. Justifier les écarts et interpréter la forme des signaux observés (notamment sur l’amplitude et la période). 5.1.2 - Multivibrateur à rapport cyclique à tension de référence En préparation, expliquez brièvement le fonctionnement du circuit ci-dessous. Si possible justifier l’expression théorique 5 R 1 = RC Loge 1+ 2 1 R2 1 V 1+ REF VsMAX R = 68 k M S R = 120 k 2 120 k P R = 100 k 1 C = 100 nF V - Alim. Stabilisée REF Réaliser le montage ci-dessus. Pour Vref variant de -16V à +16V par pas de 4V, Regarder simultanément la forme des signaux en M et S, et P . Mesurer la durée 1 du créneau négatif correspondant à la décharge de C. Comparer à la valeur théorique. Expliquer ce qui se passe lorsque Vref>Vs Haut et Vref <Vs Bas. 5.2 - LE MONOSTABLE En préparation, expliquez brièvement le fonctionnement du circuit ci-dessous pour Vref<0 et Vref>0. Retrouvez l’expression théorique : =RC Log e 2 VCC Vref 470 pF E M S P k 100 nF 68 nF REF V REF - Boîte capas variables 22 nF R k 100 pF Réaliser le montage de la figure ci-dessus. Commander la bascule en E au moyen d’un générateur délivrant des signaux carrés de fréquence 200 Hz et avec un niveau d’amplitude suffisant. Pour Vref en REF=-1,3Volts et pour les 4 valeurs des capacités, observer simultanément les signaux en M, S et P et mesurer la durée du créneau généré par le monostable. Comparer à la durée théorique Expliquer ce qui se passe pour C=100pF. 5.3 - LE BISTABLE 6 5.3.1 - Bascule ordinaire déclenchée par impulsions En préparation, expliquez brièvement le fonctionnement du circuit ci-dessous, si l’on attaque le circuit par un générateur délivrant des signaux carrés avec un rapport cyclique qui varie. E 10 nF M S P 10 k 20 k 10 k - - Réaliser le montage de la figure ci-dessus. Commander la bascule au moyen d’un générateur délivrant des signaux carrés en entrant sur E. Observer simultanément le signal de commande en M et le signal de sortie en S pour différentes durées de l'impulsion (changement du rapport cyclique). Mesurer les amplitudes des créneaux positifs et négatifs 5.3.2 - Basculeur de SCHMITT inverseur déclenché par niveau En préparation, expliquez brièvement le fonctionnement du circuit ci-dessous, si l’on attaque le circuit par un générateur délivrant des signaux triangulaires. M S P 20 k 10 k - Réaliser le montage de la figure ci-dessus. Mesurer la tension de seuil en P en l'absence de signal de commande. Commander la bascule au moyen d’un signal triangulaire issu du générateur (5Vpp) en entrant sur M. Commenter en relevant l’évolution des tensions aux différents points du montage. Comparer aux seuils déduits de l'étude de la bascule ordinaire. Expliquer. 5.3.3 - Basculeur de SCHMITT suiveur déclenché par niveau En préparation, expliquez brièvement le fonctionnement du circuit ci-dessous, si l’on attaque le circuit par un générateur délivrant un signal d’amplitude variable. M S P E 10 k - 20 k Réaliser le montage de la figure ci-dessus. Déclenchement par générateur en P. Etudier les seuils de déclenchement en observant simultanément en P et S et en agissant sur l’amplitude du signal appliqué en P. Interpréter les signaux observés. 7