V - Espace Pédagogique Claroline

Projet tuteuré L3 S6.
CNA
ULPH 614
Projet tuteuré. ULPH614. Année 2006-2007
CNA
REALISATION D'UN CONVERTISSEUR NUMERIQUE ANALOGIQUE
INTRODUCTION
Ce projet est divisé en deux parties. Dans la première partie que nous appellerons
manipulation 1, un sujet, rédigé sous forme de TP vous est proposé. Il vous permet
d’acquérir les notions d'électroniques nécessaires pour aborder le problème des
convertisseurs (Amplificateur opérationnel, transistor MESFET…). Vous ne nous
rendrez pas de compte rendu sur cette partie. Par contre, les notions acquises seront évoquées dans le rapport final.
Dans la deuxième partie, un problème plus complexe vous sera proposé. Seules
quelques pistes de réflexion seront données. Sur cette partie vous serez totalement
autonomes pour résoudre le problème posé en vous appuyant bien-sûr sur ce que
vous aurez assimilé dans la manipulation n°1.
Chaque manipulation durera 5h en salle de TP. N’hésitez pas à poser des questions.
Par ailleurs n’oubliez pas que vous pouvez venir nous voir à notre bureau (maximum
2 heures). De plus les salles de TP seront ouvertes en accès libre pendant 2 semaines après la fin des manipulations encadrées.
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PREMIÈRE PARTIE
1
1.1
GÉNÉRALITÉS : AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL
Définition:
Un amplificateur opérationnel présente les caractéristiques suivantes:
Ä gain infini (en pratique très grand)
Ä impédance d'entrée infinie (en pratique très grande)
Ä impédance de sortie nulle (en pratique très faible).
1.2
Utilisation:
Les caractéristiques étant optimum, l'amplificateur opérationnel pourra être utilisé pour
toutes sortes de fonctions. Ces fonctions dépendront uniquement des circuits passifs qui seront montés autour de l'amplificateur opérationnel. Ces circuits passifs qui établiront une liaison entre l'entrée et la sortie de l'amplificateur portent le nom de contre-réactions.
Exemple de fonctions :
Ä amplification linéaire: le gain et la courbe de réponse ne dépendent que des contreréactions.
Ä addition et soustraction de signaux.
Ä intégration et dérivation de signaux.
Ä production d'oscillations.
1.3
Description symbolique:
Entrées
1.4
L'amplificateur opérationnel possède une sortie mais
deux entrées. La tension de sortie e0 ne dépend que de la
différence de potentiel e2-e1 entre les deux entrées. C'est
donc un ampli de type différentiel. On distingue l'entrée inverseuse (signe -) au potentiel e1 et l'entrée non inverseuse
e0
(signe +) au potentiel e2. La règle fondamentale est la
suivante: e0 a le signe de e2-e1, ce qui entraîne en particulier
que si e1=e2, e0=0, même avec e1 et e2 non nuls.
Sortie
e1
-
e2
+
Présentation:
L'amplificateur opérationnel se présente sous la forme d'un circuit intégré équivalent à
un grand nombre de composants actifs et passifs. Il existe sous forme chapeau (comme les
transistors) et sous la forme rectangulaire (à 8 ou 14 broches).
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1
8
8
2
Repères
7
6 5
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8
7
6
1
2
3
5
7
6
3
5
4
1
2
3
4
4
Les schémas ci-dessus représentent le brochage des ampli opérationnels vus de dessus.
1
2
3
4
Off set
Entrée inverseuse
Entrée non inverseuse
Alimentation -12V
+12V
e1 2
e2 3
-
7
6
1 5
+
4
-12V
1.5
e0
5
Off set
6
Sortie
7
Alimentation +12V
8
Non connecté
Dans la forme rectangulaire à 14 broches, les
broches non numérotées ne sont pas connectées.
Les ampli opérationnels seront en général montés
sur des supports. Bien noter qu'il s'agit ici du brochage des circuits intégrés et non des supports. Il
faudra donc établir soigneusement le brochage des
supports.
Les connections sont résumées sur le schéma
ci-contre. Remarquer qu'aucun contact du circuit intégré n'est à priori relié à la masse. Les tensions à
chaque contact, sont prises par rapport à la masse
du circuit global.
Alimentation.
Le circuit intégré est toujours alimenté à l'aide d'une source de tension symétrique:
+12V et -12V.
Afin de ne pas détériorer le circuit intégré, les tensions +12V et -12V devront être
établies simultanément. C'est pourquoi il faudra d'abord connecter le circuit au
module d'alimentation, puis mettre ce dernier au secteur. De même, ne pas déconnecter les bornes +12V ou -12V avant d'avoir préalablement débranché le module
d'alimentation du secteur.
1.6
Off set.
Etant donné le mode d'alimentation, la tension de sortie sera comprise entre +12V et
-12V. Souvent les contre-réactions seront telles que si e1=e2, e0 sera effectivement nul. Ce
sera le cas dans les circuits étudiés en TP. Le potentiomètre (10kΩ) figurant sur le schéma
précédent sera alors sans effet et pourra être omis dans les montages.
Signalons cependant que dans certains cas, si e1=e2, la valeur de e0 n'est pas toujours
nulle. Elle dépend alors de la position du potentiomètre, ce qui permet de choisir un zéro
pour la tension de sortie, ou tout simplement de régler cette tension à zéro.
Un cas limite, qui ne sera pas étudié en TP, est le cas de l'amplificateur opérationnel en
boucle ouverte, c'est-à-dire, sans contre-réaction. Il est par contre d'un grand intérêt au niveau de l'étude des limites d'utilisation. Dans ce cas, les caractéristiques de l'amplificateur
opérationnel sont telles que le moindre bruit est amplifié dans des proportions considérables, de sorte que même si e1=e2, e0 se bloque à ±12V. On peut alors ramener la tension
de sortie à zéro à l'aide du potentiomètre. C'est la compensation off set.
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Le réglage de l'offset est équivalent au positionnement du point de fonctionnement sur
la droite de charge, dans un étage à transistor.
2
MONTAGES FONDAMENTAUX.
Dans tous les raisonnements qui vont suivre, on supposera que l'amplificateur opérationnel fonctionne avec des caractéristiques idéales:
Ä le gain G =
e0
est infini; cependant, pour que le raisonnement ait un sens
e2 − e1
dans la pratique, e0 doit rester fini; donc on peut considérer que e1=e2.
Ä l'impédance d'entrée est infinie; donc on peut considérer comme nuls les courants
entrant dans chacune des deux entrées.
Ä l'impédance de sortie est nulle.
2.1
Amplificateur inverseur.
Z1
i
A
Z2
-
Ve
+
µ
Vs
L'entrée non inverseuse est reliée à la
masse: e2=0, d'où e1=e2=0.
L'entrée du montage, à tension ve, est
reliée à l'entrée inverseuse par l'impédance
Z1.
L'entrée inverseuse est reliée à la sortie
par l'impédance Z2. La sortie du montage
(tension vs) est prise directement à la sortie
de l'amplificateur opérationnel: vs=e0. La
charge du montage est ZL.
2.1.1 Impédance d'entrée du montage Ze.
Le courant i qui traverse Z1 est aussi le courant d'entrée du montage. La loi d'Ohm
ve
= Z1 (1).
donne: ve − e1 = Z1 i ou avec e1 = 0, ve = Z1 i . d'où: Ze =
i
2.1.2 Gain en tension Gv (ou encore fonction de transfert).
Le courant i se retrouve intégralement dans l'impédance Z2. La loi d'Ohm donne:
ve − vs
v
− Z2
=
d'où: Gv = s =
(2)
e1 − vs = Z 2i e ou avec e1 = 0, - vs = Z2i . Donc i =
Z1
Z2
ve
Z1
Dans le cas où Z1 et Z2 sont des résistances, ce gain est réel et négatif, d'où la terminologie amplificateur inverseur.
2.1.3 Impédance de sortie du montage Zs
L'impédance de sortie de l'amplificateur opérationnel étant nulle, on peut montrer facilement qu'il en est de même pour l'impédance de sortie ZS du montage. Ce résultat est
d'ailleurs clairement démontré par le fait que le gain en tension GV est indépendant de toute
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charge ZL du montage. Ceci ne signifie en aucun cas que la puissance à la sortie est illimitée.
En effet, il existe une valeur minimum pour la charge ZL au dessous de laquelle se montage ne fonctionnera plus dans des conditions correctes. Ceci correspond au fait que le courant débité par la sortie de l'ampli opérationnel ne peut dépasser une valeur limite. Le résultat concernant ZS est donc valable à l'intérieur de cette limite.
2.1.4 Manipulation.
Conseils pratiques : Commencer par câbler l'alimentation de l'amplificateur opérationnel. Ensuite câbler le circuit à étudier. Il n'est pas nécessaire de déconnecter l'alimentation,
ni le signal pour changer les valeurs des résistances.
A - Pour un signal d'entrée sinusoïdal de fréquence 1kHz et avec Z 1=10kΩ et Z2=100kΩ,
sans charge ZL, observer, relever et interpréter les oscillogrammes obtenus à la sortie pour
divers niveaux du signal d'entrée, en particulier les saturations.
Par la suite, on veillera pour les mesures à ne pas avoir de saturation en sortie.
B - Pour un signal d'entrée sinusoïdal de fréquence 1kHz vérifier expérimentalement les
équation (1), impédance d'entrée, et (2), gain en tension, et leur indépendance avec la
charge.
Pour cela, prendre Z1=10kΩ et Z2=100kΩ, sans charge ZL mesurer l'impédance d'entrée Ze
en introduisant en série sur l'entrée une résistance ρ convenable (ρ≈ Z1) (voir Annexe - Mesure de l’impédance d’entrée).
C - Pour Z1=10kΩ, Z2=100kΩ et sans charge ZL, tracer la courbe de réponse (Gv(f)) et donner la fréquence de coupure à -3 db.
2.2
Amplificateur non inverseur.
Il s'agit d'un montage analogue au précédent mais destiné à fournir un gain positif au
lieu d'un gain négatif, dans le cas où Z 1 et Z2 sont des résistances. Il parait donc logique d'utiliser le schéma ci-dessous, dans lequel les deux entrées e1 et e2 de l'amplificateur opérationnel ont été inversées par rapport au montage précédent.
En fait ce montage est instable: même pour
ve=0, la tension de sortie vs risque de ne pas rester
µ
nulle et de glisser vers les valeurs limites ±12V. En
Z1
+
effet, supposons que par effet du bruit, e1-e2 soit léV
Ve
s
gèrement différent de zéro (quelques µV). Le gain
Z2
e0 ( e1 − e2 ) de l'amplificateur opérationnel étant
très grand, une tension de l'ordre du volt pourra
alors apparaître à la sortie e0. Cette tension sera partiellement ramenée sur l'entrée e2 par
l'impédance Z2, ce qui augmente ( e1 − e2 ) , donc augmente encore e0 et ainsi de suite, jusqu'à ce que e0 ait atteint sa valeur limite. Cette instabilité est due au fait que les tensions e0
et ( e1 − e2 ) sont de même signe; ce signe sera celui de la faible valeur initiale ( e1 − e2 ) .La
valeur limite de e0 sera atteinte très rapidement (quelques ms) après la mise sous tension de
l'amplificateur opérationnel.
Le montage amplificateur inverseur ne présente pas cet inconvénient car toute dérive
de e0 est ramenée partiellement sur l'entrée e1 par l'impédance Z2; cette dérive partielle de e1
est encore celle de ( e1 − e2 ) qui est de signe opposé à celui de e0; elle entraînera donc pour
e0 une nouvelle dérive en sens inverse de la première. Ainsi toute dérive de e 0 entraîne une
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dérive en sens contraire, de sorte que toute instabilité de e 0 est impossible: il y a auto stabilisation. La position stable pour e0 est zéro.
Z1
i
A
Z2
+
Ve
µ
Vs
Le montage correct pour l'amplificateur
non inverseur est représenté sur le schéma cicontre. Il diffère d'ailleurs peu du montage de
l'amplificateur inverseur: l'ancienne entrée est
reliée à la masse, et l'entrée est prise directement sur l'entrée non inverseuse e2 (ve=e2), qui
était à la masse dans l'amplificateur inverseur.
Comme pour l'amplificateur inverseur, le
branchement de Z2 entre la sortie e0 et l'entrée
inverseuse e1, assure la stabilité du montage.
2.2.1 Impédance d'entrée du montage Ze.
Aucun courant n'entre dans l'entrée non inverseuse e2; le courant d'entrée du montage
est toujours nul. L'impédance d'entrée est donc infinie.
2.2.2 Gain en tension GV (ou encore fonction de transfert).
On a à présent e1=e2=ve. La loi d'ohm donne: − e1 = Z1i ou encore − ve = Z1i et
− v e v e − vs
Z
=
⇒ vs = ve + ve 2 on obtient:
e1 − e0 = Z2i ou encore ve − vs = Z2i . D'où: i =
Z1
Z2
Z1
v
Z
Gv = s = 1 + 2 (3)
ve
Z1
Dans le cas où Z1 et Z2 sont des résistances le gain est réel et positif, d'où la terminologie amplificateur non inverseur.
2.2.3 Impédance de sortie du montage Zs.
Les considérations faites pour l'amplificateur inverseur restent valables; l'impédance de
sortie Zs est donc nulle.
3
3.1
MONTAGES SIMPLES
Addition inverseur.
Le schéma ci-contre comporte 2 entrées ve1, et ve2, et une sortie vs.
Z2=10kΩ, Z1=1kΩ et Z0=10kΩ
Préparation : Exprimer la tension de sortie du montage en fonction de Ve1, Ve2, Z0, Z1,
Z2.
Si Ve1 est une tension sinusoïdale et Ve2 une tension continue de 5V qu’observe t-on en
sortie.
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Appliquer sur l'entrée 1 un signal sinusoïdal (de fréquence 1kHz par
exemple) et sur l’entrée 2 une tension
continue V0. La tension continue est
obtenue avec le +5V de l’alimentation
(AFX9660SB) qui vous sert d’alimentation de l’AOP.
is
Z1
V1
Z2
V2
A
Z0
+
µ
Vs
A - Vérifier la fonction additionneur du
montage. Régler le niveau de la tension d’entrée sinusoïdale pour que le
signal en sortie ne soit pas saturé.
Noter la valeur de Ve. Justifier.
B - Prendre le potentiomètre (0-10kΩ) pour Z1. Faire varier Z1 relever les oscillogrammes caractéristiques. Commenter. Que se passe t-il pour les valeurs extrêmes 0 et 10kΩ ?
C - Déterminer la valeur de Z1 pour laquelle la tension de sortie sature.
D - Quel effet à l’amplitude de la tension sinusoïdale et/ou la fréquence sur la valeur de Z1
que vous venez de déterminer. Commenter.
3.2
Comparateur
3.2.1 Introduction.
Jusqu'à présent, nous avons travaillé essentiellement dans le domaine de l'électronique
linéaire. Si on considère par exemple un quadripôle, le signal de sortie a la même forme
que le signal d'entrée auquel il est proportionnel. Dans le cas d'un circuit actif (amplificateur,
oscillateur), ceci correspond au fait que l'on travaille dans la partie linéaire des caractéristiques des composants actifs. Pour cela, on prend soin de ne pas saturer ni distordre les
signaux, en faisant en sorte que les tensions de sortie des composants actifs n'atteignent
pas leurs valeurs extrêmes: ±12V pour les amplificateurs opérationnels, ou les extrémités de
la droite de charge dynamique des transistors.
Les bascules fonctionnent au contraire en régime de commutation. On ne travaille
plus sur les parties linéaires des caractéristiques.
On dit qu’il y a commutation lorsque la changement de signe de (v+-v-) permet de faire
basculer la tension de sortie de +Vsat à – Vsat. .
Les tensions de sortie des composants actifs ne prenant que l'une ou l'autre de leurs
valeurs extrêmes: 0 ou Vcc dans le cas des transistors, ±12V dans le cas des amplificateurs
opérationnels.
3.2.2 Comparateur à zéro.
Un comparateur est un montage permettant de comparer deux tensions.
Le montage précédent réalise un comparateur à zéro. On remarquera que l’AO est en
boucle ouverte.
Le gain µ étant très grand l’on peut obtenir un comportement en linéaire que si et seulement si :
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− Vsat
+ Vsat
< Ve <
(1)
µ
µ
Manipulation
Ve
+
µ
Vs
A - Réaliser le montage précédent, Prendre une faible amplitude de la tension Ve sinusoïdale et observer Vs . Commenter.
B - Faire varier l’amplitude de Ve . Commenter.
C - En déduire la valeur du gain.
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LE TRANSISTOR
1
1.1
GÉNÉRALITÉS SUR LES TRANSISTOR BIPOLAIRES.
Définitions.
Le transistor bipolaire est un composant électronique à semiconducteur (Silicium ou
Germanium par exemple). Le morceau de semiconducteur qui constitue le transistor bipolaire comprend:
 Une région dopée d'un certain type (p ou n) appelée base.
 Deux régions dopées de type opposé appelées respectivement émetteur et collecteur.
La base est située entre l'émetteur et le collecteur. Suivant le type de dopage on
distingue deux types de transistors:
Transistor npn
type n
émetteur
type
p
Transistor pnp
type n
type p
base collecteur
émetteur
type
n
type p
base collecteur
Les transistors comportent donc trois contacts qui correspondent respectivement à la
base, à l'émetteur et au collecteur. La reconnaissance de chacun de ces trois contacts sur le
composant se fait à l'aide des renseignements fournis par le constructeur. Les symboles du
transistor bipolaire sont:
B
C
E
transistor npn
1.2
C
E
transistor pnp
Présentation.
E
C
1.3
B
B
Le schéma ci-contre représente une vue de dessous du
transistor bipolaire et montre la situation des trois contacts:
Emetteur, Base, Collecteur. Signalons que le collecteur est en
contact avec le boîtier métallique du transistor bipolaire.
Montage.
Malgré le fait que le transistor bipolaire possède trois contacts, il est commode de le
traiter comme un quadripôle un des trois contact étant commun à l'entrée et la sortie du quadripôle. On distingue donc:
Montage en base commune:
entrée entre émetteur et base
sortie entre collecteur et base.
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Montage en émetteur commun:
entrée entre base et émetteur
sortie entre collecteur et émetteur.
Montage en collecteur commun:
entrée entre base et collecteur
sortie entre émetteur et collecteur.
L'étude d'un montage à transistor bipolaire comporte deux étapes:
 L'étude statique, qui s'effectue en régime continu, et dont le but est de polariser le
transistor, c.a.d d'affecter à l'entrée et à la sortie du transistor des valeurs de tensions et de courants continus. Cette étude aboutit à la réalisation d'un montage appelé circuit de polarisation. Le montage généralement adopté pour le circuit de polarisation est le montage émetteur commun, car dans ce cas, l'entrée et la sortie du
transistor, c.a.d. la base et le collecteur peuvent être polarisés à partir d'une seule
source d'alimentation (un seul générateur de tension continue).
 L'étude dynamique, qui consiste à faire osciller les tensions et les courants autour
de leurs valeurs de polarisation, en leur superposant une composante fonction du
temps (sinusoïdale par exemple). C'est le principe de l'amplification. On étudie alors
les amplitudes de ces tensions et de ces courants ainsi que leurs déphasages.
Dans le raisonnement, les notions d'entrée et de sortie définies dans l'étude statique peuvent être modifiées. Ainsi, bien que polarisé en émetteur commun, le transistor peut, en dynamique, fonctionner en base commune, en émetteur commun ou
en collecteur commun. Les tensions et courants du nouveau quadripôle transistor
sont seulement les composantes sinusoïdales. Les tensions et courants de polarisation n'interviennent plus dans le raisonnement qui ce fait d'ailleurs sur des schémas simplifiés ou sur des schémas équivalents.
1.4
Caractéristiques statiques.
Prenons l'exemple très fréquent du montage en émetteur commun.
I
B
C
IC
B
VCE
E
V BE
 V tension base − émetteur
Entrée  BE
 IB courant de base
 V tension collecteur − émetteur
Sortie  CE
 IC courant de collecteur
Les notations sont ici en majuscule car il s'agit ici de tensions et courants continus.
On distingue quatre réseaux de caractéristiques statiques:
 IC=f(VCE) pour diverses valeurs de IB.
 IC=f(IB) pour diverses valeurs de VCE.
 VBE=f(IB) pour diverses valeurs de VCE.
 VBE=f(VCE) pour diverses valeurs de IB.
Ces quatre réseaux de caractéristiques peuvent être rassemblés sur le même diagramme. Un exemple type est donné au paragraphes §1.4. Les deux demi axes des abs-
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cisses repèrent respectivement VCE et IB. Les deux demi axes des ordonnées repèrent respectivement IC et VBE. Finalement, IC et VBE sont portés en fonction de VCE et IB.
1.5
Utilisation des caractéristiques statiques.
On se fixe d'abord un point de fonctionnement caractérisé par les valeurs qu'auront les
quatre paramètres IB, VCE, IC, et VBE lorsque le transistor sera polarisé pour le faire fonctionner en dynamique. Ce point de fonctionnement se retrouve sur les quatre réseaux de caractéristiques: sommet du rectangle tracé en pointillé.
I (mA)
C
I (µA)
B
V
CE
V
BE
(V)
(mV)
Dans le fonctionnement en dynamique I B, VCE, IC, et VBE vont osciller autour du point de
fonctionnement. Si VCE et IB subissent une petite variation ∆VCE=vCE et ∆IB=iB, IC et VBE
subissent également une petite variation ∆IC=iC et∆VBE=vBE. Ces variations sont notées en
minuscules car elles sont fonction du temps. Pour ces petites variations; on peut encore traiter le transistor comme un quadripôle avec :
 v = vBE
à l'entrée  1
 i1 = iB
 v = v CE
à la sortie  2
 i2 = iC
On peut alors exprimer iC et vBE en fonction de iB et vCE, soit encore i2 et v1 en fonction de i1 et v2, en utilisant les paramètres hybrides hij définis par les relations:
i + h12 v 2
 v1 = h111

i + h22 v 2
 i2 = h211
Les paramètres hybrides caractérisent le transistor dans le fonctionnement en dynamique. On peut les déterminer facilement d'après les réseaux de caractéristiques car ils représentent les pentes des caractéristiques au voisinage du point de fonctionnement:
i
h22 = 2
v
2 quand i =0: c'est la conductance vue de la sortie quand l'entrée est en

1
circuit ouvert;
∆ IC
h22 =
∆ VCE quand I est constant: c'est donc la pente de la caractéou encore
B
ristique IC=f(VCE) au voisinage du point de fonctionnement.
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i
h21 = 2
i1 quand v =0: c'est le gain en courant quand la sortie est en court-circuit;

2
∆ IC
h21 =
∆ IB quand V
ou encore
CE est constant: c'est donc la pente de la caractéristique IC=f(IB) au voisinage du point de fonctionnement.

h11 =
v1
i1 quand v =0: c'est l'impédance d'entrée quand la sortie est en court-circuit;
2
∆ VBE
∆ IB quand V
ou encore
CE est constant: c'est donc la pente de la caractéristique VBE=f(IB) au voisinage du point de fonctionnement.
h11 =
v1
v2 quand i =0: c'est l'inverse du gain en tension quand l'entrée est en circuit

1
ouvert;
∆ VBE
h12 =
∆ VCE quand I est constant: c'est donc la pente de la caractéou encore
B
ristique VBE=f(VCE) au voisinage du point de fonctionnement.
h12 =
1.5.1 Remarques:
a Les quatre paramètres hybrides déterminés ainsi par les pentes des caractéristiques
statiques en émetteur commun, sont ceux qui interviennent dans le fonctionnement
dynamique en émetteur commun. Ceux qui interviennent dans les deux autres types
de fonctionnement sont différents. On peut les déterminer :
 soit d'après les réseaux de caractéristiques en base commune ou collecteur commun;
 soit par un calcul simple qui permet de les exprimer en fonction des paramètres hybrides en émetteur commun.
b Les tensions et courants continus VBE=VB-VE, VCE=VC-VE, IB et IC sont des
quantités algébriques. Les sens positif sont indiqués sur la figure du paragraphe §1.4.
Dans le montage en émetteur commun elles doivent être toutes les quatre de
même signe: positives dans le cas d'un transistor bipolaire npn, négatives dans le
cas d'un transistor bipolaire pnp.
1.6
Transistor en commutation
Il est possible de polariser le transistor par la base, c'est le cas dans les circuits numériques. En effet, le transistor peut se trouver soit en mode de saturation, c'est-à-dire, que le
courant de collecteur est très fort (tension collecteur/émetteur quasiment nul), soit en mode
de blocage, c'est-à-dire, que la tension entre le collecteur et l'émetteur est fort (courant quasiment nul). Ce mode de fonctionnement permet de réaliser simplement un inverseur qui
sera l'élément de base pour réaliser des fonctions logiques et notamment un interrupteur.
Vous allez caractériser le transistor bipolaire en commutation. Vous utiliserez pour cela
un transistor bipolaire (J457BC). Pour la polarisation du transistor vous utiliserez la sortie 5V
de l'alimentation. On appliquera ensuite sur la base du transistor une tension en créneaux
(0-5V, utiliser l'offest du GBF) à l'aide du générateur de fonction (GBF). Réalisez le schéma
suivant :
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VCC = 5V
RC
RG
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Les résistances RC et RG permettent de polariser correctement le transistor en limitant les courants.
Si les courants du transistor sont trop forts ils peuvent
le détériorer. RC = 2,2 kΩ et RG = 10 kΩ.
A – Appliquer une tension en créneaux (0-5V) de
fréquence 1 kHz à l'entrée du montage, VE. Comparer
les signaux d'entrée et de sortie (faire un schéma).
B – Comment évolue le signal de sortie par rapport à celui de la tension d'entrée en fonction de la
fréquence ?
S
C – Faire une mesure précise des temps de réponse du transistor. Donner une explication physique
aux résultats expérimentaux.
V
VE
2 GÉNÉRALITÉS SUR LES TRANSISTORS MESFET.
2.1
Diode Schottky
La diode Schottky correspond au dépôt d'un métal sur un semiconducteur, contact MSC. Son principe de fonctionnement est relativement simple. Il est basée sur la différence de
travaux de sortie entre le métal et le semiconducteur. En effet, déposer un métal sur un
semiconducteur ne donne pas systématiquement lieu à un contact ohmique (réponse linéaire entre le courant qui traverse le contact M-SC, I, en fonction de la tension, V, aux
bornes du contact M-SC). Dans certain cas la réponse I(V) correspond à un contact redresseur.
I
I
V
Contact ohmique
V
Contact redresseur
Lorsqu'un métal est en équilibre thermodynamique avec un semiconducteur cela signifie que le niveau de Fermi est aligné dans toute la jonction (M-SC). Si on polarise la jonction
le courant circulera aussi bien dans un sens que dans l'autre, il s'agit d'un contact ohmique.
Dans certain cas pour arriver à cet alignement du niveau de Fermi dans toute la jonction, il
est nécessaire de créer dans le semiconducteur une zone déplétée de charge libre. C'est ce
que l'on appelle la zone de charge d'espace (ZCE). Dans ces conditions aucun courant
électrique ne peut circuler dans la jonction car le champ électrique dans la ZCE s'oppose au
déplacement des porteurs de charge (électron, trou). Si on polarise ce type de jonction, par
exemple pour un contact métal-semiconducteur de type n, avec un tension positive, V, appliquée au semiconducteur par rapport au métal, la ZCE s'agrandit, le courant électrique ne
peut pas circuler. La diode est polarisée en inverse. En revanche, si V est positive alors la
ZCE disparaît et le courant circule. C'est la polarisation directe.
L3 S6 - Physique - Projet tuteuré - 13 -
Projet tuteuré L3 S6.
CNA
ULPH 614
ZCE
Métal
I
SC n
V
V>0
V=0
V<0
ZCE
Dans le cas d'un semiconducteur de type p le résultat sera le même mais pour des polarisation inversée, c'est-à-dire, une tension négative pour une polarisation en inverse et une
tension positive pour une polarisation directe. Noter que le courant en polarisation directe
circule dans le sens inverse au cas du semiconducteur de type p.
ZCE
Métal
I
SC p
V
V>0
V=0
V<0
ZCE
2.2
Le MESFET
On peut facilement appliquer cette technique de modulation de l'épaisseur de la ZCE
pour réaliser un transistor. C'est l'une des techniques utilisée dans le cas du transistor à effet de champ.
VS =
0
n+
n
VG
VD
ZCE
n+
Substrat
Le schéma ci-dessus représente un transistor MESFET. La tension de grille VG permet
de moduler l'épaisseur de la ZCE (zone hachurée) et donc de moduler l'épaisseur du canal
dans lequel circule le courant électrique entre le drain et la source. Si la tension de grille est
suffisamment positive (négative pour SC type p) le canal est pincé. Le courant ne circule
plus. Le transistor est bloqué. Si la tension de grille est nulle le canal est ouvert. Le courant
circule. Le transistor est saturé.
2.3
Le transistor MESFET en commutation
Vous allez caractériser le transistor MESFET en commutation. Vous utiliserez pour cela
un transistor MESFET (ref ???). Pour la polarisation du transistor vous utiliserez la sortie 5V
de l'alimentation. On appliquera ensuite sur la grille du transistor une tension en créneaux
(0-5V, utiliser l'offest du GBF) à l'aide du générateur de fonction (GBF). Réalisez le schéma
suivant :
L3 S6 - Physique - Projet tuteuré - 14 -
Projet tuteuré L3 S6.
CNA
ULPH 614
Les résistances RC et RG permettent de polariser
correctement le transistor en limitant les courants. Si
les courants du transistor sont trop forts ils peuvent le
détériorer. RC = 2,2 kΩ et RG = 390 Ω.
RC
A – Appliquer une tension en créneaux (0-5V) de
fréquence 1 kHz à l'entrée du montage, VE. Comparer
les signaux d'entrée et de sortie (faire un schéma).
B – Comment évolue le signal de sortie par rapRG
port à celui de la tension d'entrée en fonction de la
fréquence ?
S
C – Faire une mesure précise des temps de réE
ponse du transistor. Comparer ces résultats à ceux
obtenus dans le cas du transistor bipolaire. Donner
une explication physique des différences observées entre les deux transistors.
VCC = 5V
V
V
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SECONDE PARTIE
1
CONVERTISSEUR NUMÉRIQUE ANALOGIQUE
Faites une étude bibliographique la plus exhaustive possible sur les principes de
conversion numérique analogique. Vous ferez un résumé bref en essayant de faire ressortir
les quelques grandes techniques de conversion. Faites preuve de pédagogie.
Vous détaillerez plus particulièrement le mode de fonctionnement du convertisseur à réseau R-2R.
2
RÉALISATION D'UN CONVERTISSEUR NUMÉRIQUE ANALOGIQUE À RÉSEAU R-2R
Votre mission, si vous l'acceptez, consiste à réaliser un convertisseur numérique analogique à réseau R-2R. Pour cela vous aurez besoin des notions d'électronique que vous avez
abordées dans la première partie de ce projet tuteuré.
Réfléchissez bien au montage que vous aurez à réaliser en salle de TP. N'hésitez pas à
passer en salle de TP pour voir et vous documenter sur le matériel à utiliser.
Pensez à caractériser les performances votre montage.
N'hésitez pas à venir voir votre enseignant. Il vous conseillera et vous orientera.
Bon courage.
L3 S6 - Physique - Projet tuteuré - 16 -
Projet tuteuré L3 S6.
CNA
ULPH 614
ANNEXE : APPAREILS ET METHODES DE MESURE
1.
1.1
APPAREILS.
Les générateurs.
1.1.1 Générateurs de tension continue (ou Alimentations)
Il s'agit d'appareils fournissant une tension continue indépendante du courant qui les
traverse, donc de générateurs à impédance interne négligeable, du moins dans un certain
domaine de courant.
ALe contrôleur incorporé ne sert qu'à donner l'ordre de grandeur de la tension fournie
et du courant débité. Il ne doit pas être utilisé pour des mesures précises.
Celles-ci devront être effectuées au moyen d'appareils de mesure appropriés (voltmètres et ampèremètres).
A
_
B
+
_
+
Plusieurs alimentations de ce type peuvent être montées en série pour obtenir une tension supérieure. En montant en série par exemple, 2 alimentations de 15Vet 750mA, suivant
le schéma ci-contre, on peut disposer entre les bornes A et B d'une tension allant de 0 à 30
V. Le courant débité par l'ensemble va de 0 à 750 mA.
1.1.2 Générateurs de signaux sinusoïdaux
Les principaux générateurs de signaux sinusoïdaux utilisés sont des générateurs pouvant fournir des signaux de fréquence comprise entre 15Hz et 2 MHz , et de valeur efficace
comprise entre 0 et 10V.
Le réglage de la fréquence s'effectue à l'aide d'un bouton sélecteur de calibre, et d'un
vernier gradué. Le réglage de l'amplitude s'effectue à l'aide d'un bouton gradué, et d'un bouton sélectionnant des calibres d'atténuation de rapport 10.
ALa fréquence des signaux obtenus pourra être lue avec une précision en général
suffisante, sur les boutons de réglage de fréquence. Par contre, l'amplitude
devra être mesurée à l'aide d'un appareil de mesure approprié, l'oscilloscope.
L3 S6 - Physique - Projet tuteuré - 17 -
Projet tuteuré L3 S6.
1.2.
CNA
ULPH 614
Appareils de mesures.
1.2.1 Contrôleurs (Voltmètres - Ampèremètres - Ohmmètres).
1.2.1.1 Généralités.
V
Le voltmètre sert à mesurer la tension entre deux points A et B
d'un circuit. Il devra donc être placé toujours en parallèle.
B
A
L'ampèremètre sert à mesurer le courant dans un circuit ou une
branche AB. Il devra donc être placé toujours en série.
I
B
A
L'ohmmètre sert à mesurer les résistances. Il devra former avec la
résistance à mesurer un circuit fermé.

B
A
1.2.1.2 Utilisation simultanée d'un voltmètre et d'un ampèremètre
Dans certains cas, on peut être obligé de mesurer simultanément le courant traversant
le circuit A et B, et la tension à ses bornes. Deux montages sont possibles :
V
Z
V
A
A
Montage Amont
B
Z
A
B
A
Montage Aval
L'ampèremètre possède en général une impédance interne ZA très faible par rapport à
l'impédance Z du circuit. Le voltmètre possède en général une impédance interne ZV très
grande par rapport à l'impédance Z du circuit. Donc, dans le cas général, si l'impédance Z
du circuit n'est ni très grande ni très petite, les 2 montages seront corrects (ZA << Z << ZV).
Cependant, si l'impédance Z est très faible et comparable à ZA, la présence de l'ampèremètre dans le montage amont modifie de façon conséquente l'impédance du circuit AB, ce
qui fausse la mesure de la tension. Le montage aval sera donc préférable.
Si au contraire, l'impédance Z est très grande et comparable à ZV, la présence du voltmètre en parallèle dans le montage aval modifie de façon conséquente l'impédance du circuit AB, ce qui pousse la mesure du courant. Le montage amont sera alors préférable.
1.2.1.3 Voltmètres et ampèremètres passifs et électroniques.
Un contrôleur passif est constitué d'un galvanomètre donnant une déviation de l'aiguille
proportionnelle au courant qui le traverse, et d'un ensemble de résistances (shunts) qui détermine la fonction (voltmètre ou ampèremètre) et la sensibilité de l'appareil. Dans ce type
d'appareil, l'impédance interne du voltmètre diminue lorsqu'on augmente sa sensibilité ; de
même, l'impédance interne de ampèremètre augmente lorsqu'on augmente sa sensibilité. Il
y aura donc lieu de tenir compte de cela dans le choix entre les montages "amont et "aval",
surtout lorsqu'on devra travailler dans les plus fortes sensibilités (plus faibles calibres).
Un contrôleur électronique comporte des étages amplificateurs alimentés par des piles.
Dans ce type d'appareil, l'impédance interne varie encore comme dans le cas des contrôleurs "passifs" en fonction de la sensibilité de l'appareil, mais l'impédance du voltmètre reste
toujours importante et celle de ampèremètre reste toujours faible, même dans les plus fortes
sensibilités (plus faibles calibres). C'est là l'avantage essentiel des contrôleurs électroniques.
En particulier, le choix entre montages "amont" et "aval" sera très souvent indifférent.
AContrairement au cas d'un contrôleur électronique, le sens de branchement d'un
contrôleur passif n'est pas indifférent. Pour le fonctionnement en voltmètre,
L3 S6 - Physique - Projet tuteuré - 18 -
Projet tuteuré L3 S6.
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ULPH 614
la tension sur la borne "Com" devra être inférieure à la tension sur l'autre
borne. Pour le fonctionnement en ampèremètre, le courant devra sortir par
la borne "Com". Uniquement pour le fonctionnement en ohmmètre, le sens
de branchement sera indifférent.
1.2.1.4 Précautions d'utilisation.
Outre le sens de branchement dans le cas des contrôleurs passifs, certaines précautions sont à respecter, sous peine de détériorer le contrôleur, les éléments du circuit à étudier, ou même un autre appareil.
Montage: Avant de brancher le contrôleur, vérifier qu'il est prêt à fonctionner en voltmètre (sélecteur de calibres) s'il s'agit d'une mesure de tension, et en ampèremètre s'il s'agit
d'une mesure de courant. Ne pas faire ensuite d'erreur sur les bornes de branchement.
Un contrôleur en série fonctionnant par erreur en voltmètre introduit une très forte impédance en série, ce qui équivaut pratiquement à ouvrir la branche et donc à annuler le courant.
De même, un contrôleur en parallèle fonctionnant par erreur en ampèremètre introduit
une très faible impédance en parallèle, ce qui équivaut pratiquement à court-circuiter la
branche et donc à annuler la tension à ses bornes.
Calibre: Si on ne connaît pas l'ordre de grandeur du paramètre à mesurer, on se placera à priori sur le plus gros calibre (sensibilité la plus faible), puis on passera sur des calibres
progressivement plus faibles (on augmentera ainsi la sensibilité) jusqu'à obtenir une déviation de l'aiguille, suffisante pour permettre une lecture précise. Dans tous les cas, on devra
éviter de laisser le contrôleur sur un calibre donnant une déviation de l'aiguille "en butée".
Remarque: En aucun cas les contrôleurs ne devrait être utilisés pour mesurer des signaux périodiques, même sinusoïdaux (sauf éventuellement des signaux sinusoïdaux de
fréquence 5O Hz, ayant leur origine ou secteur). De telles mesures seront faites obligatoirement à l'oscilloscope.
1.2.2 Oscilloscope
L'oscilloscope est un appareil de mesure d'usage très vaste. Malgré une apparence
compliquée, le maniement est relativement simple. Moyennant une bonne attention, la maîtrise de l'appareil peut être rapidement acquise.
C'est un voltmètre perfectionné. Il fait apparaître directement sur un écran, la courbe représentant les variations d'une tension en fonction du temps ou d'une autre tension.
2.
2.1
MÉTHODES DE MESURES.
Mesure d'amplitude et de fréquence avec un oscilloscope.
Veiller à être en position "calibrée". La fréquence sera déduite de la période. Dans le
cas d'une tension sinusoïdale, on aura intérêt à mesurer la valeur "crête à crête", plus facilement lisible, et égale au double de l'amplitude.
L3 S6 - Physique - Projet tuteuré - 19 -
Projet tuteuré L3 S6.
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Exemple :
• Balayage X : 1ms/cm
T=3.3ms d'où f=303Hz
• Déviation Y : 1V/cm
crête à crête 10V
A l'aide des commandes d'offset, on positionnera la figure sur l'écran de façon que la
lecture soit facilitée au maximum.
2.2
Mesure de gain.
Il s'agit de mesurer le rapport des tensions de sortie et d'entrée d'un quadripôle. On utilisera un oscilloscope à 2 traces, en appliquant une tension sur Y1, l'autre sur Y2. Le gain
ne représentant qu'un rapport de tensions, on pourra toujours régler la tension d'entrée v e
en sorte qu'elle ait une valeur numérique simple. La lecture de la tension de sortie v1, donnera alors la valeur du gain sans calcul particulier.
2.3
Mesure de déphasage
Il s'agit de mesurer le déphasage entre 2 tensions sinusoïdales de même fréquence,
par exemple, entre les tensions d'entrée et de sortie d'un quadripôle. La distance D correspond à la période de la fonction sinus, c'est-à-dire 2π. La distance d correspond au déphasage Y à mesurer. On aura :
D ou 2 π
d ou φ
Sortie
Entrée
φ
d
d
=
ou φ = 2Π
2Π
D
D
Noter qu'ici, le déplacement X du spot étant le même pour les deux traces, la position
"calibrée" importe peu. Au contraire, on pourra, en agissant sur le verrier de base de temps
et sur le gain de l'ampli de déviation X, donner à D une valeur numérique simple. La lecture
de d donnera alors la valeur du déphasage en unité 2 π, sans calcul particulier.
L3 S6 - Physique - Projet tuteuré - 20 -
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Sur la figure ci-dessus, D = 8, d = 2 ;
CNA
ULPH 614
Φ = 2π
2 π
=
8 2 . Les 2 tensions sont en quadrature
π
de phase. La sortie est en retard de phase de 2 sur l'entrée.
2.4
Mesure de déphasage par la méthode des courbes de Lissajous
A
C
B
D
Cette méthode est moins précise et, malgré les apparences, plus compliquée que la
méthode précédente. Elle sera exposée ici à titre indicatif, et ne devra être utilisée que dans
le cas où la première méthode serait impraticable (pas d'oscilloscope à 2 traces, par ex).
La 1° tension est appliquée sur l'amplificateur de déviation X :
X = Xm sin( ω t )
.
Y = Ym sin( ω t)
La 2° tension est appliquée sur l'amplificateur de déviation Y :
.
On montre que la courbe obtenue est une ellipse inscrite dans un rectangle de côtés
AB
sin( Φ ) =
CD
2Xm et 2Ym. On a :
Noter que cette mesure ne donne que la valeur absolue de sin( Φ ) et ne renseigne
donc pas sur le signe du déphasage. Du signe du déphasage, dépend le sens de parcours
du spot, perceptible seulement aux très basses fréquences. Les seules conclusions que l'on
puisse raisonnablement tirer de telles mesures sont, outre sin( Φ ) , les suivantes :
φ=0
tensions en
phase
2.5
0<|φ|π/2
|φ|=π/2
tensions en quadrature de phase
π/2<|φ|π
φ=π
tensions en opposition de phase
Mesure de l'impédance d'entrée d'un montage.
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CNA
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r
ie
v
v
e
Ze
Pour les montages étudiées le courant ie est trop faible pour être mesuré directement. On introduira donc en série une résistance ρ entre le générateur de signaux sinusoïdaux et l'entrée du montage. On visualisera respectivement sur les deux traces de l'oscilloscope les tensions: v tension délivrée par le générateur et ve tension d'entrée du montage.
v
v
ve
ie =
=
Ze = ρ
ρ + Z e Z e . Donc l'impédance d'entrée Ze sera donné par:
v − ve .
On a: .
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