Licence EEA Semestre 3. Cahier de Travaux Pratiques d'electronique. Responsable : Mr Ternisien,

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1 Licence EEA Semestre 3 Cahier de Travaux Pratiques d'electronique Responsable : Mr Ternisien, marc.ternisien@laplace.univ-tlse.fr

2 Introduction Préambule aux enseignements d'electronique L électronique est une science de l ingénieur qui consiste à étudier et concevoir des dispositifs effectuant un traitement non linéaire des signaux électriques, c'est-à-dire courant ou tension électrique, porteurs d information ou d énergie. Dans cette définition, la notion de l information est considérée dans son sens le plus large : elle désigne toute grandeur (physique, telle que la température ou la vitesse, ou abstraite, telle qu un son, une image ou un code) qui évolue en temps réel selon une loi inconnue à l avance. Comme tous les automatismes, les systèmes électroniques bien conçus comportent deux parties : l une, opérative, gère les signaux de puissance porteurs d'énergie (courants forts), l autre, informationnelle, gère les signaux porteurs d information (courants faibles). Disciplines de l électronique L électronique est une famille de disciplines se distinguant suivant le type de signal traité, la famille d application ou encore le niveau hiérarchique qu occupe l élément étudié dans le système global. Parmi les différents types de signaux on distingue : - Le signal informationnel numérique (électronique numérique) - Le signal informationnel analogique (électronique analogique) (cours F. Morancho) - Le signal de puissance (électronique de puissance) Il existe aussi toute une partie de l'électronique concernant l'électronique mixte (systèmes dans lesquels coexistent les signaux numériques et analogiques) Figure 1 : Exemple d un circuit électronique mixte comprenant des blocs analogiques, numériques et de puissance. L électronique est un secteur qui est appelé à continuer sa forte croissance dans les années à venir. En effet, on a déjà assisté à l explosion de la téléphonie mobile, des ordinateurs et des lecteurs DVD par exemple.

3 Un autre exemple de notre vie quotidienne est l automobile : l électronique y a été introduite par vagues successives. La première a été initiée en 1974 par les législations sur l environnement qui ont conduit à l introduction de commandes du contrôle du moteur. La deuxième a été déclenchée par l introduction sur le marché de nouveaux dispositifs de sécurité comme l ABS et l airbag qui sont apparus respectivement en 1978 et La troisième vague provient de la large introduction des systèmes de transport intelligent qui sont entrés sur le marché en La quatrième vague, dont les premiers systèmes sont apparus en 2000, consiste à remplacer les systèmes mécaniques et hydrauliques, souvent lourds et coûteux, par des systèmes électroniques. La vague actuelle consiste à remplacer les moteurs thermiques, gros consommateurs des réserves mondiales de pétrole, par des moteurs hybrides, qui résultent de l association d un moteur thermique et d un moteur électrique (Figure 2-a) ou par des moteurs entièrement électriques (Figure 2-b). Afin d illustrer les différentes fonctions de l électronique qui vont être étudiées lors de cette année universitaire, un exemple de circuit électronique utilisé dans l automobile moderne est présenté dans ce préambule : il s agit du circuit d allumage automatique des phares d une automobile en cas d obscurité. Depuis quelques années déjà, cette fonction électronique est présente sur de nombreux modèles : un composant électronique appelé photo-détecteur (cela peut être une photodiode, un phototransistor ou une photorésistance) situé dans le pare-brise ou à proximité de celui-ci, réagit différemment selon qu il est ou non exposé à la lumière. Ce photo-détecteur commande ainsi un circuit qui déclenche l allumage ou l extinction des phares de l automobile. a) b) Figure 2 : Exemple d automobiles modernes : a) la Toyota Prius hybride, b) la Tesla Model S électrique ; un photodétecteur placé sur la planche de bord détecte l obscurité (ou la lumière) et allume (ou éteint) automatiquement les phares. Exemple de circuit analogique et d'approche par bloc La figure 3 montre l intégralité d un circuit de commande d allumage automatique des phares. Il est composé de plusieurs blocs fonctionnels : - un bloc détection de l obscurité qui est un phototransistor (c est le capteur) alimenté sous + 12 Volts qui délivre un courant proportionnel à l intensité lumineuse détectée,

4 - un bloc de conversion effectuant ici la conversion courant-tension, - un bloc conditionneur du signal multifonctionnel effectuant ici amplification, filtrage et décalage de la tension, - un bloc comparateur dont la sortie permet l allumage ou l extinction des phares (qui sont ici les actionneurs). Figure 3: Circuit de commande d allumage automatique des phares d une automobile en cas d obscurité. On peut voir que, pour réaliser ces blocs fonctionnels, on a besoin de composants électroniques de base : des capteurs, des composants passifs (résistances, condensateurs, inductances) et des composants actifs (amplificateurs opérationnels, diodes, transistors ). Lors de ce 1 er semestre, certaines de ces fonctions analogiques seront étudiées : le filtrage (passif et actif), l amplification et l intégration. Les étudiants qui poursuivront dans l option EEA au second semestre étudieront d autres fonctions : la source de courant, la conversion d impédance (résistance négative, simulateur de capacité ou d inductance), le comparateur, la bascule de Schmitt, L'objectif pour cette année est de vous permettre d appréhender un certain nombre de blocs fonctionnels pour pouvoir par la suite (L3, Master) les assembler de manière à créer des dispositifs de traitement de l'information plus complexes.

5 L1EEA : Fiche récapitulative de connaissances et compétences Semestre 2 Connaissances Acquises Ø Connaître les éléments théoriques nécessaires à la compréhension des phénomènes électriques Compétences Acquises Ø Déterminer les grandeurs électriques dans un circuit Ø Modéliser un circuit par un schéma équivalent et résoudre les équations mathématiques associées Compétences Consolidées Ø Compétences issues du S1 et de la terminale

6 L2EEA : Fiche récapitulative de connaissances et compétences Semestre 3 Connaissances Acquises Ø Notion d Ampli de Tension et de filtrage du 1 e ordre passif Ø Fonctionnement d AOP en régime linéaire Ø Lecture de Datasheet associée à l utilisation d AOP Ø Utilisation d outils de caractérisation électrique (Oscilloscope, Multimétre) Compétences Acquises Ø Maîtriser les mesures électriques en continu et alternatif (oscilloscope - multimètre) ainsi que leur interprétation Ø Mesurer la fonction de transfert d un quadripôle simple (amplificateur, filtre premier ordre) et la tracer dans le Plan de Bode. Ø Comprendre et vérifier les données techniques (datasheet) d un amplificateur opérationnel à l aide de mesures Ø Savoir définir un filtre (Nature, sélectivité) Compétences Consolidées Ø Application des théorèmes de l électrocinétique Ø Utilisation des complexes et notion d impédance associée

7 Semestre 4 Connaissances Acquises Ø Utilisation de montages AOPs pour des circuits spécifiques (Filtrage du second ordre, Oscillateurs, Comparateurs) Ø Maitrise des techniques de mesures de circuits (Oscilloscope, Multimètre) Compétences Acquises Ø Concevoir et réaliser un circuit électrique à base d un ou 2 AOPs pour des fonctions simples (Amplification, Filtrage, Oscillateurs) Ø Maitrise des mesures électriques et interprétations Ø Analyse d un circuit et déduction de sa fonction Ø Compétences du programme de S3 Ø Compétences Consolidées

8 L3EEA : Fiche récapitulative de connaissances et compétences Semestre 6 Connaissances Acquises Ø Caractéristiques des matériaux SC et leur utilisation en fonctionnement transistor Ø Propriétés des montages à base de composants actifs Ø Approfondissement des connaissances de l AOP et les types de contre réaction associées Compétences Acquises Ø Analyse à l aide d outils mathématiques de structures de circuits complexes comportant un ou plusieurs composants actifs Ø Proposer, concevoir, tester et valider un cahier des charges concernant un montage avec plusieurs composants actifs Compétences Consolidées

9 TP 1 : QUADRIPOLE AMPLIFICATEUR DE TENSION Objectifs : - Mesurer le facteur d amplification en tension d un amplificateur. - Mesurer l impédance d entrée d un amplificateur de tension. - Mesurer l impédance de sortie d un amplificateur de tension. Tout circuit amplificateur peut être représenté sous la forme d un quadripôle caractérisé par son impédance d entrée Z E, son impédance de sortie Z S et son facteur d amplification en tension à vide A V0 (figure 1). On se propose de déterminer : Figure 1 1- Le facteur d amplification en tension à vide de l amplificateur Dans un premier temps, on appliquera, à l aide d un générateur basse fréquence (GBF), un signal sinusoïdal de fréquence 1 khz et d amplitude 1 V à l entrée du montage. a- Qu observe-t-on sur l oscilloscope pour le signal de sortie? Pour quelle raison? Comment y remédier? On applique maintenant le même signal avec une amplitude de 50 mv. b- Quel est le déphasage entre le signal de sortie et le signal d entrée? Quelle est la conséquence pour le signe du facteur d amplification à vide A V0? c- Mesurer l amplitude du signal de sortie et en déduire A V0. 2- L impédance d entrée du montage La méthode consiste à ajouter une résistance R en série entre le GBF et l entrée de l amplificateur (figure 2). On réalise alors un pont diviseur de tension avec Z E. a- Exprimer Z E en fonction de R, U g et U E. Insérer une résistance R = 1 kw entre le GBF et l entrée du montage. Appliquer un signal sinusoïdal de fréquence 1 khz. b- Mesurer les amplitudes de U g et U E. En déduire Z E. c- Augmenter progressivement la fréquence. Qu observe-t-on pour les signaux U g et U E? Conclure.

10 3- L impédance de sortie du montage Figure 2 La méthode consiste à mesurer la tension de sortie à vide U S0 et la tension de sortie en charge U SCH (avec une résistance de charge R CH) en considérant l amplitude du signal d entrée constante (figure 3). a- Exprimer U S0 en fonction de A V0 et U E. b- La résistance de charge étant connectée, exprimer U SCH en fonction de U S0, Z S et R CH. En déduire l expression de Z S. c- L amplitude du signal d entrée étant constante, mesurer U SCH et U S0 en choisissant une résistance R CH adéquate. En déduire Z S. Figure 3

11 TP 2 : FILTRAGE PASSIF Les calculs préalables doivent être réalisés avant la séance de TP. Objectifs : Ø Identifier et définir un filtre. Ø Mesurer une amplitude et calculer le gain d un montage. Ø Déterminer par la mesure la fréquence de coupure à -3 db d un montage. Ø Mesurer un déphasage entre deux signaux. Ø Représenter le gain et le la phase d un montage dans le plan de Bode. Un filtre permet de sélectionner une bande de fréquences spécifiques aux applications souhaitées, tout en éliminant les fréquences indésirables en dehors de cette bande. Dans le cas d une enceinte acoustique Hi-Fi, les filtres permettent par exemple de n appliquer à chacun des 2 voire 3 haut-parleurs basses (boomer), moyennes (medium) et aiguës (tweeter) que des fréquences qui correspondent à la bande passante du hautparleur. Une fréquence élevée appliquée à un haut-parleur de type boomer serait restituée de manière très médiocre, et réciproquement une fréquence basse appliquée à un haut-parleur de type tweeter pourrait conduire à une dégradation (voire la destruction) de la membrane du haut-parleur. Le montage de la figure 1 (R = 33 kw) sera également étudié en régime de fonctionnement sinusoïdal dans le TP 3. Figure 1 Le signal U in est appliqué sur le montage à l aide d un générateur BF sinusoïdal de fréquence variable. Les signaux U in(t) et U C(t) seront observés sur les voies de l oscilloscope. L amplitude de ces signaux ainsi que le déphasage de U C(t) par rapport à U in(t) seront également mesurés sur l oscilloscope. 1. Calculs préalables a- Écrire la fonction de transfert du montage T = U C en faisant apparaître la pulsation particulière w 0. T = U C U in = b- Établir les expressions du facteur d amplification et du gain en tension du montage. c- Tracer le diagramme asymptotique du gain sur papier millimétré semi-logarithmique. d- Vérifier l ordre et la fonction de ce filtre. U in e- Déterminer par le calcul l expression de la pulsation de coupure w C à - 3 db de ce filtre. Quelle doit être la valeur de la capacité du condensateur si on désire une fréquence de coupure f C = 482 Hz?

12 f- Établir l expression du déphasage de U C(t) par rapport à U in(t) en fonction de w. e- Tracer le diagramme asymptotique du déphasage. Quelle est la valeur du déphasage pour w = w C? G( jω) = w C = Déphasage : ϕ Uc = /U in (ω C ) 2. Mesures en amplitude et en phase a- Réaliser le montage de la figure 1. b- Déterminer le gain en tension et le déphasage de U C(t) par rapport à U in(t) du montage pour 16 valeurs de fréquences choisies judicieusement et comprises entre 50 Hz et 1 MHz. c- Mesurer en particulier la fréquence de coupure f C à - 3 db et comparer à la théorie. Pour ce faire : Ø Déterminer le facteur d amplification maximal du filtre (A Vmax) obtenu dans la bande passante Ø Rechercher la fréquence f = f C pour laquelle le facteur d amplification du filtre est égal à. 2 f (Hz) 50 f c = U in (V) U C (V) A Vmax A V A V A Vmax G V (db) f f (Hz) 10 6 U in (V) U C (V) A V G V (db) f 3. Diagramme de Bode en phase À partir des mesures effectuées : a- Tracer sur papier millimétré semi-logarithmique la courbe de variation du gain en tension. b- Effectuer le tracé du déphasage sur papier semi-log. c- Comparer les résultats expérimentaux et théoriques. Discuter.

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16 TP 3 : ÉTUDE EN CONTINU (DC) DE MONTAGES AMPLIFICATEURS À BASE D'AMPLIFICATEURS OPERATIONNELS Afin de bien préparer ces manipulations, il est fortement conseillé d'étudier au préalable le cours et les TD Consacrés à l'amplificateur Opérationnel en régime linéaire : qualités, défauts, montages amplificateurs de base. Objectifs : Ø Savoir lire des fiches techniques de composants et en extraire les données importantes. Ø Savoir câbler et alimenter un amplificateur opérationnel. Ø Savoir réaliser un montage amplificateur non inverseur. Ø Donner (sans calcul) la fonction de transfert d un amplificateur non inverseur. Ø Savoir mesurer le gain en tension d'un amplificateur non inverseur. Ø Assimiler les limitations en DC d'un AOP. I. Rappels sur les Amplificateurs Opérationnels (AOP) Afin de pouvoir réaliser les différentes manipulations dans les 2 derniers TP, nous allons faire un bref rappel sur le fonctionnement d un AOP. Ceci, bien sûr, ne vous dispense en rien de réviser au préalable vos cours et TD afin d être plus efficace. Que faut il savoir? 1- Un AOP est un composant actif qui se présente sous la forme d un quadripôle tel que la tension qu il délivre à sa sortie soit proportionnelle à la différence des deux tensions d entrée : c est un amplificateur différentiel. 2- Pour réaliser cette fonction, il faut lui fournir une énergie extérieure via une tension d alimentation V + et V -. Cette tension sert à polariser les transistors qui le constituent et lui permettent de remplir sa fonction d amplification. Représentation L AOP est généralement représenté sous la forme d un symbole comportant ses 2 tensions d entrée (E + pour la non inverseuse et E - pour l inverseuse) ainsi que ses tensions d alimentation V + et V - et sa tension de sortie U s. Un AOP permet donc amplifier la tension différentielle d entrée e = E + - E -. On récupère donc en sortie une tension U S = A.e, A représentant le facteur d amplification en boucle ouverte ayant une valeur très élevée (10 5 ). Domaine d utilisation La tension de sortie U s étant proportionnelle à la tension différentielle d entrée e, on peut représenter les caractéristiques de sortie de la manière suivante. Cette représentation s appelle le régime linéaire de

17 l AOP. Comme cela a été en vu en cours, +V sat et V sat représentent les tensions de saturation de l AOP (ces valeurs de tension sont généralement proches de celles de V + et V - ). Étant donné le gain important de ce dernier, il faudrait travailler avec de très faibles valeurs de e, ce qui est quasiment impossible : sans contrôle de cette dernière, on arrive vite à U s = +/- V sat. Pour résoudre ce problème, on utilise une contre-réaction en reliant l entrée inverseuse à la sortie de l AOP. C est le cas du montage non inverseur que nous allons étudier. I. Questions préliminaires Lecture de fiches techniques Sur les plaquettes utilisées en TP, se trouvent des AOP classiques dont les références sont les suivantes : LM741 et LF355. En se référant aux fiches techniques en fin de cahier, répondre pour les deux types d'amplificateurs opérationnels aux questions suivantes (1) : 1. Quelle est la tension nominale d alimentation qu il faut utiliser? 2. Quel est le gain (en toute rigueur, le facteur d amplification) en tension en continu de l AOP en boucle ouverte? 3. Quelle est l'impédance d'entrée du composant? 4. Sous la tension nominale d alimentation, quel courant maximum le composant pourra-t-il débiter? Type de composant Tension alim V supply (V) Gain boucle ouverte continu Open loop Voltage gain Impédance d'entrée Input impedance Z in (W) Courant maximum à débiter (ma) (1) On peut se référer au lexique en fin de cahier pour comprendre les termes utilisés dans les datasheets II. Amplificateur non inverseur à vide 1. Faire le montage de la figure 1 en prenant R 1 = 1 kw et R 2 = résistance variable. La tension d'entrée U E est choisie à 1,5 V et doit être fournie par le générateur basse fréquence (GBF) dont on n'utilisera que la partie continue. Placer un voltmètre en sortie. Faire vérifier le montage avant de mettre sous tension l'alimentation. 2. Mesurer la tension de sortie pour diverses valeurs de R 2 et tracer U s = f(r 2). Comparer les résultats expérimentaux et théoriques. Discuter.

18 R 2 (W) k 100 k 200 k U S (V) 3. Prendre U E = 0 V. Qu'observe-t-on en sortie? Peut-on l'expliquer? III. Amplificateur non inverseur en charge 1. Pour cette partie, fixer le facteur d amplification en tension à 11 en gardant R 1 = 1 kw. Pour cela, remplacer la résistance variable R 2 par une résistance fixe dont vous calculerez la valeur. R 2 = 2. Régler la tension d'entrée pour avoir une tension de sortie de 10 V. 3. Placer en sortie une résistance de charge R CH variable préréglée à 1MW en série avec une résistance de protection de R p=50w. Ø Mesurer la tension de sortie aux bornes de R T (R T = R P + R CH). Ø En déduire le courant qui passe dans R T. 4. Faire varier progressivement R CH jusqu'à une valeur de 10 W en relevant la tension et déduisant le courant passant dans R T. R CH (W) 1 M 100 k 1 k 10 U RT (V) I (A) 5. Tracer sur papier semi-logarithmique la courbe I(R T) ou I est le courant qui passe dans R CH. Ø Qu'observe-t-on? Interpréter à partir des relevés. Ø Quelle conclusion peut-on tirer sur la/les saturations d'un amplificateur opérationnel?

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21 TP 4 : AMPLIFICATEUR INVERSEUR REPONSE EN FREQUENCE Afin de bien préparer ces manipulations, il est fortement conseillé d'étudier au préalable le cours et les TD consacrés à l'amplificateur Opérationnel en régime linéaire : qualités, défauts, montages amplificateurs de base. Objectifs : Ø Savoir lire des fiches techniques de composants et en extraire les données importantes. Ø Savoir câbler et alimenter un amplificateur opérationnel. Ø Savoir réaliser un montage amplificateur inverseur. Ø Donner (sans calcul) les gains en tension d'un amplificateur inverseur. Ø Assimiler la réponse en fréquence d'un AOP. I. Questions préliminaires Lecture de fiches techniques En se référant aux fiches techniques des amplificateurs du TP précédent : 1. Relever sur papier semi logarithmique le gain à vide de l AOP utilisé. 2. Relever le produit gain-bande du composant utilisé. Que signifie cette grandeur? 3. Quelle est la vitesse de balayage (slew rate) de votre AOP? Que signifie cette grandeur? Type de composant Gain boucle ouverte continu Open loop Voltage gain Produit gain bande (ou fréquence de transition) Vitesse de balayage Slew rate (V/ms) II. Amplificateur inverseur, réponse en fréquence 1. Faire le montage de la figure 1. On fixe un facteur d amplification constant voisin de 100 en prenant R 1 = 1 kw. Déterminer la valeur de R 2. R 2= La tension d'entrée du montage est fournie par le générateur BF. Les mesures se font avec le voltmètre à basse fréquence et avec l'oscilloscope à plus haute fréquence. Faire vérifier le montage.

22 2. Pour une fréquence de 1000 Hz et une tension u E = 200 mv crête à crête, déterminer le facteur d'amplification A V en tension avec précision. Relever et expliquer l allure des signaux observés à l'oscilloscope. A V = Relevé des signaux Échelle de temps : Tension voie 1 : Tension voie 2 : 3. Pour cette même fréquence, placer en sortie une résistance R CH variable et la faire varier de 100 kw à 50 W. Qu'observe-t-on? Expliquer. 4. On retire la résistance de charge. Faire varier la fréquence (en maintenant constante, si nécessaire, la tension d'entrée u e) et tracer, sur le relevé du gain à vide réalisé en partie I, les variations du gain de la fonction de

23 transfert du montage en fonction de la fréquence jusqu à 2 MHz. f (Hz) 50 f c = U E (V) U S (V) A V A V A Vmax G V (db) f f (Hz) 2 M U E (V) U S (V) A V G V (db) f Conclure, sur le produit «gain * bande passante» notamment par «gain», on entend ici «gain linéaire», c est-à-dire, en toute rigueur, le facteur d amplification Pour aller plus loin III. Amplificateur sommateur inverseur 1. Faire le montage de la figure 2. L expression de la tension de sortie U S dépend des tensions d entrée E 1, E 2 et E 3 selon l expression suivante (cf cours) : U S =-4R.( E 1 4R + E 2 2R + E 3 R ) =- (E E E 3 ) Ce montage se comporte comme un sommateur pondéré vis-à-vis de chaque entrée. Une application immédiate pourrait être la pondération par les puissances de 2 qui conduit à une conversion digitale analogique. Par exemple, si la tension d entrée est égale à 1 Volt, le nombre binaire 101 donnera :

24 E 1 = 1 V, E 2 = 0 V, E 3 = 1 V et, par conséquent : U S = - 5 V Cette valeur (en fait, plus précisément, la valeur absolue de la tension de sortie) correspond bien à la valeur décimale du nombre binaire Vérifier le bon fonctionnement de ce convertisseur numérique / analogique en essayant plusieurs combinaisons (= nombres binaires) à l entrée. 3. Faire la somme d un signal sinusoïdal de 2 V d amplitude crête-à-crête sur E 1 et de deux signaux continus de 1,5 V (pile) sur E 2 et de 1 V (alimentation variable) sur E 3. Mes notes

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