Electronique analogique

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1 Haute Ecole d'ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud Département Technologies Industrielles Unité EAN Electronique analogique Des composants vers les systèmes i n s t i t u t d ' A u t o m a t i s a t i o n i n d u s t r i e l l e Prof. Freddy Mudry

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3 "La science, son goût est amer au début mais à la fin, plus doux que le miel" (Plat à décor épigraphique XI-XIIème siècle, Iran ou Transoxiane Le Louvre - Arts de l'islam) i

4 Informations concernant les unités EAN1 - EAN2 Électronique Analogique, Prof. F. Mudry Objectifs A l'issue de ces deux cours, l'étudiant devrait être en mesure de : 1. maîtriser l'application des théorèmes fondamentaux et le calcul des réponses temporelles et fréquentielles pour des circuits électroniques linéaires d'ordre 1 ; 2. expliquer le fonctionnement de circuits à transistors tels que les sources de courant, les amplicateurs EC, diérentiel et push-pull ; 3. calculer les résistances d'entrée, de sortie et le gain en tension d'un circuit sur la base des modèles " petits signaux " ; 4. proposer et calculer des circuits réalisés avec des amplicateurs opérationnels (amplicateurs inverseur, non inverseur, diérentiel) ainsi que des ltres, comparateurs et générateurs de signaux. Remarques 1. Le temps accordé pour les exposés et exercices du cours EAN1 est de cinq périodes hebdomadaires pendant quatorze semaines. Le cours est complété par un laboratoire dont le programme est présenté dans le tableau ci-après. 2. Le cours EAN2 et le laboratoire se donnent pendant le trimestre 5 à raison de quatre périodes hebdomadaires. Le programme détaillé est présenté dans le tableau ci-après. 3. Dans la mesure du possible, les cours et exercices sont donnés en alternance durant deux périodes. 4. Les travaux écrits sont constitués de problèmes similaires à ceux proposés comme exercices. Ils doivent être faits sans note aucune. 5. L'examen de n de module se fera sans document ni calculette et sera constitué d'exercices semblables à ceux du cours. 6. Il est bien clair que ce programme constitue une ligne directrice et qu'il peut être légèrement modié selon les circonstances. Recommandations 1. Les corrigés d'exercices sont donnés dans un fascicule à part. An d'apprendre à résoudre les exercices proposés de manière personnelle et indépendante, celui-ci ne devrait pas être consulté pendant les séances d'exercices. 2. Étant donné qu'aucun formulaire ou document ne sera autorisé pendant les examens, je recommande de résoudre chaque exercice proposé de manière complète à partir des relations et théorèmes fondamentaux. ii

5 Programme du cours EAN1 EAN1 :14 semaines Exposés, exercices : 60 périodes Périodes Total Semaines 1a Modèles de base pour les amplicateurs Circuits à diodes TE + correction Circuits à transistors TE + correction b Utilisation des circuits RC en électronique Applications linéaires des A.O TE + correction 4 60 Laboratoire : 52 périodes = 13 séances Périodes Séances Semaines Initiation à Spice / Matlab Mesures et analyse DC Mesures et analyse AC Mesure et modélisation d'une diode Circuits à transistors A.O. : entre l'idéal et réalité Programme du cours EAN2 EAN2 : 16 semaines Exposés, exercices : 32 périodes Périodes Total Semaines 1 Filtres analogiques actifs Comparateurs, bascules, générateurs de signaux TE + correction Étude de la contre-réaction Oscillateurs quasi-linéaires TE + correction 4 32 Laboratoire : 32 périodes = 8 séances Séances Total Semaines Réalisation et mesure d'un ltre actif 2 8 Comparateurs, bascules, circuits PWM 2 16 Générateurs de signaux 2 24 Oscillateurs commandés en tension (VCO) 2 32 Remarques 1. Le travail en laboratoire se fait par groupe de 2 personnes au plus. 2. Les travaux de laboratoires seront évalués avec les notes de deux rapports au moins. iii

6 Bibliographie commentée A. R. Hambley : " Electronics ", McMillan, 1994 Cet ouvrage complet et didactique (plus de 1200 pages) ore une approche allant du simple vers le compliqué. L'analyse détaillée des circuits est constamment soutenue par l'utilisation de la simulation avec pspice. De très nombreux exemples et exercices avec solution sont proposés tout au long de l'ouvrage. Sa présentation claire et aérée en fait un compagnon de travail agréable. P. Horowitz, W. Hill : " The Art of Electronics", Cambridge University Press, 1989 Ce livre couvre l'ensemble de l'électronique moderne. Il parle aussi bien des composants discrets que des systèmes à microprocesseurs, d'électronique analogique que d'électronique numérique. L'accent est porté sur les considérations pratiques conduisant à la réalisation d'un système électronique. C'est un ouvrage de référence qui peut être consulté avec prot aussi bien par l'étudiant que par l'ingénieur électronicien professionnel. U. Tietze, Ch. Schenk : "Electronic Circuits : Design and Applications", Springer, 1999 Les commentaires de l'ouvrage précédent s'appliquent également à celui-ci. Ils sont d'égale qualité, seul dière le style. J. Millman, A. Grabel : " Microelectronics", McGraw-Hill, 1988 Ce livre d'un millier de pages environ couvre l'ensemble de l'électronique des semiconducteurs modernes. C'est un livre très détaillé, complet et comprenant de nombreux exercices avec réponses. A. P. Malvino : " Principes d'électronique ", Mc Graw-Hill, 1997, 3ème édition Cet ouvrage est intéressant par le fait qu'il présente l'électronique de base de manière essentiellement descriptive. Sa mise en pages est aérée ; on y trouve de nombreux exemples richement illustrés ; la théorie y est bien décrite, sans abus du langage mathématique. En plus, de nombreux exercices sont proposés avec réponses. Thomas L. Floyd : " Composants et systèmes d'applications", Reynald Goulet, 2000 Ce livre qui décrit de manière détaillée les composants et systèmes électroniques peut être considéré comme une bonne introduction à ce cours. iv

7 Table des matières I. EAN 1 : les bases de l'électronique 1 1. Circuits linéaires et amplicateurs Rappel des éléments de base Générateurs de tension et de courant Théorèmes de Thévenin et de Norton Adaptation d'impédance Diviseurs de tension et de courant Théorème de superposition Exemple Amplicateurs linéaires Généralités Amplicateurs unilatéraux Amplicateurs bilatéraux Exemple Modèles unilatéraux pour les amplicateurs Amplicateurs de tension Amplicateurs de courant Amplicateurs à transconductance Amplicateurs à transrésistance Relations entre les quatre représentations Amplicateurs en cascade Amplicateurs diérentiels Modélisation des quadripôles linéaires Généralités Paramètres impédances et admittances Paramètres hybrides Paramètres de transmission Réponses indicielles et fréquentielles des circuits d'ordre Réponses indicielles Réponses fréquentielles Analyse de quelques circuits Réponses indicielles Réponses fréquentielles Exercices v

8 Table des matières 2. Circuits à diodes Description d'une jonction semi-conductrice Caractéristique d'une diode Modèles linéaires d'une diode Exemple de calcul d'un circuit Caractéristique d'une diode Zener Conformateurs à diodes Circuits redresseurs Redresseur avec condensateur de ltrage Hypothèse Tensions continue et résiduelle Redresseur avec condensateur et diode Zener Fonctions non linéaires Exercices Circuits à transistors bipolaires Introduction Équations et caractéristiques d'un transistor Modèle linéaire Domaines de fonctionnement du transistor Circuit général Courant de collecteur Tension de collecteur Tension d'émetteur État de saturation Puissance dissipée par un transistor Exemple Polarisation Convention d'écriture Modèle grands signaux Amplication Modèle petits signaux Calcul des paramètres petits signaux Amplicateur de tension Point de fonctionnement Amplication Exemple Sources de courant Domaine de fonctionnement Résistance de sortie Miroir de courant Amplicateur à collecteur commun Paramètres de l'amplicateur CC Amplicateur diérentiel Point de fonctionnement en mode commun Amplicateur équivalent Eet d'une source de courant réelle Caractéristique complète de l'amplicateur diérentiel Amplicateur push-pull vi

9 Table des matières Gain en tension, résistances d'entrée et de sortie Calcul d'un amplicateur à plusieurs étages Points de fonctionnement Paramètres diérentiels Modèles d'amplication de chaque étage Amplicateur complet Simulation Spice Comparaison des résultats obtenus Exercices Applications linéaires des amplicateurs opérationnels Préliminaire Description de l'amplicateur opérationnel Modèle d'un amplicateur opérationnel AO avec une réaction négative ou positive Équations associées à l'ao idéal Circuits de base Amplicateur inverseur Amplicateur sommateur Amplicateurs non-inverseur et suiveur Amplicateur général Amplicateur diérentiel : cas idéal Amplicateur diérentiel : cas réel Circuits dépendants de la fréquence Circuit de base Intégrateur Dérivateur Filtre passe-bas Filtre passe-haut Filtre passe-bande Filtres correcteurs d'amplitudes Imperfections des amplicateurs opérationnels Gain DC limité Bande passante de l'amplicateur opérationnel Réponses de l'amplicateur non-inverseur Taux de variation limité (slew-rate) Tension de décalage Courants de polarisation Exercices II. EAN 2 : des composants aux systèmes Réalisation de ltres analogiques Filtres d'ordre Formes canoniques Filtres fondamentaux d'ordre Circuit R L C Analyse fréquentielle vii

10 Table des matières Analyse temporelle Cellules d'ordre Cellules à gain xe Cellules à gain variable Cellules à gain négatif Comparaison selon les types de cellules Eet des imperfections de l'ao Filtres optimums Filtre idéal Filtres réels Approximations d'un ltre idéal Quel ltre choisir? Filtres normalisés Transformations à partir d'un ltre passe-bas Filtres normalisés Exemple Calculs de quelques ltres Filtre passe-bas de Butterworth Filtre passe-bas de Bessel Filtre passe-bas de Tchebyche Filtre passe-haut de Tchebyche Filtre passe-bande de Butterworth Filtre coupe-bande de Butterworth Circuit universel Un exemple de ltre universel Exercices Comparateurs et générateurs de signaux Introduction Comparateurs à hystérèse Comparateurs à seuils symétriques Comparateurs à seuils variables Exemples Comparateur à collecteur ouvert Réglage de température à l'aide d'un comparateur Bascules ou circuits astables Bascule à cycle symétrique Bascule à cycle non symétrique Bascule unipolaire Générateurs de signaux Signaux carrés et triangulaires Oscillateur à fréquence variable (VCO) Signaux sinusoïdaux Exercices Étude de la contre-réaction Introduction Équations de la contre-réaction Contre-réaction et amplicateurs Amplicateur non-inverseur viii

11 Table des matières Amplicateur inverseur Convertisseur courant-tension Propriétés de la contre-réaction Stabilisation du gain en boucle fermée Augmentation de la bande-passante Réduction du bruit Diminution de la distorsion non-linéaire Modication des impédances d'entrée et de sortie Conclusion Amplicateurs et contre-réaction Deux approches complémentaires Les quatre types de contre-réaction (CR) Propriétés Exercices Oscillateurs quasi linéaires Éléments de base Boucle de réaction et oscillation Circuits de réaction Contrôle de l'amplitude et stabilité de la fréquence Oscillateur à déphaseur CR Circuit déphaseur Fréquence d'oscillation Maintien de l'amplitude Schéma de l'oscillateur Gain non linéaire Oscillateur de Wien Fréquence de l'oscillation Maintien de l'amplitude Gain non linéaire Oscillateur en quadrature Fréquence de l'oscillation et maintien de l'amplitude Gain non linéaire Considérations sur le contrôle de l'amplitude Analyse du limiteur d'amplitude Calcul des composants Signaux et analyse spectrale Exercices III. Schémas et histoire Schémathèque de montages à amplicateurs opérationnels Naissance de l'électronique moderne 295 ix

12 Table des matières x