Paul Horowitz & Winfield HiIl

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2 m m Pul Horowitz & Winfield HiIl I l, m VOLUME 1 TECHNIQUES ANALOGIQUES m m m m m m / l E LE KTO R m m m m

3 TABLE DES MATIÈREiS PRÉFACE XVII 1 LES BASES INTRODUCTION 1 TENSION. COURANT ET RÉSISTANCE 1.1 Tension et cournt Reltion entre tension et cournt : l résistnce Diviseurs de tension Sources de tension et sources de cournt Circuits équivlents de Thévenin Résistnce dynmique SIGNAUX 1.7 Signux sinusoïdux Amplitudes des signux et décibels Autressignux Niveux logiques Sources de signux CONDENSATEURS ET CIRCUITS ALTERNATIFS 1.12 Condensteurs Circuits RC : tension et cournt en fonction du temps Différentiteurs Intégrteurs INDUCTANCES ET TRANSFORMATEURS 1.16 Inductnces Trnsformteurs Anlyse en fréquence de circuits réctifs Filtres RC Digrmme de phse Pôles et décibels pr octve Circuits résonnts et filtres ctifs Autres pplictions des condensteurs Générlistion du théorème de Thévenin DIODES ET CIRCUITS À DIODES 1.25 Diodes Redressement Filtrge d'limenttion Configurtions de redresseurs pour limenttions Régulteur Applictions prtiques des diodes Chrges inductives et protection pr diode AUTRES COMPOSANTS PASSIFS 1.32 Composnts électro-mécniques Indicteurs Composnts vribles EXERCICES COMPLÉMENTAIRES

4 TABLE DES MATIÈRES 4.30 O Commutteur linéire JFET vec compenstion de RON O Détecteur de pssge à zéro ITL O Circuit de lecture du cournt de chrge COMPENSATION DE FRÉQUENCE D UN AMPLIFICATEUR À RÉTROACTION Gin et déphsge en fonction de l fréquence Méthodes de compenstion d un mplificteur O Réponse en fréquence du réseu de rétroction CIRCUITS QUI S EXPLIQUENT D EUX-MÊMES Idéesdecircuit Muvis circuits EXERCICES COMPLÉMEWAIRES FILTRES ACTIFS ET OSCILLATEURS FILTRES ACTIFS Réponse en fréquence des filtres RC Crctéristiques idéles des filtres LC Introduction ux filtres ctifs Principux critères de qulité des filtres Types de filtres CIRCUITS DE FILTRES ACTIFS Circuits à source commndée Notre tbleu simplifié pour le clcul des filtres à VCVS Filtres progrmmbles O Filtre de réjection en double T O Filtres à gyrteur Filtres à commuttion de condensteur OSCILLATEURS 5.12 Introduction ux oscillteurs Oscillteurs à relxtion Circuit temporisteur clssique : le Oscillteurs commndés en tension Oscillteurs en qudrture O Oscillteur à pont de Wien O Oscillteurs LC Oscillteurs à qurtz CIRCUITS QUI S EXPLIQUENT D EUX-MÊMES 5.20 Idées de circuit EXERCICES SUPPLÉMENTAIRES RÉGULATEURS DE TENSION ET CIRCUITS DE PUISSANCE RÉGULATEURS DE BASE AVEC LE CLASSIQUE Le régulteur Régulteur positif Régulteur à fort cournt CHALEUR ET SC&MAS DE PUISSANCE 6.4 Trnsistors de puissnce et évcution de l chleur O Limittion de cournt pr repliement PFotection contre les surtensions Considértions nnexes sur l conception des limenttions à fort cournt X

5 TABLE DES MATIÈRES 6.8 O Alimenttions progrmmbles O Exemple de circuit d limenttion Autres circuits intégrés régulteurs ALIMENTATION NON RÉGULÉE Composnts côté secteur Trnsformteur Composnts en continu RÉFÉRENCES DE TENSION 6.14 O Diodes Zener O Références à brrière de potentiel ( VBE) RÉGULATEURS À TROIS BORNES ET À QUATRE BORNES 6.16 Régulteurs à trois bornes Régulteurs tripodes justbles Commentires sur les régulteurs tripodes Régulteurs à découpge et convertisseurs continu-continu ALIMENTATIONS À USAGE SPÉCIAL 6.20 O Régulteurs à hute tension O Alimenttions à fible bruit et à fible dérive O Régulteurs à micropuissnce Convertisseursdetensionàcondensteursflottnts(pompesdechrge) Alimenttions à cournt constnt Modules d limenttion du commerce CIRCUITS QUI S EXPLIQUENT-D EUX-MÊMES 6.26 Idées de circuits Muvises idées EXERCICES SUPPLÉMENTAIRES CIRCUITS DE PRÉCISION ET CIRCUITS À FAIBLE BRUIT TECHNIQUES DE CONCEPTION DE CIRCUITS DE PRÉCISION À AMPLIFICATEURS OPÉRATIONNELS 7.1 Précision et plge dynmique Budget d erreur Exemple de circuit : mplificteur de précision vec compenstion utomtique du déclge Budget d erreur d un circuit de précision Erreurs des composnts Erreurs d entrée de l mplificteur Erreurs de sortie de l mplificteur Amplificteurs à zéro utomtique (à découpge) AMPLIFICATEURS DIFFÉRENTIELS ET AMPLIFICATEURS DE MESURE Amplificteur de différence Amplificteur de mesure stndrd à trois mplificteurs opértionnels BRUIT INTRINSÈQUE DES AMPLIFICATEURS Origines et sortes de bruit Rpport signl-bruit et fcteur de bruit Tension et cournt de bruit de l mplificteur à trnsistors Montges à fible bruit à trnsistors Bruit des FET Choix des trnsistors à fible bruit O Bruit des mplificteurs différentiels et des mplificteurs à rétroction XI

6 TABLE DES MATIÈRES 0 MESURES DE BRUIT ET SOURCES DE BRUIT Mesure sns source de bruit O Mesures vec une source de bruit O Sources de bruit et de signux O Limittion de l bnde pssnte et mesure de tensions efficces Pot pourri de bruit INTERFÉRENCES : BLINDAGE ET MISE À LA TERRE 7.23 Prsites Msses de signl O Rccordement de l msse entre les ppreils CIRCUITS QUI S EXPLIQUENT-D EUX-MÊmS 7.26 Idées de circuits EXERCICES SUPPLÉMENTAIRES 470 APPENDICES APPENDICE A: L OSCILLOSCOPE APPENDICE B: RAPPEL DE MATHÉMATIQUES APPENDICE c : CODE DE COULEURS DES &SISTANCES À 5% APPENDICE D : &SISTANCES DE PRÉCISION À I % APPENDICE E: COMMENT DESSINER LES SCHÉMAS APPENDICE F : DROITE DE CHARGE APPENDICE G : TRANSISTOR EN SATURATION APPENDICE H : LES FILTRES LC BUïTERWORTH APPENDICE 1 : PRÉFTXES DES RÉFÉWNCES DE CIRCUITS INTÉGRÉS APPENDICE J : FEUILLES DE CARACTÉRISTIQUES INDEX XII

7 TABLE DES mtières DU DEUXIÈME VOLUME: (sous réserve de rnodijktions) s ÉLECTRONIQUE NUMÉRIQUE ET LOGIQUE l NOTIONS DE BASE 8,l Logique contre nlogique 8.2 Niveux logiques 8.3 Codes numériques Opérteurs logiques et tbles de vérité Opérteurs logiques en circuits discrets 8.6 Exemples d opérteurs logiques 8.7 Nottion ssertorique ïtl ET CMOS 8.8 Opérteurs cournts 8.9 Opérteurs logiques intégrés 8.10 Crctéristiques 7TL et CMOS Logique 3 étts et circuits à collecteur ouvert LOGIQUE COMBINATOIRE 8.12 Opértions logiques 8.13 Minimistion et digrmmes de Kmugh 8.14 Combinisons logiques intégrées 8.15 Tbles de vérité rbitrires LOGIQUE SÉQUENTIELLE 8.16 Circuits à mémoire : bscules 8.17 Bscules cdencées 8.18 Mémoire et opérteurs : logique séquentielle 8.19 Synchronistion MONOSTABLES ET MULTIVIBRATEURS 8.20 Crctéristiques du monostble 8.21 Exemples de monostbles 8.22 Précutions vec les monostbles 8.23 Temporiser vec des compteurs FONCTIONS SÉQUENTIELLES INTÉGRÉES 8.24 Verrous et registres 8.25 Compteurs 8.26 Registres à déclge 8.27 PALséquentieiies 8.28 Diverses fonctions séquentielles QUELQUES CIRCUITS LOGIQUES TYPIQUES 8.29 Compteur modulo n 8.30 Afficheur à LED multiplex Pilote de téléscope 8.32 Générteur de n impulsions PATHOLOGIE DES CIRCUITS LOGIQUES 8.33 Problèmes de cournt continu 8.34 Problèmes de commuttion 8.35 Fiblesses congénitles CIRCUITS-QUI-s EXPLIQUENT-EUX-NS 8.36 Idées de circuits 8.37 Muvis circuits EXERCICES COMPLÉMENTAIRES 9 NUMÉRIQUE ET ANALOGIQUE : LA RENCONTRE INTERFAÇAGE EN LOGIQUE CMOS ET TïL 9.1 Chronologie fmilile 9.2 Crctéristiques d entrée et de sortie 9.3 Interfçge entre les fmilles 9.4 Commnder des entrées CMOS et 7TL 9.5 Comprteurs et circuits logiques 9.6 Remrques sur les entrées logiques 9.7 Comprteurs 9.8 Circuits CMOS et irtletchrgesnumériques 9.9 Interfcer les circuits LSZen NMOS 9.10 Opto-électronique CIRCUITS LOGIQUES ET FILS LONGS 9.11 Interconnexions sur une même crte 9.12 Interconnexions entre crtes 9.13 Bus de données 9.14 Câbles de commnde CONVERSION ANALOGIQWNUMÉRIQUE 9.15 Introduction à l conversion A/N 9.16 Convertisseur numérique/nlogique 9.17 Conversion dns le domine temporel 9.18 Convertisseurs multiplicteurs 9.19 Choisir un convertisseur N/A 9.20 Convertisseurs nlogique-numériques 9.21 Techniques d pproximtions successives 9.22 Convertisseurs A/N et N/A peu usuels 9.23 Choisir un convertisseur A/N QUELQUES EXEMPLES DE CONVERSION A/N 9.24 Acquisition de données PJN sur 16 cnux 9.25 Un voltmètre à 3 chiffres 9.26 Coulomb-mètre BOUCLES À PHASE ASSERVIE 9.27 Introduction ux boucles à phse sservie 9.28 Conception de boucles à phse sservie 9.29 Un exemple : multiplicteur de fréquence 9.3 O Asservissement 9.31 Quelques pplictions de boucles à phse sservie SÉQUENCES BINAIRES PSEUDO-ALÉATOIRES ET GÉNÉRATEURS DE BRUIT 9.32 Bruit numérique 9.33 Séquences bouclées de registres à déclge 9.34 Bruit nlogique à prtir de séquences très longues Xlll

8 TABLE DES MATIÈRES DU DEUXIÈME VOLUME 9.35 Spectre des séquences de registres à déclge 9.36 Filtrge psse-bs 9.37 Plus ou moins létoire 9.38 Filtres numériques 10 MICRO-ORDINATEURS MINI-ORDINATEURS, MICRO-ORDINATEURS ET MICROPROCESSEURS 10.1 Architecture de l ordinteur UN JEU D INSTRUCTIONS D ORDINATEUR 10.2 Lngge ssembleur et lngge mchine 10.3 Jeu d instructions simplifié du 8086/ Exemple de progrmmtion SIGNAUX DE BUS ET JNTERFAÇAGE 10.5 Signux de bus fondmentux : données, dresses, commndes 10.6 Entrées/sorties progrmmées : sorties de données 10.7 Entrées/sorties progrmmées : entrées de données 10.8 Entréeslsorties progrmmées : registres d étt 10.9 interruptions Tritement des interruptions Interruptions en générl Accès direct à l mémoire Résumé des signux de bus du PC IBM Communiction de bus synchrone ou synchrone Autres bus de micro-ordinteurs Relier des périphériques à l ordinteur PRINCIPES DU LOGICIEL Progrmmtion Systèmes d exploittion, fichiers, mémoire PRINCIPE DE COMMUNICATION DE DONNÉES Communiction sérielle et ASCII Communiction prllèle : Centronics, SCSI PI, GPIB (488) Réseux locux Exemple d interfce Formts numériques 11 MICROPROCESSEURS LE EN DÉTAIL 11.1 Registres, mémoire et entrées/sorties 11.2 Jeu d instructions et dressge 11.3 Représenttion du lngge mchine 11.4 Signux de bus EXEMPLE DE CONCEPTION COMPLET : UN MOYENNEUR DE SIGNAL ANALOGIQUE 11.5 Conception du circuit 11.6 Progrmmtion : chier de chrges 11.7 Progrmmtion : détils 11.8 Résultts 11.9 Réflexions trdives CIRCUITS AUXILIAIRES DES MICROPROCESSEURS intégrtion à densité moyenne 1 1,ll Périphériques à forte densité d intégrtion Mémoire Autres microprocesseurs Emulteurs, systèmes de développement, nlyseurs logiques et crtes d évlution 12 TECHNIQUES DE CONSTRUCTION EN ÉLECTRONIQUE PROTOTYPES 12.1 Circuits d essi 12.2 Circuits imprimés d essi 12.3 Circuits à connexions enroulées (wire-wrupped) CIRCUITS IMPRMÉS 12.4 Fbriction des circuits imprimés 12.5 Conception des dessins de circuits imprimés 12.6 Circuits imprimés compcts 12.7 Réflexions complémentires sur les pltines 12.8 Techniques élborées CONSTRUCTION D APPAREILS 12.9 Assemblge des pltines Coffrets Astuces de construction Refroidissement Astuces électriques Où trouver des composnts 13 HAUTES-FRÉQUENCES ET VITESSES ÉLEVÉES : LES TECHNIQUES AMPLIFICATEURS HAUTES-FRÉQUENCES 13.1 Amplificteurs à trnsistors ux fréquences élevées : premier exmen 13.2 Amplificteurs hmtes-fréquences : le modèle lterntif 13.3 Exemple de clcul hutes-fréquences 13.4 Configurtions d mplificteurs hutes-fréquences 13.5 Exemple de circuit à lrge bnde 13.6 Améliortions du modèle lterntif 13.7 Amplificteur à pire à rétro-ction série 13.8 Amplificteurs modulires ÉLÉMENTS DES CIRCUITS HAUTES-FRÉQUENCES 13.9 Lignes de trnsmission Adptteurs à ligne, symétriseur et trnsformteurs Amplificteurs ccordés Eléments de circuits rdioélectriques Mesure d mplitude ou de puissnce COMMUNICATION AUX RADIOFRÉQUENCES Quelques principes de communiction XIV

9 13.15 Modultion d mplitude Récepteur superhétérodyne MÉTHODES DE MODULATION ÉLABORÉES Bnde ltérle unique Modultion de fréquence Modultion pr déplcement de fréquence Modultion d impulsion ASTUCES DES CIRCUITS RADIOÉLECTFUQUES Techniques de construction spéciles Amplificteurs rdioélectriques exotiques COMMUTATION RAPIDE Modèle à trnsistor et équtions Outils de modélistion nlogique EXEMPLES DE COMMUTATION RAPIDE Étge de commnde à hute tension Pilote de bus à collecteur ouvert Exemple : prémplificteur photomultiplicteur CIRCUITS-QUI-s ~EXPLIQUENT-EUX-MÊMES Idées de circuits EXERCICES COMPLÉMENTAIRES 14 CONCEVOIR DES CIRCUITS À FAIBLE CONSOMMATION INTRODUCTION 14.1 Applictions à fible puissnce SOURCES DE PUISSANCE 14.2 Types de btteries 14.3 Alimenttion pr le secteur 14.4 Cellules solires 14.5 Cournt prélevé sur le signl COMMUTATION DE PUISSANCE ET RÉGULATEURS POUR TRÈS FAIBLES PUISSANCES 14.6 Commuttion de puissnce 14.7 Régulteurs pour très fibles puissnces 14.8 Référence de msse 14.9 Tensions de référence en très fible puissnce et cpteurs de tempérture CONCEPTION DE CIRCUITS LINÉAIRES À TRÈS FAIBLE CONSOMMATION Problèmes de conception de circuits linéires à très fible consommtion Exemple de circuit linéire discret Amplificteurs opértionnels à très fible consommtion Comprteurs à très fible consommtion Temporisteurs et oscillteurs à très fible consommtion TABLE DES MATIÈRES DU DEUXIÈME VOLUME CONCEPTION DE CIRCUITS LOGIQUES À TRÈS FAIBLE CONSOMMATION Fmilles CMOS Mintenir une consommtion fible en CMOS Microprocesseurs et périphériques à très fible consommtion Exemple de circuit à microprocesseur : enregistreur de tempértures CIRCUITS-QUI-s 7 ~ ~ Idées de circuits 15 MESURE ET TRAITEMENT DE SIGNAUX VUE D ENSEMBLE TRANSDUCTEURS DE MESURE 15.1 Tempérture 15.2 Luminosité 15.3 Contrinte et déplcement 15.4 Accélértion, pression, force, vélocité 15.5 Chmp mgnétique 15.6 Juges à vide 15.7 Détecteurs de prticules 15.8 Sondes de tension biologiques et chimiques ÉTALONS ET MESURES DE PRÉCISION 15.9 Étlons de fréquence Fréquence, de période et d intervlle de temps Etlons de tension et de résistnce, et mesures TECHNIQUE DE RÉDUCTION DE LA BANDE PASSANTE Problème du rpport signlbruit Moyennge de signl et moyennge de plusieurs cnux Rendre un signl périodique Détection d sservissement Anlyse d mplitude d impulsion Convertisseur temps-mplitude ANALYSE DE SPECTRE ET F RANSFORMATIONS DE FOURIER Anlyseurs de spectre Anlyse de spectre en différé CIRCV~TS-QVI-S EXPLIQUENT-EUX-NLÊMES Idées de circuits xv

10 PRÉFACE Cet ouvrge est conçu comme mnuel et comme livre de référence pour l conception de circuits électroniques ; il commence à un niveu ccessible sns connissnce prélble de l électronique et mène le lecteur à un degré risonnble de mîtrise de l conception des circuits électroniques. Nous vons bordé d une fçon directe les idées essentielles de l conception des circuits, vec un tritement en profondeur de sujets sélectionnés. Nous vons tenté de combiner l vision prgmtique du physicien versé dns l prtique vec l méthode quntittive de 1 ingénieur, qui cherche à clculer chque détil lors de l conception d un circuit. Ce livre est né d une collection de notes écrites comme support pour un semestre de cours d électronique à Hrvrd. Le recrutement de ce cours est disprte - étudints de mîtrise qui mssent des connissnces pour trviller finlement dns l industrie ou l recherche, étudints en doctort qui envisgent un domine précis de recherche, ou chercheurs ptentés soudin hndicpés pr leur incpcité à << fire >> de l électronique. Il est vite devenu évident que les mnuels scolires ne convenient ps à un cours de ce genre. Il existe d excellents trités de chque spécilité de l électronique, écrits pour les études d ingénieur ou pour l ingénieur en ctivité, qui s ttquent à l totlité du domine de l électronique mis semblent souffrir d un excès de détil (le syndrome du mnuel scolire), d un excès de simplifiction (le syndrome du livre de recettes), ou d un piètre équilibre du contenu. Une grnde prtie de l pédgogie fréquente dns le début des mnuels scolires ne sert à rien, en fit, ux techniciens versés dns l prtique. Les circuits utiles et les méthodes d nlyse d usge quotidien restent trop souvent cchés, en revnche, dns les notes d ppliction, les mgzines professionnels et des recueils de crctéristiques difficiles à obtenir. En d utres termes, il y une tendnce, prmi les uteurs de mnuels, à exposer l théorie de l électronique, plutôt que l prtique, l rt de l électronique. En écrivnt ce livre nous vons collboré dns le but précis de combiner l discipline de l ingénieur concepteur de circuits vec l perspective du physicien expérimentteur et celle de l enseignnt de l électronique. Ainsi, le tritement de l électronique dns ce livre reflète notre philosophie selon lquelle l électronique, telle qu elle est prtiquée hbituellement, est vnt tout un rtisnt, une combinison de quelques lois fondmentles vec des règles empiriques et un grnd sc d stuces. C est pour toutes ces risons que nous vons pssé sous silence l exposé hbituel de l physique des semiconducteurs, le modèle des prmètres h des trnsistors et l théorie compliquée des réseux, de même que nous vons réduit u minimum l llusion ux lignes de chrge et u pln s. L exposé est lrgement exempt de mthémtiques, vec une forte incittion u remue-méninges et u clcul mentl (ou u moins << sur le dos d une enveloppe D) des vleurs et du fonctionnement des circuits. En plus des sujets bordés hbituellement dns les livres d électronique, nous vons inclus : + un modèle de trnsistor fcile à utiliser, + un lrge exposé de sous-ensembles utiles, comme les sources de cournt et les miroirs de cournt, + l conception de circuits à mplificteurs opértionnels à limenttion simple, + des exposés fciles à comprendre de sujets sur lesquels les informtions prtiques de conception sont difficiles à trouver : + l compenstion en fréquence des mplificteurs opértionnels, les circuits à fible bruit, les boucles à verrouillge de phse et l conception de circuits linéires de précision, + l conception simplifiée de filtres ctifs pr des tbleux et des grphes, + une section sur le bruit, les blindges et l mise à l msse, + une méthode grphique originle pour l nlyse rtionnelle des mplificteurs à fible bruit, + un chpitre sur les régulteurs et les références de tension, y compris les sources de cournt constnt, + un exposé des multivibrteurs monostbles et de leurs prticulrités, [dns l édition frn~is ce point et XVli

11 certins des suivnts pprissent dns le deuxième volume] + une recensement des pthologies de l logique numérique et des remèdes dptés, + un exposé détillé des interfces vec l logique, vec l ccent sur les nouveux circuits intégrés à grnde échelle NMOS et PMOS, 4 un exposé détillé des techniques de conversion nlogique/numérique et numérique/nlogique + une section sur l nissnce du bruit numérique, + un exposé des mini-ordinteurs et de l interfce vec leurs bus, vec une initition u lngge ssembleur, 4 un moyen simplifié d évluer les circuits de commuttion rpide, + un chpitre sur les mesures scientifiques et le tritement des données : ce qui est mesurble, vec quelle précision, et que fire des données, + des éclircissements sur l réduction de l bnde pssnte : moyennge du signl, mise à l échelle multi-voies, mplificteurs synchrones et nlyse de huteur d impulsions, + des collections musntes de << muvis circuits», des collections d idées de circuits, + des ppendices utiles sur le dessin de schém, des types de circuits intégrés stndrd, le clcul de filtres LC, les vleurs de résistnces, l oscilloscope, un précis de mthémtiques et d utres, + des tbleux des diodes, trnsistors, FET, mplificteurs opértionnels, comprteurs, régulteurs, références de tension, microprocesseurs et utres composnts, qui reprennent en générl les crctéristiques des meilleurs types et des types les plus répndus. Nous vons toujours pris le prti d ppeler les choses pr leur nom, souvent en comprnt, pour l utilistion dns un circuit donné, les crctéristiques de composnts concurrents et les vntges de configurtions différentes. Les schéms des exemples sont dessinés vec des composnts réels, ps des boîtes noires. L intention générle est d mener le lecteur jusqu à l compréhension clire des choix qui déterminent l conception d un schém - comment choisir l configurtion du circuit, les types de composnts et leurs vleurs. L utilistion de techniques de conception de schéms lrgement débrrssées des mthémtiques ne donne ps lieu à des impsses dns les circuits et ne compromet ni les performnces ni l fibilité. Au contrire, ces techniques méliorent l compréhension des choix et des compromis que suppose l conception d un schém, elles sont l meilleure méthode de conception de bons circuits. Ce livre peut être utilisé pour un cours de conception de circuits électroniques, vec un bgge mthémtique miniml, en l occurrence une certine connissnce de l trigonométrie, du clcul exponentiel et si possible du clcul différentiel. (Un résumé des nombres complexes et des dérivées est inclus dns un ppendice.) Pour l ider dns s nvigtion, nous vons signlé u lecteur, pr un losnge, les sections qu il peut suter sns risque lors d une lecture rpide. [extrit de l préfce de l première édition nglise L électronique, peut-être plus que toute utre brnche de l technologie, connu un développement explosif dns les qutre dernières décennies. C est donc vec une certine inquiétude que nous vons entrepris en 1980 d écrire une somme définitive qui urit enseigné l rt de l électronique. Pr rt, nous entendons l sorte de mîtrise qui résulte de l connissnce prfite des circuits réels, des composnts cournts, etc. plutôt que l fçon bstrite d border le sujet, telle qu elle se rencontre souvent dns les mnuels scolires d électronique. Nturellement, dns un domine qui évolue ussi vite, cette perspective des détils prtiques comporte des risques, dont le plus évident est une obsolescence cruellement précoce. Le rythme de l technologie électronique ne nous ps déçus! L encre de notre première édition étit à peine sèche que nous étions ffolés à l lecture de nos propos u sujet de << I EPROM clssique 2716 (2 Koctets)... u prix de 25 dollrs». De clssiques, elles sont devenues ntiques et introuvbles, remplcées qu elles sont pr des EPROM de cpcité soixnte-qutre fois plus grnde pour moins de l moitié du prix! Ainsi, une prtie essentielle de cette deuxième édition fit étt de composnts et de méthodes méliorés, vec des chpitres complètement ré-écrits sur les microcontrôleurs et les microordinteurs (l utilistion de 1 IBM PC et du 68008) et des chpitres grndement enrichis sur les techniques numériques (y compris les PLD et les nouvelles fmilles logiques HC et AC), sur les mplificteurs XVlll

12 opértionnels et l conception de circuits de précision (grâce à l disponibilité d excellents mplificteurs opértionnels à entrée pr FET) et sur les techniques de production (vec l conception et l fbriction ssistées pr ordinteur). Chque tbleu été mis à jour, certins de fçon substntielle ; pr exemple, dns le tbleu 4.1 (mplificteurs opértionnels), soixnte-cinq pour cent seulement des cent vingt références ont survécu, lors que cent trente-cinq nouvelles ont été joutées. Enfin, dns l esprit de l jurisprudence moderne, nous vous rppelons à l lecture de l notice légle de l pge suivnte. [exirit de l préfce de l seconde édition nglise Préfce de l édition frnçise Pul Horowitz Winjield Hill Pour cette première édition en frnçis, l imposnt ouvrge de Horowitz et Hill, connu des spécilistes nglophones sous son titre originl nglis The Art of Electronics, été divisé en deux volumes, pour en fciliter l mnipultion et permettre u lecteur d étler ses investissements. Le premier volume frnçis comporte les sept premiers chpitres du livre nglis, conscrés exclusivement ux techniques nlogiques. Le second reprend les huit derniers chpitres, conscrés essentiellement ux techniques numériques et logiques insi qu à l microinformtique (chpitres 8 à 1 1), mis ussi à certins spects prticuliers des techniques nlogiques pssés sous silence dns l première prtie: circuits hutes-fréquences, circuits de précision, circuits à très fible puissnce, circuits imprimés... Pour compenser les inconvénients de ce démembrement un peu rbitrire, le premier volume comporte une tble des mtières du second et vice vers. Pr illeurs, le plus grnd soin été ccordé à l étblissement d un index frnçis fible. Nous recommndons vivement u lecteur de s y reporter chque fois qu il ur une recherche à fire à prtir d une idée, d un mot-clé. Le reste de l trduction bien sûr bénéficié d une ttention églement soutenue. S il subsiste des coquilles, c est prce qu elles ont échppé à notre vigilnce pourtnt redoublée. Il n y là ucune intention mlicieuse. Nous remercions d ores et déjà nos lecteurs de bien vouloir nous signler celles qu ils uront relevées. Le premier volume du Trité de l Électronique Anlogique et Numérique compte plus de mille illustrtions dont les textes ont été, le cs échént, trduits pour l édition frnçise. S il subsiste, dns l un ou l utre schém, des termes nglis, c est àdessein, pr souci de comptibilité vec l littérture d usge cournt. Tous ces mots nglis sont trduits et expliqués dns le texte. Cependnt dns les schéms, les points décimux (pr exemple 1.5 V) n ont ps été remplcés pr des virgules (1,5 V). Si nous vons préféré égrtigner les convennces plutôt que de nous y conformer, c est pour ne ps courir le risque, lors d une modifiction d une telle envergure, d introduire des erreurs qusi indécelbles pr l suite. Dns tous les tbleux, en revnche, l usge typogrphique frnçis de l virgule décimle été respecté. L prution en frnçis d une somme comme celle-ci est un événement dont les étudints en électronique utnt que leurs professeurs, et les mteurs utodidctes utnt que les professionnels en ml de rffrîchissement de leurs connissnces, uront désormis l vntge d pprécier toute l portée. L trduction de son titre est le fruit de mémorbles sénces de remue-méninges, uxquelles chez Elektor chcun, du mgsinier u directeur, pporté s contribution pssionnée. Ainsi vous vez échppé notmment à << Électronique : mode(s) d emploi», «Ars Electronic >> ou encore à «l Bible de L électronique >> et utres << Évngiles selon Horowitz». Le plus simple eût été «L rt de 1 électronique», vec ou sns mjuscules, mis pour un livre ussi complet et ussi précis, c est un titre trop vgue, fidèle certes à l pproche intuitive et noblement rtisnle de ses uteurs méricins, mis trop poétique pour l prosïque électronique frnçise. C est donc devenu un «trité», prce qu en frnçis ce mot désigne, selon le Robert qui en donne une définition prfite, un «ouvrge didctique où est exposé d une mnière systémtique un sujet ou un ensemble de sujets concernnt une mtière». XIX

13 NOTICE LÉGALE Dns ce livre nous nous sommes efforcés d enseigner les techniques de l conception de circuits électroniques, u moyen d exemples de circuits et de données que nous pensons exctes. Cependnt les exemples, données et utres informtions ne sont considérés que comme des ides à l enseignement et ne surient être utilisés dns une ppliction prticulière sns une vérifiction et des tests indépendnts pr l personne qui conçoit l ppliction. L Vérifiction et les tests indépendnts sont prticulièrement importnts dns toute ppliction où un fonctionnement incorrect risquerit de cuser des dommges ux personnes ou ux biens. Pour ces risons, nous ne grntissons ni expressément ni implicitement que les exemples, données, ou utres informtions dns ce volume ne comportent ucune erreur ou conviennent une ppliction prticulière. LES AUTEURS ET L ÉDITEUR RÉCUSENT EXPRESSÉMENT LES GARANTIES IMPLICITES D ADAPTATION À LA COMMERCIALISATION OU À UN USAGE PARTICULIER, même si les uteurs ont eu connissnce d un projet déterminé, et même si un projet déterminé est mentionné dns le livre. Les uteurs et l éditeur récusent ussi toute responsbilité pour les dommges directs, indirects, ccidentels ou consécutifs qui pourrient résulter d une utilistion quelconque des exemples, données ou utres informtions contenues dns ce livre.

14 1 LESBASES INTRODUCTION Les développements dns le domine de l électronique ont constitué une des grndes épopées de ce siècle. Après les émetteurs rudimentires à rc et les détecteurs à glène du début du siècle, nous vons trversé l période des tubes à vide, vec leur complexité considérble, pour rriver à l ère du semiconducteur, dns lquelle le déferlement d vncées stupéfintes ne semble ps se rlentir. L technologie d intégrtion à gïnde échelle LSI (UZ, Lrge Seule Zntegrution) rend bnle l fbriction, sur une même puce de silicium, de clcultrices, d ordinteurs et même de mchines prlntes vec un vocbulire de plusieurs centines de mots. L évolution de l technique d intégrtion à très grnde échelle (VUZ, Very Lrge Seule Integrtion) promet des composnts encore plus étonnnts. Il fut peut-être relever l tendnce, sympthique, à l ugmenttion constnte du rpport presttions/prix. Le coût d un micro-circuit électronique décroît régulièrement jusqu à une frction de son coût initil du fit du perfectionnement des procédés de fbriction (voir l figure 8.87, dns le tome 2, pr exemple). En fit, il rrive souvent que le coffret d un ppreil, vec ses orgnes de commnde, coûte plus cher que l électronique qu il brite. En lisnt toutes ces choses pssionnntes sur l électronique, vous pourriez croire que vous êtes à même de construire de petits gdgets puissnts, élégnts, mis bon mrché, pour ccomplir qusiment toutes les tâches imginbles, à l seule condition de svoir comment fonctionnent tous ces composnts mirculeux. Si vous vez cette impression, ce livre est fit pour vous. Nous vons tenté de trnsmettre à trvers lui un certin svoir-fire et une pssion pour l électronique. Nous commencerons dns ce chpitre pr l étude des lois, des règles empiriques et des trucs qui constituent l rt de l électronique tel que nous le concevons. Il est indispensble de commencer pr le commencement, en prlnt de tension, de cournt, de puissnce, et des composnts qui constituent les circuits électroniques. Comme vous ne pouvez ni toucher, ni voir, ni entendre l électricité, notre propos contiendr donc une certine prt d bstrction (en prticulier dns ce premier chpitre) et s ppuier sur des instruments de visulistion, comme des oscilloscopes ou des voltmètres. Le premier chpitre est ussi le plus mthémtique, mlgré nos efforts pour mintenir les mthémtiques u niveu miniml et fvoriser une bonne compréhension intuitive de l conception et du comportement des circuits. Une fois que nous urons envisgé les bses de l électronique, nous psserons rpidement ux circuits << ctifs >> (mplificteurs, oscillteurs, circuits logiques, etc.) qui font de l électronique le domine pssionnnt qu elle est. Le lecteur qui possède un certin bgge électronique peut, s il le veut, suter ce chpitre, puisqu il ne suppose ucune connissnce prélble du sujet. Tout utre propos générl serit superflu ici, ussi llons-nous plonger directement dns le vif du sujet. TENSION, COURANT ET RÉSISTANCE 1.1 Tension et cournt Il existe deux grndeurs dont nous voulons voir connissnce dns les circuits électroniques : l tension et le cournt. Ordinirement, elles vrient sns cesse, fute de quoi rien d intéressnt ne se produit. Tension (symbole : V, ou quelquefois E). L tension entre deux points est le coût en énergie (trvil fourni) du déplcement d une unité de chrge depuis le point le plus négtif (potentiel le plus bs) jusqu u point le plus positif (potentiel le plus élevé). Prllèlement, c est l quntité d énergie libérée pr le déplcement d une unité de chrge << en descendnt >> depuis le point de potentiel le plus élevé jusqu u point de potentiel le plus bs. L tension s ppelle ussi dzférence de potentiel ou force électromotrice (f.e.m.). L unité de mesure est le volt, les tensions sont exprimées courmment en volts (V), en kilovolts (1 kv = 10~ VI, en millivolts (1 mv = 10-~ VI, ou en microvolts (1 pv = 1O4 V). Une quntité de trvil de un 1

15 ~~ ~ ~ 2 1. LESBASES joule est nécessire pour déplcer une chrge de un coulomb à trvers une différence de potentiel de un volt. (Le coulomb est l unité de chrge électrique, il est égl à l chrge de 6 x 101* électrons, ou à peu près.) Pour des risons qui s éclirciront plus loin, les occsions de prler de nnovolts (1 nv = 10-9 V) ou de mégvolts (1 MV = 106 V) sont plutôt rres. Cournt (symbole : Z). Le cournt est le débit des chrges électriques qui pssent pr un point. L unité de mesure est l mpère (A), les intensités de cournt sont courmment exprimées en mpères, en millimpères (1 ma = 10-3 A), en micrompères (1 pa = 104 A), en nnompères (1 na = 10-9 A), rrement en picompères (1 pa = 10-l2 A). Un cournt de un mpère est égl à un flux de un coulomb en une seconde. Pr convention, on considère que le cournt dns un circuit circule du point le plus positif vers un point plus négtif, même si le flux réel des électrons se déplce du pôle négtif vers le pôle positif. Importnt : l tension règne toujours entre deux points ou pr rpport à un point. Le cournt circule toujours d trvers un composnt ou un point du circuit. Dire quelque chose comme << l tension à trvers une résistnce... >> n ucun sens. Cependnt, nous prlons souvent de l tension sur un point d un circuit ; il est toujours sous-entendu qu il s git de l tension entre ce point et l << msse», un point commun du circuit que tout le monde semble connître. Vous ussi, bientôt. On crée une tension en déplçnt des chrges dns des ppreils comme des piles (électro-chimiques), des lternteurs (forces mgnétiques), des cellules solires (conversion photo-voltïque de l énergie des photons), etc. On obtient un cournt en ppliqunt une tension ux bornes d un objet. Arrivés ici, vous êtes en droit de vous demnder comment on << voit >> les tensions et les cournts. L instrument électronique le plus utile est l oscilloscope, qui vous permet de voir dns un circuit des tensions (et quelquefois des cournts) en fonction du temps. Nous triterons de l oscilloscope et des voltmètres u moment de prler brièvement des signux ; pour vous fire une première idée, voyez l ppendice sur l oscilloscope (ppendice A) et l encdré sur le multimètre plus loin dns ce chpitre. Dns les circuits réels, nous connectons les objets les uns ux utres pr des fils, des conducteurs métlliques ; un conducteur présente l même tension en tous ses points (oui, pr rpport à l msse). Dns le domine des hutes fréquences ou des bsses impédnces, ce n est ps tout à fit vri ; nous urons l occsion d en reprler plus loin, mis pour l instnt c est une pproximtion cceptble. Nous en prlons mintennt pour que vous schiez u déprt qu un circuit réel ne ressemble ps nécessirement u schém, que l disposition des conducteurs peut être modifiée. Voici quelques règles simples qui s ppliquent ux cournts et ux tensions : 1. L somme des cournts qui entrent en un point est égle à l somme des cournts qui sortent de ce point (conservtion de l chrge). Cette propriété est quelquefois ppelée loi des cournts de Kirchhoff. Les techniciens ppellent un tel point un nœud. De cette loi simple, nous tirons l conclusion que dns un montge en série (une série d objets à deux bornes connectés bout à bout), le cournt est le même prtout. Figure Des objets connectés en prllèle (figure 1.1) sont soumis à l même tension. Répétons que l somme des chutes de tension de A à B pr une des voies du circuit est égle à l somme des chutes de tension pr n importe quelle utre voie, elle est égle à l tension entre A et B. Cette propriété peut être exprimée utrement : l somme des chutes de tension dns un circuit fermé est nulle. C est l loi des tensions de Kirchhoff.

16 1.2 Reltion entre tension et cournt : l résistnce 3. L puissnce (quntité de trvil pr unité de temps) consommée pr un circuit est P = VI Cel correspond u produit du rpport trvivchrge pr le rpport chrge/temps. Pour l tension V en volts et l intensité 1 en mpères, l puissnce est exprimée en wtts. Les wtts sont des joules pr seconde (1 W = 1 J/s). L puissnce est trnsformée en chleur (le plus souvent), en trvil mécnique (moteurs), en énergie ryonnée (lmpes, émetteurs rdio), ou bien elle est stockée (ccumulteurs, condensteurs). L gestion de l chleur déggée pr un système compliqué (pr exemple un gros ordinteur qui convertit en chleur quelques centines de wtts d énergie électrique vec un rendement énergétique insignifint pour quelques pges de résultts de clcul) peut être une prtie essentielle de l conception d un système. qund il s git des initiles de noms propres. L mjuscule ne s utilise que dns les brévitions. Ainsi : hertz et kilohertz, mis Hz et khz ; wtt, milliwtt et mégwtt, mis W, mw et MW. Nous urons bientôt à triter de tensions et de cournts soumis à des vritions périodiques ; il nous fudr lors générliser l éqution simple P = Vipour prendre en compte l puissnce moyenne, mis l expression est correcte, telle qu elle est, pour définir l puissnce instntnée. Pour en finir vec l terminologie, ne prlez ps d mpérge ; c est crrément vulgire. Prlez d intensité. Ne prlez ps de voltge, mis de tension. 1.2 Reltion entre tension et cournt : l résistnce Voilà une histoire longue et intéressnte, le cœur de l électronique. Pour simplifier, le but du jeu est de fbriquer et de mettre en œuvre des gdgets qui présentent des crctéristiques tension-cournt intéressntes et utiles. Les résisteurs (i simplement proportionnelle à V), les condensteurs (1 proportionnelle à l vrition de V), les diodes (Zcircule dns une seule direction), les thermistnces (résistnce vrible en fonction de l tempérture), les photo-résistnces (résistnce dépendnt de l lumière), les juges de contrinte (résistnce vrible en fonction de l pression) sont quelques exemples. Nous borderons progressivement quelques-uns de ces composnts curieux. Pour l instnt nous commençons pr le composnt le plus bnl (et le plus utilisé), l résistnce ou résisteur (figure 1.2). Dns les brévitions d unités qui comportent un préfixe, le symbole de l unité suit le préfixe sns espce. Attention ux mjuscules et minuscules (surtout m et M), ussi bien pour le préfixe que pour l unité : 1 mw est un milliwtt, ou un millième de wtt ; 1 MHz, méghertz, est un million de hertz. En générl, les unités s écrivent en minuscules, même Figure 1.2 Lu résistnce et le résisteur Il convient de noter que dns un conducteur métllique (ou tout utre mtériu prtiellement conducteur), le cournt est proportionnel à l tension ux bornes. Dns le cs des fils conducteurs utilisés dns les circuits électroniques, nous choisissons hbituellement une section suffismment forte pour que 3

17 1. LESBASES les chutes de tension soient négligebles. L proportionnlité entre le cournt et l tension n est nullement une loi universelle pplicble à tous les objets. Pr exemple, le cournt qui trverse un tube fluorescent n est, en ucune fçon, proportionnel à l tension ppliquée ux bornes ; il est nul jusqu à une certine tension, puis il croît de fçon spectculire. Il en v de même pour une foule d utres composnts intéressnts, les diodes, les trnsistors, les mpoules d éclirge, etc. (Si vous vous intéressez à l rison pour lquelle les conducteurs métlliques se comportent de cette fçon, reportez-vous ux sections 4.4 et 4.5 du Berkeley Physics Course, Vol. II, voir bibliogrphie). Un résisteur est constitué d un quelconque mtériu conducteur (du crbone ggloméré ou une couche mince de métl ou de crbone) et d un fil à chque extrémité. Il est crctérisé pr s résistnce. A R=Vd L vleur de R s exprime en ohms, pour l tension V en volts et l intensité Z en mpères. L reltion entre ces trois grndeurs s ppelle l loi d Ohm. Les résisteurs typiques, du modèle le plus utilisé (u crbone ggloméré, ou à couche de crbone), ont des résistnces comprises entre 1 ohm (1 Cl) et quelque 22 mégohms (22 M). Les résisteurs sont ussi crctérisés pr l quntité de chleur qu ils peuvent dissiper (les modèles cournts sont donnés pour 1/4 W) et d utres prmètres comme l tolérnce (précision), le coefficient de tempérture, le bruit, l tenue en tension (dns quelle mesure l résistnce vrie en fonction de l tension ppliquée), l tenue dns le temps, l inductnce, etc. Voir l encdré sur les résisteurs et les ppendices C et D. 4 Les résisteurs sont véritblement omniprésents. Il y en presque utnt de types que d pplictions. Les résisteurs sont utilisés dns les mplificteurs comme chrges pour les composnts ctifs, dns les réseux de polristion, comme éléments de contre-réction. Associés à des condensteurs, ils définissent des constntes de temps et gissent comme filtres. Ils sont utilisés pour régler des cournts de fonctionnement et le niveu de signux. Les résisteurs sont utilisés dns les circuits de puissnce pour diminuer l tension en dissipnt de l puissnce, pour mesurer des cournts, et pour déchrger les condensteurs qund l limenttion est coupée. Ils sont utilisés dns les circuits de précision pour déterminer des cournts, pour étblir des rpports de tension excts et pour fixer des vleurs de gin précises. Dns les circuits à hute tension, ils servent à mesurer les tensions et à équilibrer les cournts de fuite entre des condensteurs ou des diodes connectés en série. Dns les circuits à fréquence rdio, ils servent souvent de mndrins pour le bobinge d inductnces. Les résisteurs se trouvent vec des résistnces de 0,Ol ohm à 10 2 ohms ; les puissnces dmissibles stndrd vont de 1/8 W à 250 W, vec des tolérnces de 0 005% à 20%. Les résisteurs peuvent être fits d un gglomért de crbone, de couches métlliques, de fil bobiné sur un mndrin, ou encore d éléments semi-conducteurs comprbles à des trnsistors à RÉSISTEU RS effet de chmp (PET). Le modèle le plus répndu est de loin le résisteur u crbone ggloméré de 1/4 W ou 1/2 W. Ils sont disponibles en vleurs stndrd de 1 ohm à 100 mégohms. L série stndrdisée comporte deux fois plus de vleurs à 5% qu à 10% (voir l ppendice C). Nous préférons les résistnces Allen-Brdley type AB (1/4 W 5%) pour l usge générl, à cuse de leur mrquge clir, de l fixtion sûre de leur fils de connexion et de leur stbilité. Les résisteurs sont si fciles à utiliser qu on les considère souvent comme prfits. Ils ne le sont ps, et il est bon de considérer quelques-uns de leurs défuts. Le type cournt u crbone ggloméré à 5% en prticulier, s il convient pour presque tous les circuits non critiques, n est ps ssez stble pour les pplictions de précision. Il est bon de connître ces limittions pour ne ps s exposer à quelques surprises un jour ou l utre. Les principux défuts sont des vritions de résistnce vec l tempérture, l tension, le temps et l humidité, Les utres défuts sont reltifs à l inductnce (ce qui peut être gênnt 2 hute fréquence), l pprition de points chuds dns les pplictions de puissnce, ou l production de bruit électrique dns les mplificteurs à hute fidélité. Les crctéristiques qui suivent sont les vleurs du cs le plus défvorble ; en générl, vous trouverez mieux, mis ne vous y fiez ps.

18 ~ Quelques En prlnt simplement, on peut dire que les résisteurs sont utilisés pour convertir une tension en cournt, et inversement. Cel peut prître ffreusement bnl, mis vous comprendrez bientôt ce que nous voulons dire. 1.2 Reltion entre tension et cournt : l résistnce Réskteurs en série et en prllèle résultts simples découlent de l définition der: 1. L résistnce de deux résisteurs en série (figure 1.3) est égle à Figure 1.3 L connexion de plusieurs résisteurs en série donne toujours une résistnce plus grnde. CARACTÉRISTIQUES DES RÉSISTEURS ALLEN-BRADLEY SÉRIE AB TYPE CB L tolérnce stndrd est de fi% dns les conditions normles. L puissnce mximle à 70 C de tempérture mbinte est de 0,25 W, ce qui correspond à une tempérture interne de 150 C. L tenue en tension est l plus fible de deux vleurs : (0,25R)ln, ou 250 V. Cette crctéristique est importnte! (Voir l figure 6.53.) Une simple surtension de cinq secondes sous 400 V peut provoquer un chngement définitif de 2% de l résistnce. oui oui oui +10% 4,3% +4,5% +5,9% non non non non Pour les pplictions qui réclment vriment de l précision ou de l stbilité, il convient d utiliser des résisteurs à film métllique à 1 % (voir l ppendice D). On peut en ttendre une stbilité meilleure que O, 1 % en usge norml et meilleure que 1 % dns les conditions extrêmes. Les résistnces bobinées de précision existent pour l pluprt des pplictions exigentes. Pour l dissiption de puissnces supérieures à O, 1 W, un modèle de puissnce supérieure est conseillé. Les résisteurs u crbone ggloméré existent jusqu à une puissnce de 2 W, les résistnces bobinées de puissnce sont destinées ux puissnces supérieures. Pour les pplictions de puissnce importnte, le type à refroidissement pr convection donne les meilleurs résultts. Ces résisteurs conçus vec soin existent en tolérnce de 1% et peuvent être utilisés de fçon fible à des tempértures de 250 C. L dissiption de puissnce dmissible dépend de l circultion de l ir, de l conduction thermique pr les fils de connexion et de l densité du circuit ; de ce fit, l dissiption de puissnce nnoncée est donnée à titre indictif. Notez ussi que l puissnce d un résisteur est une vleur moyenne, et qu elle peut être lrgement dépssée pendnt des temps courts (quelques secondes ou plus, suivnt l << msse thermique >> du composnt). 5

19 1. LESBASES 2. L résistnce de deux résisteurs en prllèle (figure 1.4) est égle à 1 R=- RiR2 OU R=- Ri +R Ri R2 Figure 1.4 fl2 1-4 L connexion de plusieurs résisteurs en prllèle donne toujours une résistnce plus fible. L résistnce se mesure en ohms (), mis en prtique nous omettons souvent le symbole omég qund les vleurs sont supérieures à 1OOO R (1 WZ). Ainsi, nous désignerons souvent un résisteur de 10 WZ pr 10 k, un résisteur de 1 MR pr 1 M. Dns les schéms de principe, le symbole Cl est même omis fréquemment pour les vleurs inférieures u kilohm. Si tout cel vous ennuie, prenez ptience, nous llons rriver bientôt à de nombreuses pplictions musntes. Q Exercice 1.1 Vous vez cinq résisteurs de 5 k et un résisteur de 10 k. Quelle est leur résistnce s ils sont combinés en série () et en prllèle (b)? Q Exercice 1.2 Si vous plcez un résiskur de 1 ohm ux bornes d une btterie de voiture de 12 V, quelle puissnce v-t-il dissiper? Q, Exercice 1.3 Démontrez les formules de clcul de l résistnce équivlente de résiskurs en série et en prllèle. Q Exercice 1.4 Montrez que l résistnce de plusieurs résisteurs en prllèle est R= Ri R2 R3 Un truc pour les résisteurs en prllèle : les débutnts ont tendnce à se lisser embrouiller pr une lgèbre compliquée qund ils conçoivent ou essient de comprendre un montge électronique. Il est temps de commencer, dès mintennt, à pprendre l intuition et les rccourcis. Rccourcin l Le montge en série d un grnd résisteur vec un petit présente l résistnce du plus grnd, en gros. Le montge en prllèle d un grnd résisteur vec un petit présente l résistnce du plus petit, en gros. Rccourci n 2 Supposez que vous vouliez connître l résistnce équivlente de 5 kl2 en prllèle vec 10 ki2. Considérez que l résistnce de 5 ki2 est celle de deux résisteurs de 10 WZ en prllèle, ce qui est rigoureusement exct. Vous vez donc, tout simplement, trois résistnces de 10 ki2 en prllèle. Comme l résistnce de n résisteurs identiques en prllèle est lln fois l vleur commune, l réponse à l question du début est 10 W3, soit 3 33 WZ. Ce truc est très prtique, cr il vous permet d nlyser les circuits mentlement, rpidement, sns vous lisser distrire pr les chiffres. Nous essierons d encourger l conception mentle des circuits, ou u moins << sur le dos d une enveloppe >> pour fvoriser le remue-méninges. Encore un peu de philosophie mison : les débutnts ont tendnce à vouloir clculer vec trop de chiffres significtifs les vleurs de résisteurs et d utres composnts ; l disponibilité de clculettes puissntes à bs prix n fit qu ggrver les choses. Il y deux risons de vouloir éviter de tomber dns ce trvers : () les composnts eux-mêmes ont une précision limitée (hbituellement 5% pour les résisteurs ; les prmètres qui crctérisent les trnsistors vrient fréquemment du simple u double pour un même type) ; (b) une des crctéristiques d un circuit bien conçu est son insensibilité à l vleur précise des composnts (il y des exceptions, bien sûr). Vous vez une chnce d cquérir plus rpidement une perception intuitive des circuits si vous prenez l hbitude d exécuter mentlement des clculs pprochés, u lieu de regrder des chiffres sns significtion s ligner sur l fficheur d une clculette. 6

20 Pour développer l intuition en ce qui concerne les résistnces, certins trouvent utile l notion de conductnce, G = UR. Le cournt qui trverse un composnt de conductnce G soumis à une tension V est donné pr I = GV (loi d Ohm). Une fible résistnce correspond à une forte conductnce, vec une forte intensité sous l effet d une tension. Vue à l lumière de l notion de conductnce, l formule du clcul des résistnces en prllèle est évidente : qund plusieurs résisteurs sont connectés à l même source de tension, le cournt totl est l somme des cournts individuels. Ainsi, l conductnce équivlente est l somme des conductnces individuelles, G = G1+ G2 + G3 +..., cette formule est identique à celle du clcul des résistnces en prllèle. Les techniciens se réglent à définir des unités réciproques, ussi ont-ils désigné l unité de conductnce prsiemens (S = l/q, connu ussi comme mho (ohm écrit à l envers, vec le symbole ). Si l notion de conductnce est utile pour développer l intuition, elle n est ps très utilisée ; l pluprt des gens préfèrent prler de résistnce. Puissnce dns les résisteurs L puissnce dissipée pr un résisteur (ou tout utre composnt) est P = IV. En ppliqunt l loi d Ohm, vous pouvez trouver les formes équivlentes P = 12R et P = V2/R. Q Exercice 1.5 Montrez qu il est impossible de dépsser l puissnce nominle de 1/4 W d un résisteur de vleur supérieure à 1 WZ, quelle que soit l fçon de le connecter, dns un circuit limenté sous une tension de 15 V. Q Exercice 1.6 Exercice fculttif : l ville de New York besoin de 10 W d énergie électrique, sous une tension de 110 V (c est plusible : 10 millions de personnes consommnt chcune 1 kw). Un gros câble électrique peut voir un pouce de dimètre [25,4 mm NDT]. Clculons ce qui se psse si nous essyons de fournir l énergie à trvers un câble en cuivre pur de 1 pied [0,30479 m] de dimètre. Srésistnce est de 0,05 ja2 (5 x 10-8 Cl) pr pied. Clculez : 1.3 Diviseurs de tension () l puissnce perdue en effet joule (12R) pr pied de longueur du câble ; (b) l longueur du câble qui dissiperit l totlité des 10 O w ; (c) l tempérture tteinte pr le câble, si vous vez les connissnces physiques nécessires (O = 6 x 10-12W/K4cm2). Si vos clculs sont justes, les résultts doivent être bsurdes. Quelle est l solution de cette énigme? Entrée et sortie Presque tous les circuits électroniques reçoivent un signl d entrée (hbituellement une tension) et produisent un signl de sortie (hbituellement une tension ussi). Pr exemple, un mplificteur udio peut produire une tension de sortie qui est cent fois plus forte qu une tension d entrée (qui vrie de fçon similire). Pour décrire un tel mplificteur, nous imginons de mesurer l tension de sortie correspondnt à une tension d entrée donnée. Les techniciens prlent de l fonction de trnsfert H, le rpport entre l tension de sortie (mesurée) et l tension d entrée (choisie) ; pour l mplificteur udio envisgé ici, H est simplement une constnte (H = 100). Nous borderons les mplificteurs dns le prochin chpitre. En ttendnt, vec seulement les résisteurs, nous pouvons déjà envisger un élément importnt des circuits, le diviseur de tension, qu on pourrit ppeler un << désmplificteur». 1.3 Diviseurs de tension Nous rrivons mintennt u diviseur de tension, un des éléments les plus répndus des circuits électroniques. Montrez-nous un circuit prtique et nous vous montrerons une demi-douzine de diviseurs de tension. Pour dire les choses très simplement, un diviseur de tension est un circuit qui, pour une tension d entrée donnée, produit une tension de sortie égle à une frction déterminée de l tension d entrée. Le diviseur le plus simple est montré à l figure 1.5. Qu est-ce que Vsode? D bord, le cournt (identique prtout, en supposnt qu il n y ps de << chrge >> en sortie) est Vent& I=- Ri +R2 7