ELEN0075-1 Electronique analogique Notes de laboratoire

Institut Montefiore Université de Liège ELEN0075-1 Electronique analogique Notes de laboratoire Benoît Vanderheyden Etienne Michel Août 2010 Ulg-Département Montefiore, Sart-Tilman, Bât.28, Parking B32, B-4000 Liège (Belgium). Fax : +32 4 366 29 50, tél : B. Vanderheyden : +32 4 366 26 13 ; E. Michel : +32 4 366 90 20 e-mails : B.Vanderheyden@ulg.ac.be ; etienne.michel@ulg.ac.be http ://www.montefiore.ulg.ac.be/ vdh/

Table des matières Table des matières i 1 Organisation des laboratoires 1 1.1 Informations générales sur les laboratoires................. 1 1.2 Matériel à votre disposition......................... 2 1.2.1 Petit matériel............................. 2 1.2.2 Tables de laboratoire......................... 2 1.2.3 Générateur multifonction...................... 3 1.2.4 Oscilloscope à deux canaux..................... 4 1.2.5 Multimètre.............................. 5 1.2.6 Ordinateur.............................. 5 1.3 Quelques rappels............................... 6 1.3.1 Théorème de Thévenin........................ 6 1.3.2 Circuit RC.............................. 7 1.3.3 LTspice................................ 8 1.4 Présentation des quatre séances de laboratoire............... 9 1.4.1 Laboratoire introductif........................ 9 1.4.2 Circuits à diodes........................... 9 1.4.3 Polarisation de transistors et petit signal.............. 9 1.4.4 L amplificateur audio........................ 10 2 Laboratoire 1 : Introduction 11 i

TABLE DES MATIÈRES ii 2.1 Rappels théoriques.............................. 12 2.1.1 Ecoulement du courant....................... 12 2.1.2 Répartition du potentiel électrique................. 12 2.2 Equipement nécessaire............................ 13 2.3 Visualisation de signaux à l oscilloscope.................. 14 2.3.1 Visualisation d un signal EN L ABSENCE D UNE résistance de charge................................. 14 2.3.2 Visualisation d un signal EN PRESENCE D UNE une résistance de charge............................... 15 2.4 Le diviseur potentiométrique........................ 16 2.4.1 Le diviseur potentiométrique SANS résistance de charge..... 16 2.4.2 Le diviseur potentiométrique AVEC résistance de charge..... 16 2.5 Diviseur de courant.............................. 17 2.6 Les condensateurs.............................. 17 2.6.1 Circuit RC soumis à un échelon de tension............ 18 2.6.2 Circuit RC soumis à un signal carré................ 19 2.6.3 Filtres passe-bas........................... 19 3 Laboratoire 2 : Les diodes 21 3.1 Rappels théoriques.............................. 21 3.1.1 La diode................................ 21 3.1.2 La droite de charge.......................... 22 3.1.3 Les diodes particulières....................... 25 3.2 Equipement nécessaire pour le laboratoire................. 26 3.3 Relevé de la caractéristique i D v D d une diode............. 27 3.4 Redressement du courant alternatif..................... 27 3.4.1 Redressement simple alternance sans condensateur........ 27 3.4.2 Redressement simple alternance avec condensateur........ 28 3.4.3 Redressement double alternance avec condensateur........ 29 3.5 Circuit limiteur................................ 29

TABLE DES MATIÈRES iii 3.6 Régulateur de tension à base d une diode Zener.............. 30 3.7 Démodulateur AM (BONUS)........................ 32 4 Laboratoire 3 : Polarisation et petit-signal 36 4.1 Rappels théoriques.............................. 37 4.1.1 Introduction............................. 37 4.1.2 Le transistor bipolaire........................ 37 4.1.3 Régimes de fonctionnement..................... 38 4.1.4 Polarisation d un circuit....................... 38 4.1.5 Droite de charge........................... 39 4.2 Équipement nécessaire pour le laboratoire................. 40 4.3 Circuit d amplification en émetteur commun................ 41 4.3.1 Polarisation.............................. 41 4.3.2 Amplification d un signal...................... 41 4.4 Circuit d amplification en collecteur commun............... 42 4.4.1 Polarisation.............................. 43 4.4.2 Amplification d un courant petit signal............... 44 4.5 Source de courant.............................. 44 4.6 Circuit d amplification sous LTspice.................... 46 5 Laboratoire 4 : L amplificateur audio 48 5.1 Introduction.................................. 48 5.2 Compléments................................. 49 5.2.1 La contre-réaction négative..................... 49 5.2.2 La configuration Darlington..................... 51 5.3 Équipement nécessaire pour le laboratoire................. 52 5.4 L amplificateur audio............................. 52 5.4.1 Circuit d amplification........................ 53 5.4.2 Alimentation............................. 54 5.5 Polarisation.................................. 54

TABLE DES MATIÈRES iv 5.5.1 Alimentation............................. 54 5.5.2 Sources de courant.......................... 54 5.5.3 Polarisation de Q 1, Q 2 et Q 5.................... 55 5.5.4 Polarisation du Push-pull...................... 55 5.6 Analyse en petit-signal............................ 55 5.6.1 Gain en tension............................ 55 5.6.2 Gain en courant........................... 56 5.6.3 Distorsion de croisement....................... 56 5.6.4 Fréquences de coupure........................ 57 5.6.5 The real thing............................ 57 5.7 Bilan du laboratoire............................. 57 A Règlement d ordre intérieur 58 B Fiches techniques 61 C Formulaire d exercices 66

Chapitre 1 Organisation des laboratoires Sommaire 1.1 Informations générales sur les laboratoires.......... 1 1.2 Matériel à votre disposition................... 2 1.2.1 Petit matériel............................ 2 1.2.2 Tables de laboratoire........................ 2 1.2.3 Générateur multifonction..................... 3 1.2.4 Oscilloscope à deux canaux.................... 4 1.2.5 Multimètre............................. 5 1.2.6 Ordinateur............................. 5 1.3 Quelques rappels.......................... 6 1.3.1 Théorème de Thévenin....................... 6 1.3.2 Circuit RC............................. 7 1.3.3 LTspice............................... 8 1.4 Présentation des quatre séances de laboratoire........ 9 1.4.1 Laboratoire introductif....................... 9 1.4.2 Circuits à diodes.......................... 9 1.4.3 Polarisation de transistors et petit signal............. 9 1.4.4 L amplificateur audio....................... 10 1.1 Informations générales sur les laboratoires Les laboratoires d Electronique analogique sont composés de 4 séances obligatoires. Elles sont prévues pour une durée de 4h et auront lieu au R100 selon l horaire annoncé sur le site du cours. Le R100 se trouve au rez-de-chaussée de l Institut Montefiore (B28, P32). L accès se fait par le couloir reliant le hall d entrée de l Institut à la passerelle menant à l Institut de Mathématique. Six tables de laboratoire y sont disponibles ainsi que plusieurs ordinateurs. 1

CHAPITRE 1. ORGANISATION DES LABORATOIRES 2 Ces laboratoires seront réalisés par groupes de 4 étudiants au maximum. Les groupes seront formés lors de la séance d introduction au logiciel LTspice. Une interrogation individuelle est susceptible d être donnée à la fin de chaque laboratoire. Il est donc très important que toutes les personnes du groupe participent activement à chaque séance. Ces interrogations compteront pour un total de 10% de la cote finale de l examen. Il est obligatoire de préparer chacun des laboratoires avant leur déroulement (voir instructions dans les encadrés de chaque laboratoire). La préparation contient des rappels théoriques dont l assimilation est indispensable pour la bonne compréhension des manipulations et pour la réussite des interrogations. A cette fin, veuillez noter que les assistants et étudiants moniteurs n auront pas le temps de revoir avec vous ces matières dans le détail durant le laboratoire, par contre ils pourront répondre à des questions ponctuelles. L accès au R100 est conditionné au respect du règlement d ordre intérieur repris en annexe. Nous insistons sur la propreté, la tenue et le respect du matériel. Des poubelles sont mises à votre disposition au pied de chaque table. 1.2 Matériel à votre disposition 1.2.1 Petit matériel Au début de chaque séance, chaque groupe recevra une valisette contenant des câbles de connexions et du petit matériel, voir Fig. 1.1. Veuillez prévenir le responsable si du matériel est manquant ou défectueux. A la fin de chaque laboratoire, vous restituerez la valisette et son contenu au responsable. Fig. 1.1 Petit matériel 1.2.2 Tables de laboratoire Les prises électriques des tables sont alimentées lorsque le bouton noir situé sur le montant gauche est enfoncé (fig. 1.2). Sur certaines tables, sur le montant droit, un voyant lumineux s éclaire lorsque la table est sous tension. Veillez à couper l alimentation

CHAPITRE 1. ORGANISATION DES LABORATOIRES 3 Fig. 1.2 Table de laboratoire en appuyant sur le bouton rouge avant de quitter le local. Attention, les multimètres doivent être éteints séparément, ils fonctionnent sur piles. 1.2.3 Générateur multifonction Fig. 1.3 générateur multifonction Le générateur multifonction de la figure 1.3 est constitué de 4 appareils distincts : 1. un compteur, permettant par exemple de déterminer la fréquence d un signal, 2. un multimètre, permettant par exemple de mesurer des tensions, 3. une alimentation continue, permettant de générer des tensions continues entre 0 et 35 V, 4. un générateur de fonctions, permettant de générer des signaux carrés, triangulaires ou sinusoïdaux, voir figure 1.4. Vous constaterez que le générateur possède deux boutons POWER. Le premier est spécifique au multimètre et le deuxième alimente les 3 autres appareils. Si l appareil ne répond pas lorsque vous enclenchez ces boutons, vérifiez l alimentation de la table et les interrupteurs situés à l arrière du générateur multifonction. Veillez toujours à éteindre le multimètre après usage pour économiser sa pile. L alimentation continue dispose de trois séries de bornes de connexion. La première délivre 5 V, la deuxième 15 V et la troisième délivre une tension variable de 0 à 30 V.

CHAPITRE 1. ORGANISATION DES LABORATOIRES 4 Le générateur de fonction permet de générer des signaux spécifiques, de fréquence et d amplitude voulues. Attention, certains boutons n agissent que s ils sont tirés. Dans le cas du variateur d amplitude, lorsqu il est tiré, les signaux générés sont de plus faibles amplitudes (mv au lieu du V). Fig. 1.4 Générateur de signaux 1.2.4 Oscilloscope à deux canaux Fig. 1.5 A gauche, l oscilloscope TDS 2225 et à droite le TDS 1002 L utilisation des fonctions classiques d un oscilloscope est assez simple. Vous aurez l occasion de manipuler des oscilloscopes à 2 canaux, c est-à-dire, permettant d afficher deux signaux simultanément. Généralement vous vous servirez de sondes coax-crocos, dont vous brancherez la fiche coaxiale sur la borne de l oscilloscope et les pinces crocos dans votre circuit. Notez que la pince crocodile noire correspond à la masse. Veuillez connecter toutes vos masses ensemble (oscilloscope, alimentation, générateur, etc.) afin de garantir un potentiel de masse équivalent pour tous les appareils. Vous avez 3 modes d affichage pour un canal : ground (masse) affichant le potentiel de référence sur le canal, AC (alternatif) supprimant la composante continue d un

CHAPITRE 1. ORGANISATION DES LABORATOIRES 5 signal, et DC (continu) affichant tout le signal (continu + alternatif). Généralement, vous utiliserez ground pour aligner (à l aide du bouton position) vos canaux sur le même niveau de référence et vous visualiserez vos signaux sur DC. Sur les anciens appareils, cette sélection s opère à l aide d un interrupteur 3 positions et sur les nouveaux appareils, vous devez vous servir d un menu (channel menu). Le bouton rotatif situé au-dessus de la borne de connexion du canal modifie l échelle d affichage du signal (par exemple : 1 mv, 0,1 V, 5V par carré). Généralement, l échelle choisie pour le canal s affiche sur l écran de l oscilloscope. Le troisième bouton rotatif agit sur l échelle de temps (par exemple : 1ns, 1ms, 1s par carré). Vous devrez ajuster la position de ces boutons pour voir apparaître votre signal correctement. Notez qu il existe sur certains modèles un bouton autoset laissant à l oscilloscope le soin de rechercher, pour vous, le meilleur mode d affichage pour les signaux qu il reçoit. Ce bouton est à utiliser avec une grande vigilance car il conduira généralement à un affichage des signaux en mode AC rendant invisible la composante continue du signal. Un manuel détaillé du Tektronix TDS1002 se trouve sur le site : http ://www.tek.com/. 1.2.5 Multimètre Fig. 1.6 Multimètre Le multimètre (figure 1.6) fonctionne exclusivement sur piles. Il est impératif de l éteindre après utilisation. 1.2.6 Ordinateur Sous Windows XP, les machines du R100 disposent toutes du logiciel LTspice. Aucun logiciel ne peut y être installé sans autorisation. La modification des paramètres (écran de veille, etc.) de ces machines est formellement interdite. N oubliez pas d éteindre ces machines après leur utilisation. Vous pouvez également emporter vos propres PC portables

CHAPITRE 1. ORGANISATION DES LABORATOIRES 6 Fig. 1.7 Ordinateurs du R100 (attention que certaines bibliothèques de LTspice ont été mises à jour sur les ordinateurs du R100. Elles sont disponibles sur le site du cours). 1.3 Quelques rappels 1.3.1 Théorème de Thévenin Le théorème de Thévenin stipule que tout circuit électrique ne contenant que des résistances et des sources de tension peut être réduit à un circuit composé d une seule source de tension en série avec une résistance, comme illustré à la figure 1.8. Fig. 1.8 Simplification d un circuit électrique : théorème de Thévenin Le circuit équivalent est caractérisé par deux élements : 1. V th : c est la différence de potentiel mesurée aux bornes du circuit à vide, c est-àdire lorsque la charge est déconnectée. 2. R th : c est la résistance équivalente vue de l accès lorsque les sources de tensions sont court-circuitées et la charge est déconnectée. Prenons l exemple du circuit de la figure 1.9. Que valent V th et R th vue de l accès ab? Vous avez : 1. V th : c est la différence de potentiel mesurée aux bornes de l accès ab lorsque que

CHAPITRE 1. ORGANISATION DES LABORATOIRES 7 R1 Vin a Rth a R2 Rload Vth Rload b b Fig. 1.9 Application du théorème de Thévenin la résistance R load est déconnectée du circuit. Cela nous donne V th = R 2 R 1 + R 2 V in. (1.1) 2. R th : c est la résistance équivalente vue de l accès ab lorsque la source de tension V in est court-circuitée. Cela nous donne R th = R 1 R 2 = R 1R 2 R 1 + R 2. (1.2) 1.3.2 Circuit RC Les circuits RC sont beaucoup utilisés dans les montages électroniques. Il est utile de rappeler leurs propriétés principales. Charge d un circuit RC Soit une source de tension V i que l on connecte à un circuit RC au temps t = 0. En t > 0, la tension V aux bornes du condensateur aura la forme illustrée à la figure 1.10 V (t) = V i (1 e t/rc), (1.3) Le produit RC est appelé la constante de temps du circuit et est exprimée en secondes (s). Elle correspond au temps nécessaire pour que la tension V aux bornes du condensateur atteigne 63% de la tension appliquée V i.

CHAPITRE 1. ORGANISATION DES LABORATOIRES 8 Fig. 1.10 Charge d un circuit RC Décharge d un circuit RC Lorsqu un condensateur initialement chargé à une tension V 0 se décharge dans une résistance, la différence de potentiel V suit l évolution temporelle suivante : voir figure 1.11. V (t) = V 0 e t/rc, (1.4) Fig. 1.11 Décharge d un circuit RC Ici, la constante de temps RC correspond au temps que met la tension du condensateur pour chuter à 37% de sa tension initiale V 0. 1.3.3 LTspice Pour les différents laboratoires, il est impératif de lire le tutorial LTspice disponible à l adresse suivante : http://www.montefiore.ulg.ac.be/~vdh/supports-elen0075-1/ presentation-ltspiveiv.pdf Vous êtes vivement encouragés à utiliser ce logiciel le plus rapidement possible car vous en aurez besoin lors des séances de laboratoire. Il est très facile d utilisation et vous sera d une grande aide pour la compréhension de certains circuits.

CHAPITRE 1. ORGANISATION DES LABORATOIRES 9 1.4 Présentation des quatre séances de laboratoire 1.4.1 Laboratoire introductif Le premier laboratoire, intitulé Introduction, présente une série de manipulations qui vous permettront : 1. de vous familiariser avec les différents outils présents dans le laboratoire : oscilloscope, générateur de signaux, multimètre, breadboard,... ; 2. d étudier des circuits de base comme le diviseur potentiométrique et le diviseur de courant ; 3. d étudier des circuits à base de résistances et de condensateurs (réponse à un signal d entrée carré, filtres passe-bas et passe-haut etc...) ; 4. de vous familiariser avec le logiciel gratuit LTspice qui permet de simuler facilement un grand nombre de circuits électriques. 1.4.2 Circuits à diodes Le second laboratoire, intitulé Les diodes doit vous permettre : 1. de comprendre la caractéristique (i v) d une diode en polarisations directe et inverse ainsi que la notion de droite de charge ; 2. de comprendre le fonctionnement d un redresseur simple puis double alternance avec un condensateur de lissage ; 3. de comprendre le fonctionnement d un circuit limiteur de tension (et régulation de tension à l aide de diodes Zener) ; 4. d utiliser le logiciel LTspice pour résoudre différents types de circuits. 1.4.3 Polarisation de transistors et petit signal Le troisième laboratoire, intitulé Polarisation de transistors et petit signal doit vous permettre : 1. de comprendre le principe général de fonctionnement d un transistor bipolaire et ses différents régimes ; 2. de pouvoir polariser un transistor, d être capable de choisir son mode de fonctionnement et de comprendre la notion de droite de charge associée à un circuit à transistors ; 3. de comprendre les configurations de base : émetteur commun, collecteur commun et base commune ; 4. de savoir utiliser le logiciel LTspice avec un circuit à transistor.

CHAPITRE 1. ORGANISATION DES LABORATOIRES 10 1.4.4 L amplificateur audio Le troisième laboratoire intitulé l amplificateur audio doit vous permettre : 1. de comprendre le rôle joué par les différentes parties d un ampli-op (l amplificateur différentiel, les sources de courant, l étage de sortie Push-Pull,... ) ; 2. de pouvoir calculer le gain du circuit en tension et en courant, de comprendre le fonctionnement d une paire de Darlington et de calculer les différentes fréquences de coupure du circuit ; 3. de vérifier vos résultats à partir d une simulation LTspice.

Chapitre 2 Laboratoire 1 : Introduction Sommaire 2.1 Rappels théoriques........................ 12 2.1.1 Ecoulement du courant...................... 12 2.1.2 Répartition du potentiel électrique................ 12 2.2 Equipement nécessaire...................... 13 2.3 Visualisation de signaux à l oscilloscope............ 14 2.3.1 Visualisation d un signal EN L ABSENCE D UNE résistance de charge.............................. 14 2.3.2 Visualisation d un signal EN PRESENCE D UNE une résistance de charge.............................. 15 2.4 Le diviseur potentiométrique.................. 16 2.4.1 Le diviseur potentiométrique SANS résistance de charge.... 16 2.4.2 Le diviseur potentiométrique AVEC résistance de charge.... 16 2.5 Diviseur de courant........................ 17 2.6 Les condensateurs......................... 17 2.6.1 Circuit RC soumis à un échelon de tension........... 18 2.6.2 Circuit RC soumis à un signal carré............... 19 2.6.3 Filtres passe-bas.......................... 19 Préparation de ce laboratoire lire la section 2.1 et assimiler les conventions de tension et de courant ; revoir le théorème de Thévenin et les circuits RC ; lire le reste du chapitre 2. 11

CHAPITRE 2. LABORATOIRE 1 : INTRODUCTION 12 2.1 Rappels théoriques Avant de calculer ou mesurer les grandeurs électriques d un circuit, il est essentiel de se faire une idée de la répartition du courant ou du potentiel électrique. Ceci vous permettra de vérifier la cohérence de vos calculs / mesures. Par exemple, si vous alimentez un circuit avec une source unique de tension V CC = 30 V, il est impossible qu un point de ce circuit développe une tension de polarisation supérieure à 30 V! Cela paraît évident mais nombre d étudiants ne prennent pas la peine d être critiques par rapport à leurs résultats. Ce rappel théorique a pour but de vous remettre à l esprit quelques principes de bases de l électricité. 2.1.1 Ecoulement du courant Selon les conventions adoptées dans ce cours, les sources de tensions hautes sont toujours représentées en haut du schéma et les sources de tensions basses apparaissent en bas du schéma. Le courant électrique s écoule du potentiel électrique le plus haut vers le potentiel le plus bas, soit globalement de haut en bas. Le potentiel bas est quelconque, il peut-être supérieur, égal ou inférieur à 0 V. Ici, le qualificatif bas signifie simplement qu il est inférieur au potentiel haut. On peut faire l analogie avec la pression d un liquide. Un liquide s écoulera toujours de la haute pression (potentiel haut) vers la basse pression (potentiel bas). Les figures 2.1, 2.2 et 2.3 illustrent quelques exemples du sens d écoulement du courant dans différents circuits (remarquez cependant que la figure 2.3 s écarte des conventions adoptées dans le reste du cours). +10V 0V Fig. 2.1 Sens d écoulement du courant : exemple 1 2.1.2 Répartition du potentiel électrique On a vu plus haut qu on pouvait comparer le courant électrique à de l eau s écoulant dans un circuit de tuyaux. Le générateur de tension peut être vu comme une pompe que l on utilise pour mettre le liquide sous pression. La différence de potentiel ressemble alors

CHAPITRE 2. LABORATOIRE 1 : INTRODUCTION 13 0V -10V Fig. 2.2 Sens d écoulement du courant : exemple 2 +5V i=0 +6V +5V 0V +10V Fig. 2.3 Sens d écoulement du courant : exemple 3 à la différence de pression entre deux points du circuit d eau. Dans un circuit électrique, la différence de potentiel est notée U et est exprimée en volts. Par convention, la différence de potentiel (ou ddp) aux bornes d un élément du circuit est la différence entre le potentiel haut et le potentiel bas. Graphiquement, cette ddp est représentée par une flèche. Faites attention aux sens relatifs des ddp et des courants, comme par exemple dans le circuit de la figure 2.4 : pour une source de tension, la flèche part de la borne négative vers la borne positive et le courant s écoule en sortant de la borne positive, soit dans le sens de la flèche de tension. Ainsi, pour le générateur, la ddp vaut U 0 = U et le courant i est injecté dans le circuit vers R 1. pour un autre élément, comme une résistance, la flèche part également du potentiel bas vers le potentiel haut mais le courant circule dans le sens opposé à la flèche de tension! Ainsi, pour la résistance R 1, le courant s écoule de gauche à droite et la différence de potentiel à ses bornes (ddp) est égale à U V 1, où U > V 1. Pour R 2, la ddp est égale à V 1 0 = V 1 où V 1 > 0. (Le potentiel de référence du circuit vaut 0 V). 2.2 Equipement nécessaire Une valisette contenant les câbles de connexions Un oscilloscope double trace

CHAPITRE 2. LABORATOIRE 1 : INTRODUCTION 14 U ddp=u-v1 V1 Générateur de tension U - i R1 R2 ddp=v1-0v 0V Fig. 2.4 Répartition du potentiel électrique Un breadboard Un multimètre Un générateur de signal Boîtes contenant les capacités et résistances prévues pour ce laboratoire 2.3 Visualisation de signaux à l oscilloscope La première manipulation a pour but de visualiser à l oscilloscope un signal produit par le générateur et de déterminer l influence d une résistance de charge sur le signal. 2.3.1 Visualisation d un signal EN L ABSENCE D UNE résistance de charge 1. Branchez la sortie OUT du générateur de fonctions au canal 1 de l oscilloscope. Réglez le générateur sur un signal sinusoïdal avec une fréquence de 1 khz et une tension crête-à-crête de 6 V. Vérifiez que le bouton de sélection du générateur 50 Ω / 600 Ω est bien positionné sur une impédance de sortie de 50 Ω, adaptée à l impédance caractéristique du câble coaxial utilisé. 2. Réglez l oscilloscope à l aide des boutons rotatifs de manière à observer le canal 1 avec une échelle de tension de 1 V par carré et une échelle de temps de 1 ms par carré. 3. Passez en mode ground et alignez le signal sur la ligne centrale de l écran. A quoi peut servir le mode ground? Passez en mode DC puis tirez et tournez simultanément le bouton d offset dans le sens horlogique. Qu observez-vous? 4. Passez ensuite en mode AC. Quelle est la différence entre les modes AC et DC?

CHAPITRE 2. LABORATOIRE 1 : INTRODUCTION 15 5. Que se passe-t-il lorsque vous modifiez les échelles de temps et de tension sur l oscilloscope? Les valeurs observées sont-elles modifiées? 2.3.2 Visualisation d un signal EN PRESENCE D UNE une résistance de charge Dans la manipulation précédente, nous avons branché la sortie du générateur de signal directement sur l entrée de l oscilloscope. Ce dernier possède une résistance d entrée de l ordre du MΩ qui n influence pas le signal généré. Dans la manipulation suivante, nous allons déterminer l influence de la résistance de charge sur la tension obtenue à la sortie du générateur de signaux. Ceci vous permettra de comprendre la notion d impédance de sortie du générateur ainsi que ses conséquences sur l amplitude du signal généré. Un outil essentiel est le schéma équivalent de Thévenin de la figure 2.5. Fig. 2.5 Schéma de Thévenin du générateur de signal à vide et en charge 1. Munissez-vous d un câble coax-croco et d un T (pour câbles coaxiaux). Sans modifier les paramètres de l oscilloscope ni ceux du générateur, connectez l oscilloscope en parallèle avec une résistance de 470 Ω (ou proche de cette valeur). Quelle est la résistance effective de charge si l impédance d entrée de l oscilloscope vaut 1 MΩ? 2. Mesurez les tensions de sortie à vide (sans résistance) et en charge (résistance connectée)? Qu observez-vous? 3. Expliquez vos résultats à l aide du schéma de Thévenin du générateur. 4. Comment varie l amplitude de sortie si le bouton du générateur est enfoncé sur 600 Ω?

CHAPITRE 2. LABORATOIRE 1 : INTRODUCTION 16 2.4 Le diviseur potentiométrique 2.4.1 Le diviseur potentiométrique SANS résistance de charge Le diviseur potentiométrique, comme son nom l indique, permet de diviser une tension dans un rapport fixé par les valeurs des résistances qui le composent. Considérez le circuit de la figure 2.6. Vcc I1 R1 Icharge=0 I2 R2 Vout Fig. 2.6 Diviseur potentiométrique à vide 1. A vide (sans charge connectée à la sortie), que valent les courants I 1 et I 2? Etablissez l expression algébrique de la tension de sortie en fonction de V CC, R 1 et R 2. 2. Vérifiez vos calculs sur un circuit construit sur un breadboard avec V CC = 10 V et R 1 = R 2 = 10 kω. Vos résultats concordent-ils avec la théorie? 3. Déterminez l expression algébrique de la tension et de la résistance de Thévenin du circuit de la figure 2.6. 2.4.2 Le diviseur potentiométrique AVEC résistance de charge 1. Déterminez algébriquement la tension de sortie en fonction V CC, R 1, R 2 et R charge. 2. A l aide du circuit de Thévenin calculé précédement, mesurez sur un breadboard la tension de sortie V out avec les résistances de charge suivantes : R charge1 = 100 kω, R charge2 = 10 kω et R charge3 = 1 kω. Comment se comporte V out? Reste-t-elle égale à la tension à vide du point 2.4.1.1? Interprétez. 3. En conclusion, comment doit-on choisir R Thevenin et R charge pour que la tension de sortie du diviseur potentiométrique dépende le moins possible de la charge? De ce résultat, comment définiriez-vous un diviseur potentiométrique rigide?

CHAPITRE 2. LABORATOIRE 1 : INTRODUCTION 17 Vcc I1 R1 Icharge=0 Rthévenin Vthévenin Vout I2 R2 Vout Fig. 2.7 Diviseur potentiométrique et son équivalent de Thévenin Vcc I1 R1 Icharge I2 R2 Rcharge Vout 2.5 Diviseur de courant Fig. 2.8 Diviseur potentiométrique en charge Le schéma de la figure 2.9 représente un diviseur de courant. 1. Déterminez l expression algébrique de I 1 et I 2 en fonction de R 1, R 2 et V CC. 2. Construisez le circuit diviseur de courant en prenant R 1 = 1 kω, R 2 = 10 kω et V CC = 5 V. 3. Mesurez les courants I 1 et I 2 à l aide du multimètre. Comparez vos résultats avec la théorie. 2.6 Les condensateurs Les circuits RC sont omniprésents dans les circuits analogiques, soit de façon explicite, soit sous la forme de filtres parasites, comme illustré dans le chapitre 9 des

CHAPITRE 2. LABORATOIRE 1 : INTRODUCTION 18 Vcc R1 I1 I2 R2 Fig. 2.9 Diviseur de courant notes de cours. Dans cette section, nous allons rappeler leur comportement en régime transitoire et en régime établi. 2.6.1 Circuit RC soumis à un échelon de tension Vin 5V temps Fig. 2.10 Echelon de tension 1. Démarrez l ordinateur, cliquez sur l icône LTspice et ouvrez le schéma intitulé CircuitRC1.asc. Analysez-le afin d en comprendre son contenu. Cliquez ensuite sur l onglet Run et affichez V in et V out. 2. Expliquez qualitativement l évolution temporelle de la tension aux bornes de la résistance ainsi que celle de la tension aux bornes du condensateur. En particulier, avec quelle constante de temps le circuit réagit-il à l application de l échelon de tension? 3. Augmentez la valeur de R à 5 kω et réexécutez la simulation. Qu observez vous? Le condensateur se charge-t-il plus vite ou plus lentement? Comment expliquez-vous ces résultats? 4. Augmentez encore R à 50 kω. Comment évolue le courant de charge du condensateur lorsque RC augmente?

CHAPITRE 2. LABORATOIRE 1 : INTRODUCTION 19 2.6.2 Circuit RC soumis à un signal carré Vin 5V Temps Fig. 2.11 Signal d entrée carré 1. Ouvrez le schéma intitulé CircuitRC2A.asc. Analysez-le afin d en comprendre son contenu. Cliquez ensuite sur l onglet Run. 2. Quelle est la période T du signal V in? Que vaut la constante de temps RC du circuit? Le condensateur a-t-il le temps de se charger à 63% de V in? 3. Ouvrez le schéma intitulé CircuitRC2B.asc. Dans ce cas-ci, la constante de temps RC est 10 fois plus grande que la période T du signal d entrée. Comment évolue la tension aux bornes du condensateur en fonction du temps? Justifiez. 4. Fermez le schéma et ouvrez celui intitulé CircuitRC2C.asc. Dans ce cas-ci, la constante de temps RC est 10 fois plus petite que la période T du signal d entrée. Comment évolue la tension aux bornes du condensateur en fonction du temps? Justifiez. 2.6.3 Filtres passe-bas 1. Sur le breadboard, utilisez le générateur de signaux pour fournir une onde sinusoïdale de 8 V crête-à-crête. Prenez comme résistance 100 Ω et comme capacité pour le condensateur 1, 1 µf. Comparez l amplitude et la phase du signal d entrée v in à celles du signal de sortie v out pour des fréquences de 100 Hz, 400 Hz, 800 Hz, 1, 2 khz, 1, 4 khz et 1, 6 khz. 2. Sur un graphique, portez 20 log(v out /v in ) en fonction de la fréquence et interprétezen son allure. Que se passe-t-il à la fréquence f = 1/(2πRC)? 3. Observez à présent la tension aux bornes de R en fonction de la fréquence.

CHAPITRE 2. LABORATOIRE 1 : INTRODUCTION 20 R Vout Vin C Fig. 2.12 Filtre RC passe-bas