24016-Cours Electronique Analogique V2M13 MP

Cours Electronique Analogique

Cours Electronique Analogique /M.Pasquinelli/V2M12 1

Programme : ELECTRONIQUE ANALOGIQUE Caractrisation dynamique des signaux. Amplificateurs rels (courant dentre, tension de dcalage, rjection de mode commun, non-linarits). Fonctionnement linaire (contre raction, rgulateurs de tension, gnrateurs de courant, amplificateurs logarithmiques..). Fonctionnement non-linaire (oscillateurs, gnrateurs de signaux, comparateurs,..). Amplificateurs dinstrumentation, disolement. Convertisseurs tension-frquence, NA, AN. Techniques de protection contre les signaux parasites de mode commun, de mode srie (Isolement galvanomtrique, coupleurs optolectronique). Extraction dun signal du bruit (dtecteur synchrone, accumulateur-moyenneur). Rfrence :

1. J.Y.GAY : Prcis dlectronique analogique : Polycop Cours 5me dition ENSPM-1979 2. P.A.PARATTE-P.ROBERT : Systmes de mesure : DUNOD 1986 3. F.MANNEVILLE-J.ESQUIEU : Systmes boucls linaires, de communication et de filtrage :

DUNOD 1990 4. F.MANNEVILLE-J.ESQUIEU : Thorie du signal et composants :DUNOD 1990 5. S. VALKOV : Physique applique Electronique : S. VALKOV-2001 6. J.M. FOUCHET, A.PEREZ-MAS : Electronique pratique : BORDAS 1984 7. M.SAUZADE : Introduction llectronique analogique : De Boeck 1995 8. G.ASCH et col : Acquisition de donnes : DUNOD - 1999

Sites constructeurs : Analog Devices : http://www.analog.com/en/ Texas Instruments: http://www.ti.com/ National Semiconductor: http://www.national.com/ Fairchild Semiconductor:



A- CARACTERISATION DYNAMIQUE DES SIGNAUX. Page 3 B- AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL Page 10 C- MONTAGES LINEAIRES A AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL Page 16 D- MONTAGES NON LINEAIRES A AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL Page 21 E- LES CIRCUITS POUR LE CONDITIONNEMENT DES SIGNAUX Page 30 F- LES CIRCUITS POUR LA CONVERSION DES SIGNAUX Page 39 ANNEXE 1 : SIGNAUX TRANSMIS PAR UNE SOURCE : IMPORTANCE DES IMPEDANCES ANNEXE 2 : DU CAPTEUR A LAMPLIFICATEUR ANNEXE 3 : LES COMPOSANTS DE L'ELECTRONIQUE



A- CARACTERISATION DYNAMIQUE DES SIGNAUX. 1. SIGNAL ELECTRIQUE ANALOGIQUE ET ELECTRONIQUE ANALOGIQUE En lectronique, le terme signal traduit lvolution temporelle, frquentielle dune grandeur lectrique (tension, courant, puissance) Par signal analogique, on entend un signal damplitude volution temporelle continue. (on utilise aussi le terme linaire, qualificatif certainement incorrect en ralit mais pass dans le langage courant des lectroniciens)

1.1 Les dispositifs de llectronique analogique

On rencontrera parmi les dispositifs de linstrumentation lectronique analogique :

Des sources de signaux (gnrateur de tension, de courant, .) Linstrumentation lectronique (oscilloscope, multimtre, analyseur frquentiels,)

1.2 Les composants de llectronique analogique On rencontrera parmi les composants de llectronique analogique :

Des composants passifs (rsistance, condensateur, inductance) Des composants actifs (diodes, transistors bipolaire, MOS, amplificateurs oprationnels, circuits

intgrs spcifiques) Lassemblage de ces composants permettra de raliser des circuits spcifiques (redresseur, mise en forme, amplificateur, convertisseur,) 1.3 Les fonctions de llectronique analogique

Gnrations de signaux (Sources Puissance, : Energie, Tlcommunications,.) Traitements des signaux (Amplifications, comparateurs, filtres) Conversion des donnes (Analogique/Numrique)

1.4 Les socits de llectronique analogique (2007) Circuits, composants semi-conducteurs : Analog Devices, National Semiconductor, Motorola, STMicro, Sony, TexasInstruments, ,.. Instrumentation : Agilent, Philips, Tektronix, Hameg, SEFRAM, 2. LES SIGNAUX DE LELECTRONIQUE ANALOGIQUE Dans le domaine de l'lectronique analogique, un signal reprsente l'volution temporelle (ou frquentielle) d'une grandeur lectrique (tension, courant, puissance)

Amplitude

t



2.1 Signal volution temporelle continue ou constante Exemple : Gnrateur de tension constante

Caractristique mtrologique o Amplitude = Vcc

2.2 Signal Priodique Le signal S(t) se reproduit identiquement lui-mme aprs une dure T appele priode temporelle

)()( TtStS 2.2.1 Caractristiques mtrologique

Temporelles Priode Frquence Pulsation Symbole T f Unit s Hz rad/s Relation

T

f 1 fT

22

Amplitude Valeur instantane Valeur maximale Valeur minimale Valeur crte-crte Symbole S SMAX SMIN Scc Unit V,A Relation )( itSS MINMAXcc SSS Valeur moyenne

Composante continue Valeur efficace Facteur de forme

Symbole S0,SMOY SEFF,SRMS F Unit V,A sans Relation

dttST

ST

i0

0 )(1

dttST

ST

iRMS 0

22 )(1MOY

EFF

SSF

2.2.2 Reprsentation composite de S(t)

)()()( TtvStvStS 00

Avec S0 la valeur moyenne et v (t) la composante variable valeur moyenne V0 nulle. 2.2.3 Mesure de la valeur efficace dun signal S(t)

2.2.3.1 Valeur efficace vraie (True Root Mean Square ; TRMS)

Vcc

t

V

Vcc + +

V(t) = Vcc = constante



dttvTSdttv

TdtS

TdttvS

TdttS

TS

TTTTT

iRMS 0

0

0

2

0

20

2

00

0

22 21111 )()()()(

On peut retrouver facilement la relation : 220 RMSRMS vSS

2.2.3.2 Valeur efficace de la composante variable

Certains voltmtres mesurent uniquement vRMS et le rsultat est correct si la tension mesure est purement sinusodale.

2.3 Signal sinusodal

2.3.1 Reprsentation

Temporelle : )2

...2sin()...2cos()( tfStfStS MAXMAX Complexe : tjtjjMAX

tjMAX eSeeSeSjS

)()( )...2sin(.)...2cos()( tfjtfSjS MAX On en dduit : )).(()( jSRtS el

2.3.2 Relations Drivation et intgration

)2

...2cos(...2)...2sin(...2)( tfSftfSfdt

tdSMAXMAX

)2

...2cos(...2

1)...2sin(...2

1)( tfSftfSfdttS MAXMAX

Addition de deux signaux de mme frquence et phase : )cos(sincos tCtBtA avec 22 BAC et

ABtan

2.3.3 Proprits

Valeur moyenne 00 S

T1 X S(t) SEFF

cos -cos

sin

-sin

DriveIntgrale



Valeur efficace 2

MAXEFF

SS 2.4 Signaux impulsionnels On peut dfinir un signal impulsionnel priodique partir dun motif de base qui va tre reproduit la frquence f=1/T

Exemple : Signal de synchronisation TTL La plupart des gnrateurs de fonctions disposent dune sortie TTL, ce signal de mme frquence et de mme phase que le signal principal est utilis pour synchroniser ou dclencher des mesures relatives au signal principal ou comme signal de commande de circuits logiques. Nota : VL = 0 volt et VH = 5 volts 2.4 Signaux chantillonns Une fonction importante de llectronique numrique est de traiter massivement et rapidement les donnes. Ces donnes sont souvent issues de signaux analogiques qui doivent tre convertis-en valeurs numriques, la premire tape consiste prlever ces valeurs par chantillonnages.

Le signal, chantillonn la frquence Fe est constitu dune suite de valeurs : {S(0), S(Te),S(2Te),.S(nTe),.}=S*(t)

2.5 Signaux chantillonns-bloqus Aprs lchantillonnage, la tension est maintenu constant jusquau prochain chantillonnage.

S

t

VH

VL

td 0

tr tf

PW

T

Amplitude

t

Te

Te

Amplitude

t

Avec : td = retard ; tr = temps de monte, tf = temps de descente, PW = dure pulse tat haut, T = Priode. VL = valeur tat haut, VH = valeur tat haut On dfinit le rapport cyclique par le quotient r = PW/T souvent exprim en %



2.6 Signaux numriss

2.7 Signaux numriss et mmoriss

Adresse Donnes 0000 0000 11010011 0000 0001 11000011

11010011 11000011



3. DECOMPOSITION EN SERIE DE FOURIER Tout signal S(t), priodique de priode T, peut tre reprsent par une srie de Fourier :

1

sincos)(n

nn tnBtnASotS avec : fT 22

Expression des coefficients So, An et Bn

dttST

SoT

O

)(1 tdtntSTAnT cos)(20 tdtntSTBn

T sin)(20

So est la valeur moyenne ou composante continue du signal Le terme gnral : tnBtnA nn sincos est appel harmonique de rang n, dans le

cas ou n = 1 ce terme est appel terme fondamental

Ecriture simplifie de lharmonique dordre n : Il est intressant de reprsenter le terme gnral par une fonction mise sous la forme :

)cos(sincos nnnn tnCtnBtnA avec : 22 nnn BAC et )arctan(

n

nn A

B Reprsentation frquentielle dun signal priodique Signal sinusodal : ftStS EFF 2cos2)( Signal priodique : )()( TtStS

Amplitude

Frquence

0

SEFF

f

Fondamental



Cas Particuliers La fonction reprsentative du signal S(t) est paire : S(t) = S(-t)

Les termes Bn sont nuls quel que soit n La fonction reprsentative du signal S(t) est impaire : S(t) = -S(-t)

Les termes An sont nuls quel que soit n 2- TAUX DE DISTORSION HARMONIQUE DUN SIGNAL PERIODIQUE On dfinit la composition en harmonique dun signal priodique par le taux de distorsion harmonique Thd (exprim en %)

1001

224

23

22

CCCCC

T nhd ....

Ainsi, vous pouvez vrifier quun signal purement sinusodal a un taux de distorsion harmonique nul car Ci = 0 si i>=1. Exemple : Dcomposition en srie de Fourier dun signal carr damplitude 1 volt et de frquence gale 1000 Hz

t

1V

S(t)

1ms

Amplitude

So

0

C1

f1 2f1

Fondamental

Frquence

C2

C3 Cn

nf1

Harmoniques



Taux de distorsion harmonique :

%,....

8143100637

5991127212 2222 hdT

637

212

12791 71 59

0

100

200

300

400

500

600

700

Frquence (Hz)

Am

plitu

de (m

V)

1000 3000 5000 7000 9000 11000



SIGNAUX MODULES 4-1 MODULATION DAMPLITUDE Modulation sinusodale damplitude Ce type de modulation permet de combiner deux signaux : le signal porteur (porteuse, carrier en anglais) et le signal modulant (information). Signal porteur : tfStS ccc 2cos)( Signal modulant : tfStS mmm 2cos)( On ralise le signal tftfmStS cmc ..2cos)..2cos1()( avec m = indice de modulation Reprsentation temporelle :

Time

0s 0.2ms 0.4ms 0.6ms 0.8ms 1.0ms 1.2ms 1.4ms 1.6ms 1.8ms 2.0msV(S)

-2.0V

-1.0V

0V

1.0V

2.0V

Signal porteur : tfStS ccc 2cos)( Sc = 1 volt et fc = 40 kHz Signal modulant : tfStS mmm 2cos)( Sm = 0,1 volt et fm = 1 kHz Indice de modulation : m = 0,2 Reprsentation frquentielle :

S

f

Sc 1

V

kHz

40 41 39

mSc/2 0,1



B- AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL 1. INTRODUCTION

1.1. UTILISATION DES AMPLIFICATEURS OPERATIONNELS Cest le circuit intgr analogique le plus utilis en lectronique compte tenu de :

Son faible cot Sa facilit de mise en uvre Ses performances

Cest un amplificateur qui possde :

Deux entres diffrentielles Une amplification A(f) = Vs/(V(+)-V(-)) en boucle ouverte trs lev en basse frquence

Utilisation principale

Permet de raliser une raction sortie-entre pour contrler la fonction de transfert E

S

VV

Lamplificateur dusage gnral (general purpose operational amplifier) type 741 est constitu de : 22 transistors, 11 rsistances, 1 diode et 1 condensateur.

Vs V-

V+

VCC

+

-

VEE

Ve Vs



1.2. APPLICATION DES AMPLIFICATEURS OPERATIONNELS Les signaux dentres peuvent tre continus (DC) ou variables (AC) Il peut raliser diffrentes oprations sur ces signaux

o Addition / Soustraction o Intgration / diffrentiation o Amplification o Filtrage o Adaptation dimpdance

Il est donc largement utilis pour la ralisation

o Source de tension / courant o Oscillateur o Echantillonneur Bloqueur o Amplificateur dinstrumentation o Comparateurs o Conditionneur de capteurs

2. LAMPLIFICATEUR IDEAL Le brochage des CI AOP possdent :

Deux entres gnralement notes V- et V+ ou VINV et VN.INV Deux broches pour les alimentations gnralement notes VCC et/ou VEE Une sortie Vs Eventuellement des autres entres pour raliser des fonctions de contrle ou de rglage de

la sortie.

ZI

ZO

V-

V+ Vs

AD(V+-V-)



Les proprits lectroniques de ce composant sont les suivantes : Une trs grande impdance dentre (Zi) Une amplification diffrentielle en boucle ouverte et en continu trs lev (AVD0 ou ADO) Une faible impdance de sortie (Zo)

Exemple : AOP 741 TI : AD0 = 200 000 Zi = 2 M Zo = 75 3. LAMPLIFICATEUR REEL

3.1. Tension de dcalage (input offset voltage VIO ou VOS) Thoriquement si V+ = V- alors VS = 0 volt En ralit Vs # 0 volt, on traduit ce dcalage de la sortie par une tension quivalente dentre VOS qui assure Vs=0V quand V+ = V-. Dans la pratique, la majorit des AOP possdent deux bornes supplmentaires (OFFSET NUL) destines la connexion dun potentiomtre dont le curseur sera reli une des alimentations Vcc. Il suffit dajuster le curseur pour annuler (compenser) la tension de dcalage VOS.

3.2. Courants de polarisations aux entres (input bias current IBIAS ou IIB )

En ralit Vs # 0 volt

+

-

+Vcc

-Vcc

#0V

+

-

VOS

0V

+Vcc

-Vcc

AOP 741 TI : VOS = 1mV

+

-

+Vcc

-Vcc

Vs

OFFSET N1

OFFSET N2



Ce sont des courants gnrs par les alimentations de lamplificateur oprationnel et qui apparaissent sur les entres inverseuse et non inverseuse et comme pour lamplificateur rel IB- et IB+ ne sont pas nuls, ils participent au dcalage de tension observ en sortie lorsque V+=V-

Les notices indiquent la moyenne arithmtique not IBIAS 2

BBBIAS III Input bias current. Again, this is a parameter that would ideally be zero. A positive input bias current refers to small current thats seen on the non-inverting input of the amplifier and similarly, negative input bias current is the small amount of current thats seen on the inverting pin of the amplifier. Input bias current refers to the average of these two values. Simply put, input bias current IBIAS is the average of the two input currents of the amplifier.

3.3. Courant de dcalage en entre (input offset current Ios ou IIo )

Cest la diffrence des deux courants de polarisation dentre, ces derniers ntant gnralement pas identiques.

BBOS III , la valeur indique reprsent la valeur absolue de cette diffrence. Input offset current refers to the difference between the bias currents of the amplifier. Again, ideally the two currents should be equal to obtain a zero output voltage. However, there has to be a difference between the two bias currents to set the output to zero. This difference is referred to as input offset current. IOS

3.4. Tension de Mode Commun et Mode Diffrentiel Les tensions de mode commun VCM1 et VCM2 apparaissent sur chacun des conducteurs du signal transmis par un capteur et connect sur les entres V+ et V- de lamplificateur.

On pose par dfinition, la tension de mode commun 2

21 CMCMCM

VVV , cest gnralement une tension parasite qui va perturber la mesure. La tension de mode diffrentiel VD est le signal utile amplifier

+

- -

+

VOS

IB-

IB+

Amplificateur idal (sans dcalage)

AOP 741 TI : IBIAS = 80 nA

AOP 741 TI : IBIAS = 20 nA



3.5. Taux de Rjection de Mode Commun (TRMC, CMRR, CMR)

)()( CMRMCDDCMD

CMDDCMCMDD VVAVA

AVAVAVAVs On appelle taux de rjection de mode commun (Common Mode Rejection Ratio CMRR) le

paramtre CMRR exprim en dB qui exprime la capacit de lamplificateur favoriser lamplification diffrentielle au dtriment du mode commun.

)log(20CM

D

AACMRRT

Nota : cette valeur est donne pour le rgime continu, et dcroit lorsque la frquence augmente. 3.6. Rponse frquentielle de lamplification diffrentielle en boucle ouverte AD(f)

Le modle le plus utilis correspond une rponse du premier ordre :

fcfj

AfA DD

1)( 0

Avec ADO = 100 000 et fc = 1 Hz On a reprsent ci-dessous la variation du module de AD(f) en dB

+

- VMC1

VS

Parasite

Capteur

VMC2

VD

+

- Vd

Vs VCM1

VCM2

Vs = ADVD + ACMVCM

AOP 741 TI : CMRR = 90dB



AVD(dB)

0

20

40

60

80

100

120

0,1 1,0 10,0 100,0 1 000,0 10 000,0 100 000,0

f (Hz)

Gai

n B

O (d

B)

Un paramtre important qui va traduire la limitation frquentielle (bande passante) de lamplification en boucle ferme est le produit Gain. Bande (Gain Bandwidth Product GBWP). On remarque que GBWP est gal la frquence mesure pour le gain unit :

AD = 1, donc 20log(AD) = 0dB Ce produit reste constant dans les montages en boucle ferme ainsi si : GBWP = 100 000 Hz Si on ralise un amplificateur damplification gale A = 100 (20.log(100) = 40 dB), la bande passante -3dB de lamplificateur sera limite 1000 Hz

3.7. Vitesse de balayage limite de la tension de sortie , Slew Rate (SR)

Ce paramtre qualifie la drive temporelle de la tension de sortie Vs : dt

dVs, cette dernire est limite

et sa valeur maximale est donne par le constructeur.

dtdVsSR max le Slew Rate est exprim en V/s

Frquence au gain unit Unit Gain frequency



Lorsque lentre prsente des variations damplitude importante, la sortie narrive pas suivre ces

variations et prsente alors des temps de monte et de descente limits par le Slew Rate.

Ve

t

Vs SR

AOP 741 TI : SR = 0,5V/s spcifi pour un gain unit



C- MONTAGES LINEAIRES A AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL 1. FONCTIONNEMENT LINEAIRE DUN AMPLIFICATEUR

Lamplificateur fonctionne en rgime quand la relation liant le module des amplitudes des tensions dentre et de sortie est de la forme :

AVeVs est vrifie pour la frquence de travail f. En gnral cette relation est vrifie pour un domaine de variation damplitude donn de Ve, au del et en de on observe des limitations damplitudes sur la sortie Vs (saturation, crtage,..)

2. CONTRE REACTION

A

B

Ve Vs

Le montage est dit en contre-raction car une partie du signal de sortie BVs est rinject avec le signe moins lentre de lamplificateur.

Vs

Ve A

Seuils de saturation

Zone de linarit

Ve Vs A

A = Gain ou transmittance en boucle ouverte B = transmittance de retour



Notation complexe : les variables complexes (par exemple )( jVs ) seront notes :Vs

)( VsBVeAVs VeABAVs )1( )1( BA

AVeVs

Application : Montage amplificateur non inverseur

R1

R2

VeVs

Lamplificateur oprationnel a un gain en boucle ouverte not A (suppos de valeur finie) On suppose par contre que son impdance dentre est infinie. Relations :

0V (1) ; VAVs . (2) ; 2

11

121

RR

RVs

RVe

V

(3)

On obtient la relation :

211121

2

RRRA

ARR

RVeVs

Nota : si on considre lamplificateur idal, c.a.d. A infinie, la relation se simplifie et on obtient :

12

RR

VeVs

Avantage de la contre raction : Elle stabilise et dfinit la fonction de transfert du montage, on peut remplacer lAOP par un autre AOP de la mme famille et on obtient la mme fonction de transfert car elle est essentiellement fixe par des composants extrieurs.



3. SOURCE DE TENSION REGULEE 3.1 Fonction : Une source de tension rgule fournit une charge une tension continue stable

jusqu un courant maximal.

3.2 Principe : on va utiliser un montage lectronique qui va stabiliser une tension dalimentation

continue V1. Le schma de principe est donn ci-dessous.

VR : Tension de rfrence stable (en gnral ralise par une diode Zner) Stabilisateur : Elment charg de fournir le courant Is dbit dans la charge. Cest un transistor qui

fonctionne en rgime linaire (Ballast) Comparateur : Il labore un signal de commande =k(Vs-VR) qui va piloter le stabilisateur pour assurer

Vs=constante. Vs est amene varier si la tension dalimentation VA volue ou /et si le courant de charge IS varie. 3.3 Stabilisation de la tension de sortie : facteurs de rgulation amont et aval 3.3.1 Rgulation amont Line regulation

Le facteur de rgulation amont traduit linfluence de la variation de la tension dalimentation VA sur la tension de sortie VS. Les conditions de mesures sont spcifies dans les fiches techniques des composants.

3.3.2 Rgulation aval ou charge Load regulation Le facteur de rgulation aval traduit linfluence de la variation du courant de sortie IS sur la tension de sortie VS. Les conditions de mesures sont spcifies dans les fiches techniques des composants.

3.4 Ralisation

VA VS

IA IS

VR rfrence

Comp. +-

Stabilisateur

RL

Vs

I

Imax 0



SOURCE DE TENSION CONSTANTE A AOP ET TRANSISTOR SERIE (BALLAST)

TIP120

R11k

R11k

RV4,7K

C470F

VREF

RCHARGE

3 26

7 415

U?

741

E1=5V

Vs

VCC+ VCC-

E2OV

Exemple 2 : Rgulateur intgr LM723 Tension de sortie Vs = 5V Line Regulation (VIN = 3V) Vs = 0.5mV

Load Regulation (IL = 50 mA) Vs =1.5mV

4. SOURCE DE COURANT REGULEE Le principe est identique, on introduit dans le montage une rsistance Ro qui sera traverse par le courant de sortie Is. Schma de principe :

RO

RL

VREF

Equations : On suppose lamplificateur parfait, on peut appliquer le principe de la masse virtuelle :

REFVVV cteRoVIs REF

Nota 1 : VREF et Ro doivent tre aussi prcis et stable que possible Nota 2 : la condition Is = cte quelque soit Vs est vrifi jusqu la valeur maximale pouvant tre

fournie par le montage, dans le cas dun amplificateur oprationnel standard Ismax = 50 mA environ

Is

Is

I=0

Vs

VREF VsAO



Nota 3 : Pour augmenter cette valeur on ajoute un transistor command par la sortie de lamplificateur.

Nota 4 : Un inconvnient de ce montage rside dans le fait que la tension Vs nest pas rfrence par

rapport la masse du rgulateur. Calcul de VsMAX : VREFVSVSVREFVSVSVREFVSVS MAXAOMAXAOAO Application numrique : VREF = 5 V ; VSA0MAX=VCC=12V ; VSMAX = 12V-5V=7V 5. AMPLIFICATEUR LOGARITHMIQUE Cest un amplificateur qui dlivre une tension de sortie proportionnelle au logarithme de sa tension dentre. Pour le raliser, on peut utiliser un composant non linaire, la diode par exemple, place dans la boucle de raction de lamplificateur oprationnel. Schma :

RVs

VeI

Equations : Relation I = f(V) relative la diode : pour V >0

akTqV

seII avec KTpourmVqkT 30025 et 1



D- MONTAGES NON LINEAIRES A AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL Fonctionnement non-linaire (oscillateurs, gnrateurs de signaux, comparateurs,..). 1. REGIME NON-LINEAIRE On distingue deux familles de circuits : les comparateurs et les gnrateurs de signaux mais pour les deux familles la tension de sortie nest plus lie par une quation algbrique la tension dentre. Comparateurs : La sortie ne peut prendre que deux tats dits tats Haut VH et Bas VL, tats qui vont

dpendre de la valeur de la diffrence VD = V+ - V- Gnrateurs de signaux : Ces circuits regroupent les oscillateurs harmoniques (sinusodaux) et les

autres sources de signaux priodiques (carr, triangulaire,) 2. LES COMPARATEURS DE NIVEAUX ANALOGIQUES 2.1 Fonction dun comparateur On appelle comparateur analogique un circuit intgr entre diffrentielle dont la fonction est de dlivrer un signal de dcision logique fonction des niveaux relatifs de deux signaux analogiques. Cest le composant qui constitue souvent linterface lectronique analogique-numrique. Pratiquement on peut se tourner vers deux solutions, utiliser un amplificateur diffrentiel classique ou plutt un comparateur ddi. 2.2 Caractristique de transfert dun AOP en boucle ouverte utilis en tant que comparateur La relation DAVVVAVs )( Avec A = 106 montre que ds que la tension VD atteint 15V, Vs sera limite aux valeurs Vcc et VEE , en ralit les deux valeurs possibles pour Vs sont notes VH et VL lgrement infrieures aux valeurs des alimentations.

Il y a basculement de la sortie lorsque VD = V+-V- =0 volt et la tension Vs sera gale : 2EECC VV .

En gnral VEE = -VCC ; alimentations symtriques, alors Vs au basculement passe par 0 volt.

Vs

VD

VH Seuils de saturation

VL

+

- VD Vs

Vcc

VEE

LAOP est suppos parfait AD = A trs grand, on nglige ACM Les valeurs absolues de Vcc et VEE sont suppose gale 15 V par exemple



2.3 Mise en uvre dun circuit comparateur spcifique Il existe de nombreux circuits spcifiques assurant la fonction de comparateur analogique avec choix du niveau de sortie (TTL, CMOS, ECL,..) Lexemple ci-dessous concerne les circuits LM111, 211,311 proposs par TI et National The LM111, LM211, and LM311 are single high-speed voltage comparators. These devices are designed to operate from a wide range of power-supply voltages, including 15-V supplies for operational amplifiers and 5-V supplies for logic systems. The output levels are compatible with most TTL and MOS circuits. These comparators are capable of driving lamps or relays and switching voltages up to 50 V at 50 mA. All inputs and outputs can be isolated from system ground. The outputs can drive loads referenced to ground, VCC+ or VCC. Offset balancing and strobe capabilities are available, and the outputs can be wire-OR connected. If the strobe is low, the output is in the off state, regardless of the differential input.

On remarque que la sortie est disponible sur le collecteur ou sur lmetteur dun transistor, il faudra connecter correctement ces deux sorties pour obtenir le niveau logique dsir. Deux entrs supplmentaires de rglage doffset et dinhibition de la sortie (strobe) sont aussi disponibles Caractristiques de transfert du LM111 :



2.4 La raction positive utilis pour raliser un comparateur hystrsis Lapport de la raction dans les montages comparateurs permet daccrotre la vitesse de commutation de la sortie et dutiliser des rsistances pour dfinir les seuils de commutation VD croisant et VD dcroissant (hystrsis). Principe :

VREF

VeVs

Montage avec raction positive

VREF

VeVs

R2R1

Expression gnrale de la tension V+

21

11

21

RR

RVs

RV

VREF

Expression gnrale du seuil de basculement : 0 VeVVV Comme VREF peut prendre deux valeurs VH et VL, on trouve deux seuils de basculement

Premier seuil : Ve = )(21

1' REFHREF VVRRRVV

Second seuil : Ve = )(21

1'' REFLREF VVRRRVV

Lhystrsis est recherche pour :

Lorsque le signal Ve(t) est bruit Pour assurer une commutation franche sans oscillations La ralisation doscillateurs et de monovibrateurs

Ve

Vs

VREF

VH

VL

Le montage prsente une raction de la sortie sur lentre. La sortie ne peut prendre que deux tats stables VH et VL.

Ve

Vs

VREF

VH

VLV V



Nota : On peut galement raliser un comparateur hystrsis avec les connexions suivantes :

R2R1Ve

Vs

V+

V-

Ici le signal arrive sur lentre non inverseuse mais lamplificateur est toujours en raction positive. La tension sur V- (VREF) est nulle dans cet exemple La condition de changement dtat de la sortie : Vs = AD( V+-V-) scrit alors Vs = ADV+ et donc : Vs = VH si V+ >0V et Vs = VL si V+



3.3 Oscillateur sinusodal pont de Wien

R1

R2

R

RC

C

Vs

V+

V-

Le gain de Boucle AB est gal : )1(3

121

.

RCRCjRR

BA

Conditions doscillations :

Argument de A.B = 0 : 00 ..21 f

RC condition sur la frquence

Module de A.B = 1 : 1223121 RR

RR condition damplification

3.4 Oscillateur relaxation : multivibrateur Le mcanisme des oscillateurs relaxation est diffrent de celui des oscillateurs sinusodaux. Le mcanisme de relaxation utilise :

la fonction comparateur hystrsis de lamplificateur oprationnel les deux rgimes de saturation de la sortie un condensateur qui va stocker de lnergie pour atteindre les seuils de comparaisons

Montage :

C R

Vs

R2R1

V+

Tension sur V+ VsRRRV

211

A t = 0 Vc(0) = 0, Vs = VH et HH SVRRRV 21

1 Seuil basculement haut

Lamplificateur oprationnel est suppos parfait, la masse virtuelle impose : VV

Expression de A : 121

RR

VVsA

Expression de B :

jCRCRCR

VsV

B1)//(

//

On suppose lAOP parfait de gain en B.O. infini La sortie Vs ne peut prendre que deux tats : VH et VL A la mise sous tension du montage t=0, on suppose que la charge initiale stocke par condensateur est nulle q(0)=q0 et VC(0) = 0.On suppose aussi que Vs(0)=VH La relation de basculement est donne par : )( VVAVs

HVVsVV LVVsVV

Par la suite on suppose pour le calcul de T que les valeurs absolues de VH et VL sont identiques.



Tension aux bornes du condensateur C

R

C

Vs Vc

Premier basculement : HVRRRVtVc

211)( ce premier basculement se produit t=t0

qui est pris comme nouvelle origine des temps. Donc HH SVRRRVVc 21

1)0(

Seuil de basculement aprs t=t0 Vs=VL LL SVRRRV 21

1 Seuil de basculement bas

Tension aux bornes du condensateur C

HRCt

HLRCt

SC SeSVVeVVtV

)1)(()1)(()( 00

Second basculement : LL SVRRRVtVc 21

1)(

Pour calculer T/2 on va se placer dans le cas ou VL=-VH , Avec ces hypothses ce second basculement se produit pour un temps t=T/2

ainsi : LHRCT

HLC SSeSVTV )1)(()2

( 2

Et on obtient une valeur T de la priode des oscillations donnes par : Courbe obtenue par simulation ISIS-SPICE avec le circuit suivant :

IC=2C

1uF

R

1k

Vs

R210k

R1

10k

V+

3

26

74 1 5 U1

741

+12V

-12V

Vs

VcVc

)1()0()1))(0(()( RCt

HRCt

SC eVVceVcVtV

)2121(...2

RRLogCRT



On retrouve la valeur T prvue thoriquement : T = 2,2 ms Illustration : Multivibrateur 100kHz ralis avec le comparateur LM111

4. LES MONOSTABLES (ONE-SHOT MULTIVIBRATOR) Ces circuits travaillent en rgime de commutation : la sortie ne peut prendre que deux tats, un tat stable permanent et un tat quasi-stable de dure dclench par une impulsion sur lentre du montage. Ils sont souvent utiliss comme circuit de temporisation.

T

SH

SL



Les circuits monostables peuvent tre raliss avec des transistors bipolaires, effets de champs, des amplificateurs oprationnels, des portes logiques ou des circuits intgrs logiques (type 74121, 555,) mais dans tout les cas on utilisera la charge (dcharge) dun condensateur C pour fixer la dure de limpulsion. Soit le circuit amplificateur oprationnel 741 : Principe de fonctionnement :

LAOP en raction positive assure le basculement de la sortie suivant les valeurs compares de V+ et V-

VVsiVVs H VVsiVVs L

Le circuit C1R1 fonctionne en drivateur en transformant le signal carr en deux impulsions positives et ngatives ( cest cette dernire qui dclenche le monostable)

C1

10n

R110k

R347k

C2

22nF

R2

100k

VREF4V

Ve

V-

Vs

D V+

3

26

74 1 5

U1741

-12V

+12V

VsVe

V-

V+

Chronogramme :

t1 t2 t3 Ve

Vs

t

t

On suppose : a) t=0 : V- = 0V, V+ < 0V = -VREF Alors Vs=VL (voir chronogramme) b) On applique un signal carr sur Ve, Le circuit C1R1 agit en drivateur, il transforme les fronts de monte et descente en impulsions positive et ngative. La diode D supprime limpulsion positive et limpulsion ngative si son amplitude est suprieure VREF fait basculer Vs ltat haut VH. On prendra cette transition pour nouvelle origine t = 0



Mise en quation de lvolution de V+(t)

R2

R3

C2

VREF

VH V+

On va chercher lexpression de q(t)

dtdqi (1) et iRR

CqVV REFS )( 32

2

(2)

(1) et (2) )()()( 2322322

REFSREFS VVCdtdqRRCq

dtdqRR

CqVV

Rsolution de lquation diffrentielle )(2)( 232

REFCRR

t

VVsCAeq Dtermination de A : pour t = < 0-, Vs = VL )(2 REFL VVCq (3)

i

=

VL

VH

V-

V+

Basculeme

Basculem



et pour t=0+, Vs=VH )(2 REFH VVCAq (4) Il y a continuit de la charge q donc )()( 22 REFHREFL VVCAVVC

22 )( VCVVCA HL avec LH VVV

On obtient donc pour t>0, lquation q(t) suivante : )()( 2)(

2232

REFHCRR

t

VVCeVCtq

On obtient alors pour t>0, lquation i(t) suivante : 232 )(32

)( CRRt

eRR

Vdtdqti

Et finalement lexpression de V+(t) = R3i(t)+VREF REFCRR

t

VVeRR

RtV

232)(

32

3)(

La sortie sera gale VH jusqu ce que V+ atteigne le seuil de basculement V-=0V, donc pour un temps donn par :

))(

()(32

3322 RR

RV

VLogRRCREF

Circuits intgrs spcifiques : Srie 74121: Texas Instruments, Fairchild Semiconductor,. Ce circuit trs utilis en logique numrique est compatible TTL permet dobtenir des dures dimpulsions ajustables par la connexion dune rsistance RX et dun condensateur CX

XX CR.7,0 Avec RX en k, CX en pF et en ns Connexion et table de vrit du CI 74121 :

Srie 555: Texas Instruments, Fairchild Semiconductor, SGS-Thomson, STMicroelectronics



Le circuit intgr 555 est un circuit TIMER Polyvalent qui peut assurer notamment la fonction monostable, dans cette configuration il peut atteindre des temporisations atteignant la minute. Cette dure est galement ajustable par un circuit RXCX externe.

XX CR.1,1 Avec RX en k, CX en pF et en ns Schma fonctionnel : Document Texas Instruments Connexion en fonction monostable : (ajustable par le circuit RAC) Document Texas Instruments

C

R



E- LES CIRCUITS POUR LE CONDITIONNEMENT DES SIGNAUX Amplificateurs dinstrumentation, disolement.

Ces circuits ont pour rle de traiter ou modifier le (s) signal (aux) dentre(s). Cette modification est analogique et agit soit sur lamplitude, la morphologie ou la frquence. Parmi les conditionneurs de signaux analogiques pour la mesure, les amplificateurs dinstrumentation occupent une place prpondrante. Un capteur dlivre gnralement un signal damplitude faible avec une impdance de sortie qui dpend de la technologie du capteur ou du conditionneur utilis (thermocouple, acclromtre pizolectrique, ponts de mesure,). Souvent, le signal utile se prsente comme une tension diffrentielle faible niveau accompagne dune tension de mode commun et de tensions parasites. Lamplificateur dinstrumentation est circuit de conditionnement fonctionnant en amplificateur diffrentiel qui doit possder un taux de rjection de mode commun leve pour ne slectionner que le signal utile du capteur. Lamplificateur dinstrumentation Caractristiques idales dun amplificateur dinstrumentation

Sa fonction de transfert doit tre de la forme : )21( VVAVs avec A rglable Son impdance dentre doit tre infinie Son impdance de sortie doit tre nulle Il doit possder un taux de rjection de mode commun lev

Illustration : tension de mode commun dalimentation dans un pont de Wheatstone :

VCC

AB

Application :

Ro

Ro

Ro

Ro+R

Le capteur rsistif est modlis par R=Ro+R avec R



VMCAAVAAVVMCAVVMCAVAVAVs DDD )(2)

2()

2( 2121212211

On crit : MCMCDDS VAVAV Lamplificateur dinstrumentation diffrentiel doit avoir : Une amplification ou gain en mode diffrentiel AD lev et une amplification ou gain en mode commun AMC faible

On caractrise cette proprit par la valeur du taux de rjection en mode commun )log(20MC

D

AAT

Nota 1 : il est frquent que VD soit beaucoup plus petit que VMC et ceci justifie la valeur leve de T Nota 2 : le taux de rjection en mode commun diminue avec la frquence 1. AMPLIFICATEUR DIFFERENTIEL : SOUSTRACTEUR

R KR

R

KR

V1

V2

VS

A1

A2

+

-

VMC

VD/2

VD/2 Vs

VD

V1

V2

Lamplificateur oprationnel est en C.R. le principe de la masse virtuelle est applicable VV



Le montage montre que : 11

1)1(

VK

KVRK

KRV et KVsVK

KRR

KRVs

RV

V

12

11

2

On obtient alors : )21( VVKVs 2. AMPLIFICATEUR DIFFERENTIEL A SORTIE FLOTTANTE (SYMETRIQUE) ET A HAUTES

IMPEDANCES DENTREES

U1

U2

KR

R

KR

Ea

Eb

Sa

Sb

C

D

3. AMPLIFICATEUR DIFFERENTIEL A SORTIE REFERENCEE A LA MASSE ET A HAUTES

IMPEDANCES DENTREES En ajoutant un amplificateur inverseur en sortie, on obtient un amplificateur dinstrumentation intgr propos par de nombreux fabricants, ci-dessous est reproduit le schma du CI AD620 dAnalog Devices.

Cette configuration prsente un taux de rjection de mode commun leve et un gain ajustable par le choix de RG. Lamplificateur disolement Si la tension de mode commun devient voisine des tensions dalimentations des amplificateurs

Amplificateur U1 : V+=V- implique VC = Ea Amplificateur U2 : V+=V- implique VD = Eb

)(21

1

)(

SbSaK

EbEaVV

SbSaKRKRR

REbEaVV

DC

DC

))(21( EbEaKSbSaVs

Vs



( +15V), lamplificateur dinstrumentation nest plus appropri, il faut utiliser un amplificateur disolement.

Constitu de deux tages damplification spars par une barrire disolement galvanique qui peut supporter une diffrence de potentiel leve 102 103V. Lamplificateur disolement est propos par les fabricants de C.I, titre dinformation :

ISO 124 Bur-Brown/Texas instruments AD 122/124 Analog Devices

Techniques disolement Lisolation des tages entres et sortie est obtenue :

En sparant les alimentations continues des amplificateurs En sparant les rfrences de potentiels entres-sorties (masses distinctes)

On appelle tension disolement, la diffrence de potentiel entre la masse de lentre et la masse de la sortie. Le maximum admissible est souvent de lordre de plusieurs kilovolts.

En sparant le signal de sortie de ltage dentre du signal dentre de ltage de sortie soit par couplage inductif (transformateur) ou par couplage optique.

Isolement par transformateur

Vs

V1

V2

OV sortieOV entre

A1

A2

Couplage

Isolement par couplage optique

Etage de sortie

A2 A1

Etage dentre

Isolation lectrique

Ve Vs



Vs

V1

V2

OV sortieOV entre

A1

A2

Couplage optique

Autres conditionneurs 4. AMPLIFICATEUR SUIVEUR

VE

RO

RC

Vs

Pour obtenir Vs=Ve, il faudrait que la rsistance RC soit trs grande devant la rsistance de sortie du signal Ve. On peut utiliser alors un amplificateur suiveur :

VeVs

Montage :

Ve

VsRO

RC

5. INTEGRATEUR INVERSEUR

i

VeRcRo

RcVsionconfiguratcetteDans :

On suppose lAO idal

La masse virtuelle implique : V+ = V- Les courants i+ et I- sont nuls : V+ = Ve

VeVs



C

q

R

- +Ve

Vs

Le montage est en C.R. le principe de la masse virtuelle est applicable VV Le montage montre que V+ = 0 V

dttVeRC

dVsdTdVsC

RtVeti )(1)()(

t

CqdttVe

RCtVs

0

)0()(1)(

t

VsdttVeRC

tVs0

)0()(1)(

6. DERIVATEUR INVERSEUR

C RVe

Vs


RtVs

dTdVeCti )()(

dttdVeRCtVs )()(

7. TRANSDUCTEUR COURANT-TENSION

R

IVs

Ce circuit permet de mesurer le courant I sans charger le gnrateur de courant. Le montage est en C.R. le principe de la masse virtuelle est applicable VV Le montage montre que V+ = 0 V

i

On suppose que la charge stocke initiale de C (t=0, application de Ve(t)) est q(0)



Ainsi : IRVs . La tension de sortie est proportionnelle lintensit du courant dlivr par le gnrateur. Applications : Mesures optiques de flux lumineux 8. TRANSDUCTEUR CHARGE TENSION OU AMPLIFICATEUR DE CHARGE

QVs

C


Ainsi : CQIdtCVs .1 Applications : Mesures avec capteurs pizolectriques



F- LES CIRCUITS POUR LA CONVERSION DES SIGNAUX Une fonction importante de llectronique consiste convertir les signaux, cest dire soit de transformer les variations de lamplitude en variations de frquence ou bien passer du mode de reprsentation analogique la reprsentation numrique. Dans ce qui suit, nous allons dtailler diffrents composants, circuits ou montages utiliss dans ces conversions. 1. LINTERRUPTEUR ANALOGIQUE Si lon veut transfrer un signal pendant une dure dtermine, on utilise le principe suivant :

Q

RVe

Vs

Par analogie avec les notations de llectronique numrique, on distingue :

Etat passant ou ON la position ou la commande qui ferme linterrupteur Etat bloqu ou OFF la position ou la commande qui ouvre linterrupteur

Nota 1 : pour que la relation Vs=Ve soit vrifie lorsque linterrupteur est ferm, il faut que la

diffrence de potentiel ses bornes soit nulle ce qui est quivalent considrer que sa rsistance RON soit gale 0 ohm.

Nota 2 : Cet interrupteur est gnralement command par une tension, dans ce cas lutilisation, dun

transistor effet de champ FET est mise en uvre. 2. LINTERRUPTEUR ANALOGIQUE A JFET Comportement du transistor FET en rsistance variable

R?

D S

G

D S

D S

VGS > VGS_OFF

VGS = OV

Application :

QNJFET

RVCMDVe

VsD S

G

Lorsque linterrupteur Q est ouvert la tension Vs est nulle Vs = 0 (1) Lorsque linterrupteur Q est ferm la tension Vs est gale la tension Ve Vs=Ve (2)

Pour le TEC canal N : Si la tension VGS est suprieure la tension VGS-

OFF (pincement par la grille), le transistor est quivalent un interrupteur ouvert

Si la tension VGS est gale 0V, le TEC se comporte comme une rsistance RDSON comprise entre 10 et 200.

Ve

VG

Vs

t

t

t



Dans les chronogrammes ci-dessus on remarque bien que la tension Ve est transmise si VG = 0V par conte si VGS est suffisamment ngatif le signal Ve nest plus reli la sortie. 3. LECHANTILLONNEUR-BLOQUEUR (SAMPLE AND HOLD) Cest un circuit essentiel pour la conversion analogique-numrique qui permet dchantillonner (prlever) la tension V (ti), de la bloquer pendant une dure tH ncessaire sa conversion numrique par un circuit spcifique connect sur Vs.

AO1

OPAMP

AO2

OPAMP

C

D1 D2

VS/H

R

QVs

Ve

Lchantillonneur-bloqueur fonctionne en deux temps :

Phase dacquisition : linterrupteur Q est ferm, la tension aux bornes du condensateur de mmorisation C suit le signal Ve(t)

Phase de mmorisation : le condensateur est isol de lentre par louverture de linterrupteur Q, il conserve le signal qui tait prsent linstant douverture.

On obtient alors les signaux suivants :

Echantillonnage

0

0,5

1

0 20 40 60 80 100

VeVS/H

Note1 : le signal chantillonn une forme caractristique marche descalier Note 2 : La priode dchantillonnage Te doit respecter le critre de Shannon-Nyquist si lon dsire reproduire sans ambigut le signal Ve.



Circuits intgrs spcifiques : LF 198/LF 298/LF 398 National Semiconductor

Ce circuit intgr peut tre pilot par des niveaux logiques TTL ou CMOS. Cest le choix de la valeur du condensateur de mmorisation (Hold Capacitor) qui fixe la dure de lacquisition (Te=10s lorsque CH = 1nF). Nota : Nature du condensateur de mmorisation : extrait data-sheet LF198



4. LA CONVERSION TENSION FREQUENCE (VOLTAGE TO FREQUENCY CONVERTER) Les circuits de conversion tension-frquence dlivrent en sortie des signaux impulsionnels de frquence de rcurrence proportionnelle lamplitude de la tension analogique (positive ou ngative) applique en entre : f=kVe Ces circuits sont la base doscillateurs commands en tension (VCO), ils sont aussi utiliss dans les circuits de conversion analogique numrique. Convertisseur tension-frquence pour tensions ngatives

IC=0

D

C

330n

R

100k

R1

10k

R2

22k

R'

10k

Vs

Vi

Ve

+12V

+12V

-12V

-12V

Vs

Vsi3

26

74 1 5

U1

741

3

26

7415

U2

741

Fonctionnement : Lorsque Vs=VL la diode D est bloque, lquation de sortie de lintgrateur U1 est donne par :

tRCVetVi )(

Lorsque Vi(t) atteint le seuil de basculement haut LVRR

21 du comparateur U2, la sortie de ce dernier

devient gale Vs= VH, la diode D est passante et la sortie d lintgrateur volue comme :

tCR

VtVi H'

)( ( on considre que Ve na plus dinfluence car R



On dmontre que :

La priode f des oscillations est peu diffrente de : 121

)( RR

RCVVVef

LH

La dure t de la tension de sortie tat haut est gale : CRRR '

212

Nota : Le signal de sortie nest pas carr et la frquence maximale sera limite par les

caractristiques dynamiques des AOP (slew rate) Circuits intgrs spcifiques : AD 650 Analog Devices, LM 331 National Semiconductor,

T

VH

VL

Vs, VI

tRCVe

21

RRVH

21

RRVL

tCR

VH'



Sur le schma fonctionnel du CI AD650 ci-dessus nous retrouvons lintgrateur, le comparateur et la diode daiguillage est remplac par un interrupteur command par la sortie dun monostable Ce circuit intgr peut assurer les deux fonctions VFC et FVC, la frquence de sortie maximale atteint 1MHZ. Sa sortie sur transistor collecteur ouvert permet de linterfacer avec toutes les familles logiques et de par sa grande prcision, il est utilis pour la conversion analogique numrique.



ANNEXE 1 : SIGNAUX TRANSMIS PAR UNE SOURCE : IMPORTANCE DES IMPEDANCES 1. NOTATION CONCERNANT LES SIGNAUX Signal = Tension, Courant, Puissance, Valeur instantane : s(t) ou s (lettre minuscule) Signal constant : s(t) = S (lettre majuscule) Notation complexe (signaux sinusodaux)

)cos()( tSts )()( tjSesjs tjtjj eSeSes Nota : S dsigne l'amplitude complexe stationnaire (indpendante de t) Utilisation :

iRv . IZV . Notation de Laplace (signaux quelconques)

0

dtetspSts pt)()()(

En pratique, pour l'analyse des circuits, les impdances complexes Z sont remplaces par les impdances oprationnelles Z(p) , ou p est la variable complexe j ( on pourrait utiliser la notation P) Exemple : jLZ LppZ )( jp 2. SCHEMA EQUIVALENTS EN PETITES VARIATIONS DES SOURCES DE SIGNAUX

(1) Expression de la tension v : iZev og

i

v

I

V

i

eg

Zo

v ig Zo v

i

(1) Schma quivalent en tension (2) Schma quivalent en courant



Tension de sortie vide dite de circuit ouvert : gco evig 0 Courant de court-circuit :

o

gcc Z

eiv 0

Sources de signaux de l'lectronique : SOURCE DE TENSION OU DE COURANT CONSTANTES (DC SOURCE) SOURCE DE TENSION OU DE COURANT ALTERNATIVES (AC SOURCE) SOURCE DE SIGNAUX VARIABLES AUTRES SOURCES : EMETTEURS, CAPTEURS,. APPLICATION : DC SOURCE :

Pour les sources de tension constante parfaites ou idales , la valeur de R est nulle. En ralit, les sources de tension relles prsentes des rsistances de sortie trs faibles, pouvant atteindre le m. ( accumulateurs ,..) SOURCE DE SIGNAUX VARIABLES Pour les sources de signaux variables ( "GBF") Zo = 50 ohms ou 600 ohms 3. ADAPTATION DIMPEDANCES (SOURCE CHARGE) 3.1 Puissance fournie une charge connecte aux bornes du gnrateur de signal

Puissance fournie la charge : 222

)( goLL

L

eZZ

ZZvP

R E

I

V

V

I

R=0

R#0

E

ZL

Zo

eg v

i



On montre que la puissance maximale est fourni la charge quand oL ZZ Application : Impdances rsistives Zo = Ro et ZL = RL

Puissance maximale : Ro = RL 0

2

41

Re

P g

Adaptation d'impdance (en puissance)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

RL/Ro

P/PM

AX

Application numrique : eg = 1V, Ro=50 P = 5 mW 3.2 Tension fournie une charge connecte (rsistance) aux bornes du gnrateur de signal

Tension aux bornes de la charge : goL

Lg

oL

L eRR

ReZZ

Zv Si lon sintresse uniquement la valeur de la tension aux bornes de la charge, son volution est donne par le trac suivant ;

Adaptation d'impdance (en tension)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 5 10 15 20 25

RL/Ro

v/eg

On remarque ici que la tension maximale eg est prsente sur la charge RL si cette dernire est infinie



Dans le cas ou RL=Ro la tension aux bornes de RL est gale la moiti de la tension du gnrateur. 4. Charge rsistive charge capacitive On va sintresser la transmission dun signal impulsionnel une charge et notamment laspect dynamique temporel. Schma de principe : Expression gnrale de v Le formalisme de Laplace est utilis car eg nest pas sinusodal

)()()(

)()(0

pEpZpZ

pZpV gL

L

On supposera dans la suite que Z0 est quivalent une rsistance R0.

Limpdance de charge est purement rsistive ZL(p)=RL

)()()()(00

teRR

RtvpERR

RpV gL

Lg

L

L

Il ny a pas de dformation temporelle du signal v(t), simplement une attnuation damplitude.

Limpdance de charge est purement capacitive Cp

pZL1)(

ZL

Zo

eg v

i

Forme de eg(t)

tEG

eg(t)

t

tG

L

L ERR

R0

EG

T

T



CpRpEpVpTpE

CpRpVpE

CpR

CppVg

gg00

01

1)()()()(

11)()(1

1

)(

On reconnat la fonction de transfert dun filtre passe bas de frquence de coupure

-3dB :CR

fc02

1

Le rseau R0C agit donc comme un filtre passe bas et va limiter la rponse frquentielle en liminant les frquences leves de e(t) ce qui se traduira par une dgradation de la transmission du signal. Consquence sur le comportement temporel : Dans cette reprsentation, le paramtre caractristique du circuit R0C est sa constante de temps

CR0 et la forme de v(t) va dpendre du rapport priode T (frquence F) du signal e(t) constante de temps () (frquence de coupure fc) du circuit R0C. On retrouve le comportement intgrateur du circuit

)()()( tetvdt

tdVRC g Lorsque eg(t) est constant et gal EG on obtient une rponse

exponentielle : )1()( t

G eEtv

Cas ou T >> (signaux basses frquences) Cas ou T



ANNEXE 2 : DU CAPTEUR A LAMPLIFICATEUR 1. MODELE ELECTRIQUE DUN CAPTEUR Un capteur traduit la variation du mesurande (pression, temprature,.) soit directement en variation lectrique ou en variation physique (dplacement,..) qui son tour est traduite en signal lectrique par un conditionneur appropri.

SIGNAL DE SORTIE / REFERENCE DES TENSIONS MASSE OU COMMUN: On dsigne par MASSE le potentiel de rfrence 0V de la tension considre. Cest le 0V fourni par les sources dalimentations continues qui sont isoles du rseau. Symboles : En gnral cette connexion est quipotentielle la masse mcanique (mtallique) du botier. TERRE : On dsigne par TERRE le potentiel de rfrence de la tension rseau secteur 220V 50Hz. Symbole : IL EST FREQUENT QUE LES POTENTIELS MASSE 0V ET TERRE SOIENT RELIES ENTRE EUX. AUTRE REFERENCE Dans la chane dacquisition, il est possible que les rfrences des signaux soient spares

Volontairement par exemple pour les masses analogiques et numriques ou pour isoler lectriquement lentre de la sortie.

Involontairement par lapparition dimpdance de masses pouvant perturber les mesures SCHEMAS DE LA SORTIE DUN CAPTEUR

Sortie diffrentielle / flottante

eg v

Sortie rfrence masse

eg v

Sortie rfrence masse/terre

eg v

ALIMENTATION

CONDITIONNEUR

vs

Is

Mesurande



2. SYNOPTIQUE CHAINE DACQUISITION DE MESURES

Tension utile (de mesure) DABBA VVVVVm (cest une diffrence de tension nomme tension diffrentielle) Elle transporte linformation traiter (amplifier,)

Tension de mode commun VMC : Cest une tension qui ne transporte pas dinformation et qui est commune VA et VB. Par dfinition :

2BA

MCVVV

On peut reformuler VA et VB 2D

MCAVVV et

2D

MCBVVV

Il est frquent que la tension de mode commun soit suprieure au signal issu du capteur, il faut donc lliminer pour ne conserver que linformation diffrentielle. Ce sera le rle notamment des amplificateurs diffrentiel pour linstrumentation qui possdent un taux de rjection de mode commun lev.

VMC

VD/2 VD/2

Vs

Par dfinition, )log(20CM

D

AACMRRT (si T = 100dB, VD sera 100 000 fois plus amplifie que VMC)

CAPTEUR / CONDITIONNEUR

ALIMENTATIONS ALIMENTATIONS

A

B

VD AMPLIFICATEUR

VS

S

Potentiel de rfrence 0V

VMC

MCMCDDS VAVAV



ANNEXE 3 : LES COMPOSANTS DE L'ELECTRONIQUE 1- LES COMPOSANTS LINEAIRES PASSIFS 1-1 RESISTANCES

R1

10k

RV1RES-VAR

RV2

POT

Relations fondamentales :

a/ Rsistance et rsistivit : SLR en .m ou .cm

b/ Loi d'Ohm V=f(I)

IRV . dIdV

IVR unit : ohm symbole :

Srie normalise E12

10 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 82 Exemple : R = 100 , R = 47 k, R = 6,8 M

I

V

I

VI

V

SL



RESISTANCES SPECIFIQUES :

Rsistances variables ou rglables ou potentiomtres Thermistances CTN et CTP Photorsistances ou LDR

ROLES ET UTILISATIONS DES RESISTANCES

Rglage de la valeur du courant traversant un composant

Rglage de la tension aux bornes d'un composant

Rglage constante de temps circuit RC ou LR / Rglage frquence de coupure filtre

I maxi traversant D1 Imax = (5-0,6)/1 000 = 4,40 mA

E5 V

R1

1k

D1

BE

10V

Q1NPN

R222k

R1180

R310k

E

On souhaite fixer la valeur VBE

ERR

RVBE 211

On obtient VBE = 0,76 volt

= R.C t = 104 10-7 = 1 ms

R

10k

C100nF



1-2 CONDENSATEURS

C1

1nF

C2

1uF

C3

1nF

VC1

CAP-VAR

Relations fondamentales :

a/ Capacit et permittivit : eSC en F.m-1

b/ Relation V=f(I) En rgime instantane

dtdvCi dtICV .1

En notation complexe

IZIjC

V 1

IjC

V 1

Impdance complexe jCZ1 Module = Ractance

CfCZ 1

211

GAMMES DES VALEURS ET TECHNOLOGIES DES CONDENSATEURS CERAMIQUES FILMS ELECTROLYTIQUES SUPERS

I

V

I

V

S

e



PLASTIQUES CONDENSATEURS1pF -1nF 1nF-1F 1F-1mF 1mF-100mF 1F

TECHNOLOGIE DES CONDENSATEURS

condensateurs lectrolytiques polariss (chimiques)

Condensateurs de valeurs leves ( qq F qq 100 F) ROLES ET UTILISATIONS DES CONDENSATEURS

Condensateurs de Filtrage

S

M

C1100u

BR1

BRIDGE

TR1

TRAN-2P2S

R110k

220V AC 12V AC

Estimation de la valeur de C1 Tension VSM (si pas de condensateur)

Condensateurs de dcouplage

Application : f = 1MHz C = 100 nF

L'exemple scolaire typique est un dcouplage d'metteur sur un transistor bipolaire (en metteur commun) Concept de "masse dynamique"

++ +

CfCZ 1

211

C210n = en signaux dy namiques

61101001

1021

96 ,.Z



Autre application : dcouplage des alimentations DC

Condensateurs de liaison ou de blocage de la composante continue

1-3 INDUCTANCES OU BOBINES (OU "SELF")

I

VL

I

V

A

B

A

B

C2100n = en signaux dy namiques

L1

1mH

L2

1H



Les inductances sont des composants passifs raliss par bobinage d'un fil conducteur. Leur inductance note L est proportionnelle la permabilit , la surface S de la section du noyau, au carr du nombre des spires et inversement proportionnelle la longueur L

lSnL

2

Unit : henry Symbole : H Relations fondamentales : En valeur instantane V = V(t)

dtdiLv

En notation complexe

IjLV Impdance complexe jLZ Module : LZ

L

I

V

Documents

24016-Cours Electronique Analogique V2M13 MP