Les dates prévues pour ces travaux pratiques de laboratoire sont communiquées avec le programme du semestre. Ces manipulations correspondent à la période allant de la rentrée à Noël, la période allant de Noël à la fin du semestre étant consacrée à des projets d'électronique.

Nous prions les étudiants de noter leur numéro de groupe (1 ou 2), afin que les salles et les assistants aient une disponibilité suffisante.

PLAN DES NOTICES

TP1: ÉLECTROTECHNIQUE -I
1.1. Oscilloscope et générateur de fonctions
1.2. Décibel-mètre (dB-mètre)
1.3. La source de tension continue
1.4. Théorème de Thévenin

TP2: ÉLECTROTECHNIQUE -II
2.1. Multimètres
2.2. Fréquencemètre (Philips PM 2519)
2.3. Application : mesure d'un circuit RC

TP3: CIRCUITS RC
3.1. Cellule RC
3.2. Filtre RC passif passe-bande

TP4 - AMPLIFICATEURS OPÉRATIONNELS - I
4.0. Introduction : l'amplificateur en boucle ouverte
4.1. L'amplificateur non-inverseur
4.2. L'amplificateur inverseur
4.3. L'intégrateur
4.4. Le sommateur
4.5. Redresseur sans seuil

TP5: DIODES A JONCTIONS
5.1. Mesure de la caractéristique statique
5.2. Mesure de la résistance différentielle
5.3. Caractéristique ID=f(UD)
5.4. Redressement et filtrage
5.5. Limiteur
5.6. Detecteur du signal le plus positif
5.7. Montage à photodiode
5.8. Redresseur double alternance
5.9. Redresseur à pont de Graetz

TP6: TRANSISTORS BIPOLAIRES
6.1. Circuit logique: inverseur à transistor bipolaire
6.2. Caracteristiques statiques d'un transistor bipolaire
6.3. Comparaison de la consommation des portes TTL et MOS

TP7: INTRODUCTION AUX SYSTÈMES LOGIQUES COMBINATOIRES
7.1. L'opérateur NAND
7.2. Fonction logique
7.3. Analyse d'un système combinatoire

1.1. Oscilloscope et générateur de fonctions

1.1.1. Générateur de fonctions

Sur le générateur de fonctions vous utiliserez principalement les fonctions suivantes :

- réglage de la fréquence (vernier et sélecteur de gamme)
- réglage de l'amplitude de la composante alternative du signal.
- réglage de la valeur de la composante continue du signal (DC offset)
- sélection de la forme d'onde (sinus, triangle, carrée)
- Mettez le générateur en marche avec les valeurs suivantes :

fréquence : 1 KHz
amplitude : position médiane du potentiomètre
DC offset : position médiane du potentiomètre
forme d'onde : sinus

- Ne modifiez plus ces réglages pour la suite de l'opération

1.1.2. Visionnement sur l'oscilloscope

- Branchez la sortie du générateur à l'une des 2 entrées de l'oscilloscope (canal X ou Y)

Amplificateur vertical
- Mettez l'oscilloscope en fonction et le sélecteur de l'entrée choisie sur la position GND. Grâce à la commande "position" de cette même entrée, centrez la ligne du spot sur l'écran. La position de cette ligne correspond à la valeur 0 Volt (entrée court-circuitée).
- Placez ensuite le sélecteur d'entrée en position DC et observez l'effet des commandes suivantes :
- gain de l'amplificateur d'entrée (amplificateur vertical). Vous devez voir le signal sinus.
- modifiez la valeur de la composante continue du signal en agissant sur le générateur (DC offset) et observer.
- Faites le même essai lorsque le sélecteur d'entrée est sur la position AC. Concluez.

Balayage horizontal
- Essayez les commandes suivantes :
commande de la vitesse de balayage (échelle des temps)
position (abscisse d'origine)

Synchronisation
- Essayez les commandes suivantes :
source de la synchronisation (interne, externe...)
niveau (trigger level)

Potentiomètres de calibration
ATTENTION ! ces potentiomètres sont normalement toujours positionnés en bout de course, à gauche ou à droite suivant le type d'oscilloscope (position "CAL."). Dans le cas contraire, l'échelle du sélecteur de gain correspondant (en Volts/cm ou seconde/cm) est décalibrée, c'est-à-dire fausse (cette possibilité peut être utile, par exemple, pour comparer la forme de deux courbes d'amplitudes différentes).

1.1.3. Commandes du générateur

- Votre générateur étant branché à l'une des entrées de l'oscilloscope, observez l'effet des commandes :
Fréquence (décade + vernier)
Forme
Amplitude
Atténuation
Composante continue (DC offset ; déjà vu)

1.2. Décidel-mètre (dB-mètre)

1.2.1. Rappel (voir Leçon III)

Le gain en général est défini comme le rapport de la grandeur de sortie sur celle d'entrée :

En électronique, on a la situation suivante :

Lorsque l'on désire exprimer un signal en décibels, il faut se fixer une référence. Le multimètre Philips PM 2519 permet la mesure de tensions soit en volt, soit en décibel. La tension de référence est soit interne (0,775 V) soit fixée par l'utilisateur (possibilité de calibrage du 0 dB). La référence interne, utilisée principalement en téléphonie, correspond à la chute de tension aux bornes d'une résistance de 600 ohm dissipant 1 mW.

1.2.2. Mesure d'atténuation

- L'appareil étant en mode "décibel-mètre" (bouton dB/V), placez à son entrée un signal sinusoïdal d'amplitude crête à crête 1 V et sélectionnez ce niveau comme référence (bouton ZÉRO SET ON/OFF). Le multimètre mesure par la suite les tensions qui lui sont appliquées directement en dB par rapport à cette valeur.

- Calculez et mesurez la valeur affichée (en dB) pour :
un signal d'amplitude crête à crête de 0,5 V (moitié de la référence)
un signal d'amplitude crête à crête de 10 V (10 fois la référence).

- Vérifiez la justesse de vos prévisions.

1.3. La source de tension continue

1.3.1. Source flottante

On dispose d'une source flottante, c'est à dire que la tension se mesure entre les nœuds + et - (et non pas GND ou masse). Il est possible de choisir comme référence de tension (masse) du circuit n'importe lequel des deux nœuds + ou - de l'alimentation.

1.3.2. Mesure

- Mesurez la plage de réglage de la tension à vide.

Limitation de courant
Le potentiomètre de réglage du courant de court-circuit permet de limiter à une valeur fixée à l'avance le courant maximal que débitera la source de tension. Ce réglage permet de protéger le circuit connecté aux bornes contre un courant susceptible de le détruire en cas de mauvais fonctionnement.

1.3.3. Réglage de la tension et du courant maximum

- Réglez la tension à vide U₀ = 5 V et le courant de court-circuit à I₀ = 10 mA.

Pour ce dernier point, on place le potentiomètre de réglage du courant au minimum. On court-circuite la sortie de la source à l'aide d'un ampèremètre et on règle à 10 mA (à l'aide du même potentiomètre) le courant circulant dans l'ampèremètre.

- Représentez graphiquement la situation courant-tension

1.4. Théorème de Thévenin

1.4.1. Calcul du circuit équivalent

- Dans le circuit ci-dessous, rechercher le circuit équivalent de Thévenin du dipôle vu par la résistance RL (établir les valeurs analytiques et numériques de la source de tension et de la résistance série)

1.4.2. Vérification expérimentale

- Réaliser le montage du circuit original.
- Mesurer la tension aux bornes du dipôle (i.e.. aux bornes de R_L) pour deux valeurs différentes de R_L, qu’il faut choisir judicieusement.
- En déduire ensuite par calcul la valeur de la source et de la résistance série du circuit équivalent de Thévenin.
- Comparer aux résultats calculés.

1.4.3. Calcul du circuit équivalent

- Appliquez le théorème de Thévenin pour trouver la résistance équivalente.
- Déterminez la caractéristique de sortie U/I

1.4.4. Vérification expérimentale

- Vérifiez la caractéristique en utilisant une charge variable.

2.1. Multimètres

Une mesure rudimentaire de signaux alternatifs consiste à mesurer la valeur moyenne d'un signal correspondant au signal d'entrée alternatif redressé (donc avec suppression de la composante continue) puis filtré. Si ce genre de multimètre fonctionne de la sorte, ils sont encore calibrés pour afficher la valeur efficace équivalente du signal, d'entrée. En supposant le signal de forme sinusoïdale uniquement, il est aisé de déduire le facteur par lequel il faut multiplier la mesure pour obtenir l'affichage. Cette technique est donc valable pour des signaux sinusoïdaux, ou périodiques de forme connue.

2.1.1. Rappels sur la mesure de signaux alternatifs

- La valeur efficace d'un signal quelconque (courant ou tension comme ci-dessous) est égale à :

- La valeur efficace d'un signal alternatif sinusoïdal pur est égale à :

principe de mesure :

Il arrive que l'instrument soit sensible à la valeur moyenne du signal redressé Um.
(rappel : U_m= 2U/p # 0,637.U pour un signal sinusoïdal)

En mode alternatif, il indiquera une valeur :

U_affiché = F.U_m (= U_eff si signal sinusoïdal)
où F est un facteur de forme valant U_eff/U_m = 1,11 (valable pour les signaux sinusoïdaux). Ce type d'appareil donne donc une valeur erronée pour des signaux non sinusoïdaux.

Les instruments avec l'indication "RMS" ou "true RMS" (Root Mean Square) donnent la véritable valeur efficace d'un signal alternatif de forme quelconque. En général ils ne tiennent pas compte de la composante continue du signal (mode AC out AC+DC).
NB : Ces instruments ont une fréquence limite pour les mesures RMS. Rechercher cette information dans les documentations des instruments et comparer les bandes passantes pour chaque instruments. Conclusion ?

Conclusion provisoire :

Pour mesurer un signal alternatif, au mieux il suffit de lire l'affichage du multimètre, au pire il faut connaître la forme du signal et les étapes de la mesure effectuées par le multimètre.

2.1.2. Caractéristiques de signaux alternatifs

On considère les quatre signaux suivant :

On considère par ailleurs quatre mesures différentes :

UNIGOR:    mode DC : mesure de la valeur moyenne.
                    mode AC : suppression de la composante continue et affichage de la valeur efficace uniquement pour un signal sinusoïdal (Cf facteur de forme).

BBC M2030, mode AC : coupe la composante continue et affichage de la valeur efficace uniquement pour un signal sinusoïdal (Cf facteur de forme).

PHILIPS PM 2519, mode AC : coupe la composante continue, puis affiche la valeur efficace du signal, pas forcement sinusoïdal (mesure RMS).

- Représentez la situation de mesure de ces trois instruments.
- Relevez expérimentalement le résultat de chaque mesure dans les conditions spécifiées.
- Calculez les valeurs que devraient afficher les multimètres, selon leur mode de mesure.
- Remplissez le tableau ci-dessous (U_th = valeur théorique compte tenue de la méthode de mesure et U_mes = U_mesure).

2.2. Fréquencemètre (Philips PM 2519)

Le multimètre automatique PM 2519 permet la mesure de fréquence
- Prévoyez la fréquence du signal U₃ (Cf 2.1.2).
- Comparez les indications du générateur, de l'oscilloscope et du fréquencemètre (Philips PM2519).
    (commenter la méthode pratique utilisée pour la mesure à l'oscilloscope en mode analogique et utiliser ensuite la mesure automatique en mode numérique)
- Avantages et inconvénients de chaque instruments, conclusion ?

2.3. Application : mesure d'un circuit RC

2.3.1. Schéma du montage

2.3.2. Calcul du circuit

- Appliquez le théorème de superposition pour prévoir l'allure de u₂(t) (approche qualitative)

- Calculez la composante continue de u₂(t) en remplaçant le générateur u₁ par un court-circuit et la capacité par un circuit ouvert.

- Calculez la composante sinusoïdale de u₂(t) en remplaçant la source de tension continue par un court-circuit. Utilisez pour cela les notions d'impédance complexe. Etablissez les expressions du gain A =  et du déphasage j entre les signaux en fonction de la fréquence.

- Calculez A et j à une fréquence f = 1kHz puis 100 kHz.

- Calculez la pulsation de coupure w_c pour laquelle A = Calculez j à cette pulsation.

- Esquissez l'allure du gain et de la phase en fonction de la fréquence. Le faire éventuellement expérimentalement.

2.3.3. Vérification expérimentale

- Ajustez V_cc et le générateur de tension u₁ avant de les connecter au reste du circuit.

- Visualisez sur l'oscilloscope les signaux u₁ et u₂ pour f=1kHz et 100kHz, puis reportez-les sur papier millimétré. Relevez la valeur des composantes continue et alternative du signal u₂(t).

2.3.4. Figure de Lissajoux

- Raccordez u₁(t) à l'entrée X et u₂(t) à l'entrée Y de l'oscilloscope.

- Passez en mode X-Y et expliquez la figure de Lissajoux ainsi formée. Que déduit-on, et sous quelles conditions ?

- Expliquez l'évolution ce cette figure en fonction de la fréquence.

2.3.5 Réponse du circuit à un signal carré

- Réglez le générateur pour que u₁(t) soit un signal carré de 1 V d'amplitude.

- Observez u₂(t) à l'oscilloscope et esquissez ce signal pour quelques fréquences conduisant à des situations différentes.

- Expliquez qualitativement l'allure de u₂(t) pour chaque cas.

3.1. Cellule RC

3.1.1. Schéma de base

On a, pour la cellule RC de base :

3.1.2. Réponse harmonique

• La capacité se comporte comme un court-circuit en haute fréquence, comme un circuit ouvert en basse fréquence. Ce circuit est-il "passe-haut" ou "passe-bas" ?
• A l'aide des impédances complexes, tracez les diagrammes de Bode de ce circuit (gain déphasage).
• Vérifiez expérimentalement en effectuant une analyse harmonique. (papier semi-log)

3.1.3. Réponse indicielle

• A l'aide de la transformation de Laplace, calculez et représentez sa réponse indicielle.
• Vérifiez expérimentalement la réponse du circuit à un échelon unité :

U_in(t) : signal carré, amplitude 1V, fréquence 100 Hz ; R = 10 kW ; C = 100nF

3.1.4. Cellule RC dans un circuit

En prenant en compte certaines caractéristiques de la source et de la charge (i.e. impédance de sortie du générateur BF & impédance d'entrée de l'oscilloscope) du quadripôle pour le test de ce montage, on obtient le schéma suivant :

 

• Donnez les gains à hautes et basses fréquences. Quelles fréquences ce circuit laisse-t-il passer ?
• Calculez et tracez les diagrammes de Bode correspondant à ce montage.
• Calculez, à l'aide de la transformée de Laplace, la réponse indicielle de ce montage, représentez-la.
• Sous quelles conditions (sur la source et la charge) peut-on considérer cette cellule comme indépendante de son environnement ? (soit se ramener à la cellule vue sous 3.1.1).

 3.2. Filtre RC passif passe-bande

On peut créer un filtre passe-bande très rudimentaire en cascadant deux cellules RC (passe-bas et passe-haut) de la sorte :

On peut par exemple appliquer le théorème de Thévenin au point a .On obtient le schéma équivalent suivant :

A ce point (a), on voit que la présence de la résistance de source Rg participe à un diviseur de tension responsable d'une chute de tension supplémentaire. Il en va de même au point (c) pour la présence d'une résistance de charge. Pour chaque cellules RC (passe haut et passe bas) l'influence des impédances de source et de charge n'est pas négligeable à priori. 

• Appliquez le théorème de Thévenin en (a) & (c),
• Commentez.

3.2.1. Calculs

 Supposons que les résistances de charge et de source soient négligeables. Par exemple pour la source :

min (sur la plage de fréquence)

• Exprimez cette condition de découplage, en raisonnant qualitativement sur les fréquences.
• Effectuez le même travail pour le point (c), pour obtenir la condition sur la résistance de charge.
• Supposez une situation simplifiée, avec : R_g = 0 et R_L= ¥ puis effectuez l'analyse au point (b).

 3.2.3. Dimensionnement du filtre

On impose la fréquence du passe-haut (100Hz) et du passe-bas (5 kHz)

• Dimensionnez le filtre pour assurer un bon découplage entre les cellules, ainsi que par rapport aux impédances de source et de charge. Choisissez des valeurs de résistances et capacités qui vous semblent appropriées. Indication: cherchez une condition : R₁<<R₂

3.2.4. Vérification

• Montez, vérifiez en effectuant une analyse harmonique. Discutez vos résultats.

4.0. Introduction : l'amplificateur en boucle ouverte

- Schéma :

- Réalisez les tensions d'entrée suivantes :

- tension v₁ : signal triangulaire d'amplitude 1 V et de période 10 ms.

- tension V₂ : signal continu réglable, positif et négatif.

Ce signal doit rester inférieur aux tensions d'alimentation de l'amplificateur.

- Réponse du montage

- Faites varier la tension V₂ ; observez et esquissez sur un même diagramme l'allure des tensions v₁(t) et v_s(t) pour différentes valeurs de V₂.

4.1. L'amplificateur non-inverseur

- Schéma :

 - Un choix judicieux des résistances R₁ et R₂ devrait normalement tenir compte des limitations et imperfections de l'amplificateur (courant de polarisation, courant de sortie maximum, etc.). En conséquence, en respectant les exigences fixées par la donnée des fabricants, on choisira R₁ et R₂ dans une gamme comprise entre 1 kW   et 50 kW .

- Vérifiez expérimentalement les performances prévues (gain = 6)

- Procédez de même avec R₁ = 0 et R₂ =.

- De quel montage s'agit-il ? A quoi sert-il en général ? Quel est le gain de contre-réaction?

4.2. L'amplificateur inverseur

- Schéma

- Déterminez R₁ et R₂ en respectant le gain en tension spécifié.

 - Vérifiez expérimentalement les performances prévues (gain = -10).

- Décrivez le type de contre réaction. Quelle est la valeur de la tension à l'entrée inverseur de l'amplificateur ? Expliquez.

 4.3. L'intégrateur

- Schéma d'un intégrateur idéal :

ajuster le mieux possible la composante continue à zéro !

- Considérant l'intégrateur parfait (sans R₂), quel est le comportement du montage pour la composante continue de v₂ ? Comment est modifié ce comportement lorsqu'on ajoute la résistance R₂ ?

- Pour quel domaine de fréquences le circuit ci-dessus peut être utilisé comme intégrateur ? Représentez graphiquement la situation.

- Réalisez le montage (avec R₂). Prévoyez, puis observez expérimentalement la réponse de cet intégrateur aux trois signaux suivants (amplitude, forme des signaux et composante continue des signaux de sortie) :

- Dans le dernier cas, faites varier la fréquence du signal v₁ et expliquez le comportement du signal de sortie vs .

- Mesurez la bande de fréquence où ce comportement est celui d'un intégrateur. Comparez ce résultat aux prévisions.

4.4. Le sommateur

- Montage de l'AOP en sommateur :

- Démontrez sur cet exemple la formule du gain d'un montage sommateur.

- Déterminez R₁, R₂₁ et R₂₂ pour obtenir le gain suivant :

- Vérifiez expérimentalement les performances prévues.

4.5. Redresseur sans seuil

- Schéma du montage

4.5.1. Calculs du montage

 - Prévoyez l'évolution des fonctions v₂ = f₂(v₁) et v₃=f₃(v₁).

4.5.2. Mesure de la caractéristique statique

- Visualisez sur l'oscilloscope (mode X-Y), et relevez sur papier millimétré les caractéristiques v₂ = f₂(v₁) et v₃=f₃(v₁). Utilisez pour v₁ un signal alternatif compris entre -5V et +5V.

4.5.3. Observation de la caractéristique dynamique

- Observez et décrivez les caractéristiques à 1 KHz et 10 KHz. Commentaires ?

5.1 Mesure de la caractéristique statique

5.1.1 Schéma du montage

La source V_cc et la résistance R₂ forment une source variable à forte résistance interne permettant de commander aisément I_F.

5.1.2 Choix de la résistance

- Choisissez dans la série normalisée la valeur de R₂ , en respectant les limites (courant, tension, puissance) fixées pour chaque élément dans la donnée ou par le fabricant

5.1.3 Relevé de la caractéristique courant-tension

Relevez sur papier lin-log la caractéristique I_F = f(U_F) sur trois décades de courant au moins.

5.1.4 Paramètres de la caractéristique

Dans la zone respectant le mieux la relation théorique :

déterminez les paramètres I_S et n d'après la caractéristique précédente.

5.1.5 Discussion

Discutez les éventuelles différences entre la caractéristique mesurée et la relation théorique.

5.1.6 Caractéristique Lin-Lin

Relevez également la caractéristique sur papier lin-lin.

5.2 Mesure de la résistance différentielle

5.2.1 Schéma du montage

5.2.2 Mesures et calculs

- Mesurez le courant de repos I_Fq (valeur moyenne) et déterminez théoriquement la valeur de la résistance différentielle rd correspondante.

-Mesurez D U_G et D U_F et déduisez-en la valeur de r_d. Comparez ce résultat avec le précédent.

-Refaites la mesure avec une composante continue de 10 V (au lieu de 3) pour U_G.

5.3 Caractéristique ID = f(UD)

l Imaginer une expérience simple permettant de mettre en évidence la caractéristique I_D = f(U_D) d'une diode BAW62 et d'une diode Zener 1N750 (V_z = 4.7 V), et de la visualiser à l'oscilloscope (mode XY).

Représenter le schéma utilisé, ainsi que les résultats.

5.4 Redressement et filtrage

Schéma du montage

-Prévoyez l'allure de la tension de sortie si l'on modélise la diode dans l'état passant par une source de tension U_f constante.

-Représentez sur un même diagramme U_G et U_S (théorique).

-Déterminez les valeurs de C permises pour que l'ondulation sur U_S soit inférieure ou égale à 15 %. Choisissez une valeur normalisée remplissant cette condition et calculez l'ondulation pour cette valeur.

-Réalisez le montage. Observez U_S et U_G et discutez les éventuelles divergences avec les prévisions.

5.5 Limiteur

Schéma du montage:

-Calculez R pour que le courant maximum fourni par le générateur ne dépasse pas 1 mA. Prévoyez l'allure de U_S en fonction du temps avec comme paramètre la tension U_p, en gardant pour la diode le même modèle qu'au point 3.1

-Réalisez le montage, observez U_G et U_S et comparez la mesure avec les prévisions.

5.6 Détecteur du signal le plus positif

Réalisez le montage suivant et commentez vos observations.

Schéma du montage:

5.7 Montage à photodiode

5.8.1 Caractéristiques énergétiques de différentes diodes

- Les photodiodes sont polarisées en inverse: elles consomment de la puissance au circuit mais fournissent du signal (de l'information).

- Les cellules solaires fournissent de la puissance au circuit; elles ne s'occupent pas d'information.

- La diode normale est un élément passif ne faisant que consommer de la puissance au circuit.

5.8.2 Montage à photodiode

Réalisez le montage suivant:

- Décrivez son fonctionnement, avec entrée à 0V, puis 5V.

5.8.3 Mesures et calculs

- Observez la tension  en sortie.

-Quel est le rapport entre les amplitudes fournie et reçue. Quelle est l'atténuation en dB ?

-Quelle est la composante continue qui apparaît à la sortie. A quoi est-elle due. Proposez un moyen de la supprimer à la sortie. Vérifiez expérimentalement.

5.8 Redresseur double alternance

Calculez, montez et décrivez le montage suivant :

5.9 Redresseur à pont de Graetz

Calculez, montez et décrivez le montage suivant :

Attention! il faut choisir un point de masse unique, et veiller soigneusement à éviter de créer des court-circuits par l’intermédiaire des appareils de mesure. La masse peut être choisie soit au point inférieur du bobinage secondaire du transfo, soit au point inférieur de RL, mais pas aux deux points simultanément!

6.1 Circuit logique: inverseur à transistor bipolaire

6.1.1 Schéma du montage:

6.1.2 Régime statique

- Pour chacune des deux valeurs V₁ = 0 V et V₁ = V_cc, calculez I_B et V_B, puis esquissez la caractéristique I_C = f(V_CE) du transistor; tracez également la droite de charge déduisez-en le point de fonctionnement (I_C, V_C).

Réalisez le montage, mesurez les tensions et courants, puis comparez les résultats aux valeurs calculées ci-dessus.

Observez en mode X-Y sur l'oscilloscope, puis relevez sur papier millimétré la caractéristique de transfert V_C = f(V₁)

6.1.3 Régime dynamique

Remplacez la source continue V₁ par un générateur de signaux carrés 0/+5 Volts.

Observez simultanément V₁(t) et V_C(t). Augmentez progressivement la fréquence de travail jusqu'au maximum autorisé par le générateur et observez le comportement du circuit. Documentez vos observations par quelques copies écran et commentez-les.

6.2 Caractéristiques statiques d'un transistor bipolaire (NPN)

6.2.1 Caractéristique d'entrée

La caractéristique d'entrée I_B = f(V_BE) sera mesurée en utilisant le circuit suivant :

La source de tension V₀ et la résistance R₀ permettent d'imposer le courant I_B.

- Avec l'hypothèse que I_s=10-15 A et b = 250, prévoyez l'allure de I_B = f(V_BE) pour V_CE = V_cc. Que se passe-t-il si V_CE varie ?

- Montrez comment la source de tension V₀ et la résistance R₀ imposent pratiquement le courant I_B.

- Pour faire varier I_B, nous supposerons que la source de tension V₀ est variable de 0 à V_cc. Choisissez R₀ dans la série normalisée de manière à respecter la limite de courant I_Bmax.

- En utilisant une seule source de tension V_cc pour tout le circuit, proposez puis calculez un schéma réalisant la source de tension V₀, variable de 0 à V_cc, et de manière à assurer un réglage aisé de I_B.

- Réalisez le montage complet puis relevez la caractéristique d'entrée sur papier lin-lin. Expliquez les éventuelles différences avec les prévisions.

6.2.2 Caractéristique de transfert courant-tension

- Prévoyez l'allure de la caractéristique de transfert I_C= f(V_BE) pour V_CE = V_cc. Que se passe-t-il si V_CE varie ?

- Utilisez le schéma de mesure précédent pour relever la caractéristique I_C= f(V_BE) pour V_CE = V_cc sur papier lin-lin. Expliquez les éventuelles différences avec les prévisions théoriques.

6.2.3 Caractéristique de transfert en courant

- Utilisez toujours le même schéma de mesure pour relever la caractéristique de transfert en courant I_C = f(I_B) pour V_CE = V_cc .

- Déduisez-en le gain en courant du transistor : ß.

6.2.4 Caractéristiques de sortie

Les caractéristiques de sortie I_C = f (V_CE) ont pour paramètre le courant de base I_B (ou la tension V_BE). Le circuit précédent permet d'ajuster la valeur du paramètre I_B (ou V_BE). Pour faire varier la tension V_CE, nous déconnecterons la source de tension V_cc du collecteur (du collecteur seulement) pour la remplacer par une source de tension variable.

-Spécifications :

V_CE variant de 0 à V_cc

Valeurs du paramètre I_B : de 0 à I_{B max} par pas de 5 µA.

- Prévoyez l'allure des courbes I_C = f(V_CE) pour les différentes valeurs du paramètre I_B et en indiquant le régime de fonctionnement du transistor.

- Calculez la valeur maximale de I_C de manière à ne pas dépasser la puissance totale de dissipation admissible par le transistor (cf. données du fabricant) lorsque V_CE = V_cc.

Puissance dissipée dans le transistor P = V_CE.I_C

- Relevez point par point les différentes courbes I_C = f(V_CE) en indiquant les valeurs de I_B et V_BE pour chacune d'entre elles.

- Observez et commentez les éventuelles différences avec les prévisions.

6.3 Comparaison de la consommation des portes TTL et MOS

6.3.1 Schéma

Attention! tout signal appliqué à l'une quelconque des pattes du circuit (en particulier U_e) doit être compris entre 0 et V_cc.

6.3.2 Consommation de l'inverseur TTL

Consommation en régime statique

Déterminez expérimentalement la consommation d'une porte logique en régime statique lorsque la sortie est dans chacun des deux états logiques. Comme il est impossible de mesurer isolément chaque porte du circuit intégré, cette mesure est effectuée en reliant simultanément toutes les entrées de toutes les portes, soit au niveau 1, soit au niveau 0 (voir la configuration donnée par le fabricant). La consommation d'une porte s'obtient en divisant la consommation totale du circuit par le nombre de portes, c'est-à-dire 4. En déduire la consommation moyenne en régime statique s'il y avait statistiquement autant de sorties à 0 qu'à 1.

Consommation en régime dynamique

La même mesure, mais en régime dynamique est faite en excitant toutes les entrées avec un signal carré de rapport cyclique 50% et en chargeant toutes les sorties avec une capacité de valeur donnée. Dans cette expérience, on a choisi une valeur de 1 nF de manière à pouvoir effectuer des mesures dans une gamme de fréquence de 2 KHz à 2 MHz.

Mesurez la consommation en fonction de la fréquence. Reportez les différents résultats sur du papier Log-Log. Expliquez l'allure de la courbe.

6.3.3 Consommation de l'inverseur MOS

Effectuez les mêmes essais, avec une porte en technologie MOS. Comparez et discutez les différences:

- Consommation en régime statique

- Consommation en régime dynamique

 7.1 L'opérateur NAND

7.1.1 Calculs

En utilisant uniquement des portes NAND à deux entrées :

- Dessiner deux logigrammes (NAND) distincts réalisant la fonction NON :

Z1 =

- Dessiner le logigramme (NAND) réalisant la fonction ET :

Z2 =a b

- Dessiner le logigramme (NAND) réalisant la fonction OU :

Z3 =a + b

Remarquons que les constantes logiques 0 et 1 sont toujours disponibles; il est inutile d’utiliser une porte pour générer une constante.

7.1.2 Vérifications

- Câbler sur les logidules les quatre logigrammes réalisant ces quatre fonctions puis vérifier les quatre tables de vérité.

- En cas d’insuccès, vérifier tout particulièrement les règles de câblage et d’assemblage des logidules notamment l’interdiction de connecter ensemble deux sorties et l’obligation, pour chaque logidule d’avoir une face latérale en commun avec chaque voisin.

Attention à ne pas confondre les logidules ‘00 (4 portes NAND) avec les logidules ‘08 (4 portes ET) !

7.2 Fonction logique

7.2.1 Calculs

En utilisant les portes logiques disponibles:

- Dessiner le logigramme (NON, ET à deux entrées, OU à deux entrées) réalisant la fonction :

Z = b c + a b + a c

- Transformer le logigramme précédent par des manipulations graphiques uniquement pour obtenir le logigramme (NAND à deux entrées) équivalent.

- La mise en évidence de b ou de c dans l’expression (Z = b c + a b + a c) permet de réduire sensiblement le nombre de portes NAND utilisées.

7.2.2 Vérifications

- Mesurer la valeur de Z pour les huit états d’entrées (a, b, c);

- Comparer les valeurs mesurées avec celles de la table de vérité;

- Déterminer le rôle de la fonction Z.

7.3 Analyse d’un système combinatoire

7.3.1 Calculs

On donne à la figure 1 le logigramme d’un circuit intégré de la firme TEXAS INSTRUMENTS.

- Calculez les expressions algébriques de Z_G, Z_P et Z_E en fonction des variables d’entrée A₁, A₀, B₁, B₀, G, P et E;

- Dressez la table de vérité de Z_G, Z_P et Z_E pour le cas particulier où (G, P, E) = 001;

On simplifiera les calculs en utilisant les fonctions logiques intermédiaires E₁ et E₀ de la figure 1

7.3.2 Vérifications

Câblez le montage avec les logidules puis mesurer l’état de la sortie (Z_G, Z_P et Z_E ) pour les seize états d’entrée (A₁, A₀, B₁, B₀) lorsque (G, P, E)=001

Vu la relative complication de ce montage, il est conseillé, en cas d’insuccès, de vérifier d’abord les variables intermédiaires E₁ et E₀ de la figure 1, et ensuite seulement les variables de sortie Z_G, Z_P et Z_E .