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Electronique pour le Traitement de l’Information

Travaux Dirigés - 1A - S5 /Méthodologie

J. VILLEMEJANEAnnée universitaire 2017-2018

TD MET1 - Fondamentaux / Docs techniques 1

TD MET2 - Amplificateur linéaire intégré / ALI 8

TD MET3 - Quadripoles 14

TD MET4 - Analyse Harmonique 16

1

1A - S5 - ETI TD MET1

Fondamentaux / Docs techniques

FICHES A LIRE— Fondamentaux / Dipôles et réseaux— Diodes / LED / Photodiodes (modèle simple et LED)

1. Pont de WheatstoneOn souhaite étudier la structure ci-contre, qu’on appelle pont de Wheats-

tone.

1. Que vaut la tension VA en fonction de VG ?

2. Que vaut la tension VB en fonction de VG ?

3. Que vaut la tension VM en fonction de VG ?

On remplace ensuite Z4 par la sonde PT100.On prend Z1 = Z3 = Z2 = R = 100 Ω.On note Z4 = R + ∆R.

4. Que vaut la tension VM en fonction des éléments du montage ?

2. Montage émetteur à LEDOn souhaite réaliser un montage émetteur à l’aide d’une LED de type SFH415 (documentation fournie

en annexe). On propose d’étudier le montage suivant.

La source de tension Ve est une source impulsionnelle. Elle délivre des impulsions de 5 V de durée20 ms avec une fréquence de répétition de 5 Hz.

1. Quels sont les paramètres importants à regarder dans la documentation technique ?

2. Quelle est la valeur maximale du courant que la diode peut supporter dans ces conditions ?

3. Quelle valeur doit-on donner à la résistance R pour être sûr que le courant ID ne soit pas supérieur à100 mA ?

1

IOGS - Electronique pour le Traitement de l’Information Travaux Dirigés

3. Présentation de résultats - Série 1Commenter les courbes et résultats proposés par des étudiants dans leur compte-rendu.

Figure 1 – Caractéristique d’entrée / sortie

Figure 2 – Balayage en fréquence

Figure 3 – Modulation

– 2 –


4. Présentation de résultats - Série 2

Figure 4 – Signal numérique

Figure 5 – Sortie d’un filtre numérique

Figure 6 – Filtrage

– 3 –

SFH 415SFH 416

GaAs-IR-LumineszenzdiodenGaAs Infrared Emitters

SFH 415 SFH 416

2001-04-18 1

Wesentliche Merkmale

• GaAs-LED mit sehr hohem Wirkungsgrad• Hohe Zuverlässigkeit• Gute spektrale Anpassung an

Si-Fotoempfänger• SFH 415: Gehäusegleich mit SFH 300,

SFH 203

Anwendungen

• IR-Fernsteuerung von Fernseh- und Rundfunkgeräten, Videorecordern, Lichtdimmern

• Gerätefernsteuerungen für Gleich- und Wechsellichtbetrieb

• Sensorik• Diskrete Lichtschranken

TypType

BestellnummerOrdering Code

GehäusePackage

SFH 415 Q62702-P296 5-mm-LED-Gehäuse (T 13/4), schwarz eingefärbt, Anschluß im 2.54-mm-Raster (1/10’’), Kathodenkennzeichnung: kürzerer Anschluß5 mm LED package (T 13/4), black-colored epoxy resin lens, solder tabs lead spacing 2.54 mm (1/10’’),cathode marking: short lead

SFH 415-U Q62702-P1137

SFH 416-R Q62702-P1139

Features

• Very highly efficient GaAs-LED• High reliability• Spectral match with silicon photodetectors• SFH 415: Same package as SFH 300,

SFH 203

Applications

• IR remote control of hi-fi and TV-sets, video tape recorders, dimmers

• Remote control for steady and varying intensity• Sensor technology• Discrete interrupters

2001-04-18 2

SFH 415, SFH 416

Grenzwerte (TA = 25 °C)Maximum Ratings

BezeichnungParameter

SymbolSymbol

WertValue

EinheitUnit

Betriebs- und LagertemperaturOperating and storage temperature range

Top; Tstg – 40 … + 100 °C

SperrspannungReverse voltage

VR 5 V

DurchlaßstromForward current

IF 100 mA

Stoßstrom, tp = 10 µs, D = 0Surge current

IFSM 3 A

VerlustleistungPower dissipation

Ptot 165 mW

WärmewiderstandThermal resistance

RthJA 450 K/W

Kennwerte (TA = 25 °C)Characteristics


SymbolSymbol

WertValue

EinheitUnit

Wellenlänge der StrahlungWavelength at peak emissionIF = 100 mA, tp = 20 ms

λpeak 950 nm

Spektrale Bandbreite bei 50% von ImaxSpectral bandwidth at 50% of ImaxIF = 100 mA

∆λ 55 nm

AbstrahlwinkelHalf angleSFH 415SFH 416

ϕϕ

± 17± 28

Graddeg.

Aktive ChipflächeActive chip area

A 0.09 mm2

Abmessungen der aktiven ChipflächeDimensions of the active chip area

L × BL × W

0.3 × 0.3 mm

Abstand Chipoberfläche bis LinsenscheitelDistance chip front to lens topSFH 415SFH 416

HH

4.2 … 4.83.4 … 4.0

mmmm

SFH 415, SFH 416

2001-04-18 3

Schaltzeiten, Ie von 10% auf 90% und von 90% auf 10%, bei IF = 100 mA, RL = 50 ΩSwitching times, Ιe from 10% to 90% and from 90% to 10%, IF = 100 mA, RL = 50 Ω

tr, tf 0.5 µs

Kapazität, CapacitanceVR = 0 V, f = 1 MHz

Co 25 pF

Durchlaßspannung,Forward voltageIF = 100 mA, tp = 20 msIF = 1 A, tp = 100 µs

VFVF

1.3 (≤ 1.5)2.3 (≤ 2.8)

VV

Sperrstrom,Reverse currentVR = 5 V

IR 0.01 (≤ 1) µA

Gesamtstrahlungsfluß,Total radiant fluxIF = 100 mA, tp = 20 ms

Φe 22 mW

Temperaturkoeffizient von Ie bzw. Φe,IF = 100 mATemperature coefficient of Ie or Φe,IF = 100 mA

TCI – 0.5 %/K

Temperaturkoeffizient von VF, IF = 100 mATemperature coefficient of VF, IF = 100 mA

TCV – 2 mV/K

Temperaturkoeffizient von λ, IF = 100 mATemperature coefficient of λ, IF = 100 mA

TCλ + 0.3 nm/K

Kennwerte (TA = 25 °C)Characteristics (cont’d)


SymbolSymbol

WertValue

EinheitUnit

SFH 415, SFH 416

2001-04-18 5

Relative Spectral EmissionIrel = f (λ)

Forward CurrentIF = f (VF), single pulse, tp = 20 µs

Permissible Pulse Handling Capability IF = f (τ), TA = 25 °Cduty cycle D = parameter

OHRD1938

λ

relΙ

0880 920 960 1000 nm 1060

20

40

60

80

%

100

10

OHR01554

FV

-3

-210

-110

010

110

0 1 2 3 4 5 6 V 8

AΙ F

t

OHR00860

p

-51010 2

Ι F

10 3

10 4

5

DC

0.2

0.5

0.1

0.005

0.01

0.02

0.05

t p

T

Ι Ft pT

D =

5

mA

-410 -310 -210 -110 010 110 210s

D =

Radiant Intensity

Single pulse, tp = 20 µs

Radiation Characteristics, SFH 415 Ιrel = f (ϕ)

Radiation Characteristics,SFH 416 Ιrel = f (ϕ)

ΙeΙe 100 mA

= f (IF)

OHR01551

10 -3

Ι F

-210

10 -1

10 0

10 1

10 2

Ι e 100 mAeΙ

-210 -110 010 110A

A

OHR01552

90

80

70

60

50

40 30 20 10

20 40 60 80 100 1200.40.60.81.0

ϕ

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1000

0

OHR01553

0˚ 20˚ 40˚ 60˚ 80˚ 100˚ 120˚0.40.60.81.0100˚

90˚

80˚

70˚

60˚

50˚

0˚10˚20˚30˚40˚

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0ϕ

Max. Permissible Forward CurrentIF = f (TA)

OHR00883

0

FΙ

0

20

40

60

80

100

120

20 40 60 80 100 120

mA

˚CTA

R thjA = 450 K/W


Amplificateur linéaire intégré / ALI

FICHES A LIRE— Amplificateur Linéaire Intégré / Principe et montages de base— Capteurs

1. Documentation technique TL0711. Rappeler la relation entre les entrées V+ et V− et la sortie VS d’un ALI.2. Quels sont les paramètres électriques importants pour un ALI ?

2. Montages autour des amplificateurs linéaires intégrésOn s’intéresse aux montages suivants :

Donner les relations entre les grandeurs de sortie (VS X), les grandeurs d’entrée et les éléments de chaquemontage (A à E).

8


3. Capteur et mise en forme (EXAM 2015)On se propose d’étudier un capteur de force et son système de mise en forme. Voici le montage utilisé

pour mettre en forme le signal provenant du capteur :

1. Quel est le mode de fonctionnement des deux amplificateurs opérationnels (AOP 1 et 2) ?

2. AOP 1 - Quel est le montage utilisé autour de l’AOP 1 ? Quel est son intérêt ? Que vaut VREF enfonction de α (réglage du potentiomètre P) et de VCC ?

3. AOP 2 - Donner la relation entre VS , VCAP et VREF .

4. Les AOP sont alimentés en symétrique entre +VCC et −VCC. Quelle est la différence maximale entreVCAP et VREF que l’on peut mesurer à l’aide de ce système ? On choisira VCC = 15 V pour lesapplications numériques.

5. On associe à ce montage le capteur de force dont l’étendue de mesure est de 0 à 25 kN. Le pointde fonctionnement initial est : F0 = 2 kN, T0 = 60 ◦C. La tension de sortie est donnée par la relationsuivante :

Vcap = 10−4 · F ·(1 + 2.10−3 · (T − 20)

)+ 6.10−11 · F2

où F est la force à mesurer, T la température en degré Celsius.

(a) Ce capteur est-il linéaire ?

(b) Quelle est la valeur de Vcap au point de fonctionnement ?

(c) Calculer la sensibilité du capteur. Que vaut-elle au point de fonctionnement ?

6. On connecte ce capteur au montage précédent.

(a) Donner l’expression de la sensibilité du montage complet. Que doit valoir k pour que la sensibi-lité du montage soit de 1 V/kN au point de fonctionnement ?

(b) Si la température descend de 20 ◦C, que devient cette sensibilité ?

(c) Quelle valeur faut-il donner à VREF pour que la caractéristique VS = h(F) passe par l’originepour le point de fonctionnement ?

(d) Pour une température de 60 ◦C quel est l’écart de linéarité maximal sur la plage de fonctionne-ment du capteur ? Que vaut la tensions VS pour une force de 25 kN ? Est-ce réalisable dans lesconditions de fonctinnement proposées ?

– 9 –

1 2 3 4 5 6 7

14

13

12

11

10 9 8

1O

UT

1IN

−

1IN

+

VC

C+

2IN

+

2IN

−

2O

UT

4O

UT

4IN

−

4IN

+

VC

C−

3IN

+

3IN

−

3O

UT

TL

074A

, T

L074B

D,J,N

,N

S,O

RP

WP

AC

KA

GE

TL

074

...D

,J,N

,N

S,P

W,

OR

WP

AC

KA

GE

(TO

PV

IEW

)1 2 3 4

8 7 6 5

OF

FS

ET

N1

IN−

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VC

C−

NC

VC

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OU

T

OF

FS

ET

N2

TL

071,T

L071A

,T

L071B

D,P,O

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SP

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GE

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PV

IEW

)

1 2 3 4

8 7 6 5

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VC

C−

VC

C+

2O

UT

2IN

−

2IN

+

TL

072, T

L072A

, T

L072B

D,JG

,P,P

S,O

RP

WP

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GE

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PV

IEW

)

TL

072

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PV

IEW

)

1 2 3 4 5

10 9 8 7 6

NC

1O

UT

1IN

−

1IN

+

VC

C−

NC

VC

C+

2O

UT

2IN

−

2IN

+

TL07

1,TL

071A

,TL0

71B

TL07

2,TL

072A

,TL0

72B

,TL0

74,T

L074

A,T

L074

BS

LO

S080L

–S

EP

TE

MB

ER

1978

–R

EV

ISE

DF

EB

RU

AR

Y2014

TL07

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w-N

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De

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opera

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plif

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L07x

1•

Low

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eT

L08x

series,

with

low

input

•W

ide

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The

low

Ranges

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and

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TL07x

•Low

Input

Bia

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Curr

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suited

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h-f

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am

plif

ier

applic

ations.

Each

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Short

-Circuit

Pro

tection

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ET

inputs

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hig

hin

put

impedance)

couple

dw

ith

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Tota

lH

arm

onic

Dis

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ion:

0.0

03%

Typ

bip

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chip

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n=

18

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/√H

zT

yp

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devic

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chara

cte

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for

opera

tion

•H

igh

Input

Impedance:

JF

ET

Input

Sta

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from

0°C

to70

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The

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devic

es

are

•In

tern

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cte

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from−4

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M-s

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chara

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over

•Latc

h-U

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range

of−5

5°C

to125°C

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Hig

hS

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Rate

:13

V/μ

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yp

•C

om

mon-M

ode

Input

Voltage

Range

Inclu

des

VC

C+

3T

erm

ina

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ut

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NC

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1

An

IMP

OR

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end

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this

data

sheet

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RO

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VC

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1080

Ω1080

Ω

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TL

071 O

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64

Ω128

Ω

64

Ω

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FS

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N1

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TL

071

TL

072

TL

074

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tors

1122

44

Resis

tors

Tra

nsis

tors

11 14

22

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56

Tra

nsis

tors

JF

ET

14 2

28 4

56 6

JF

ET

Dio

des

2 1

4 2

6 4D

iodes

Capacitors

1 1

2 2

4 4C

apacitors

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ET

1 1

2 2

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†In

clu

des b

ias a

nd trim

circuitry

TL07

1,TL

071A

,TL0

71B

TL07

2,TL

072A

,TL0

72B

,TL0

74,T

L074

A,T

L074

BS

LO

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MB

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Feedback

Copyright

©1978–2014,

Texas

Instr

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Incorp

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ks:

TL071

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TL074A

TL074B

TL07

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071A

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71B

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2,TL

072A

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72B

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L074

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S080L

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ss

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VA

LU

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NIT

VC

C+

18

Supply

voltage

(2)

VV

CC

––18

VID

Diffe

rentialin

put

voltage

(3)

±30

V

VI

Input

voltage

(2)(

4)

±15

V

Dura

tion

of

outp

ut

short

circuit

(5)

Unlim

ited

Dpackage

(8pin

)97

Dpackage

(14

pin

)86

Npackage

80

NS

package

76

θ JA

Package

therm

alim

pedance

(6)(

7)

Ppackage

85

°C/W

PS

package

95

PW

package

(8pin

)149

PW

package

(14

pin

)113

Upackage

185

FK

package

5.6

1

Jpackage

15.0

5θ J

CP

ackage

therm

alim

pedance

(8)(

9)

°C/W

JG

package

14.5

Wpackage

14.6

5

TJ

Opera

ting

virtu

alju

nction

tem

pera

ture

150

°C

Case

tem

pera

ture

for

60

seconds

FK

package

260

°C

Lead

tem

pera

ture

1,6

mm

(1/1

6in

ch)

from

case

for

10

J,

JG

,or

Wpackage

300

°Cseconds

(1)

Str

esses

beyond

those

liste

dunder

Absolu

teM

axim

um

Ratings

may

cause

perm

anent

dam

age

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edevic

e.

These

are

str

ess

ratings

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,and

functionalopera

tion

of

the

devic

eat

these

or

any

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er

conditio

ns

beyond

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indic

ate

dunder

Recom

mended

Opera

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Conditio

ns

isnot

implie

d.

Exposure

toabsolu

te-m

axim

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-rate

dconditio

ns

for

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nded

periods

may

affect

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ere

liabili

ty.

(2)

All

voltage

valu

es,

except

diffe

rentialvoltages,

are

with

respect

toth

em

idpoin

tbetw

een

VC

C+

and

VC

C−.

(3)

Diffe

rentialvoltages

are

at

IN+

,w

ith

respect

toIN−.

(4)

The

magnitude

of

the

input

voltage

must

never

exceed

the

magnitude

of

the

supply

voltage

or

15

V,

whic

hever

isle

ss.

(5)

The

outp

ut

may

be

short

ed

togro

und

or

toeither

supply

.T

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pera

ture

and/o

rsupply

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must

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limited

toensure

that

the

dis

sip

ation

rating

isnot

exceeded.

(6)

Maxim

um

pow

er

dis

sip

ation

isa

function

of

TJ(m

ax),θ J

A,

and

TA.

The

maxim

um

allo

wable

pow

er

dis

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at

any

allo

wable

am

bie

nt

tem

pera

ture

isP

D=

(TJ(m

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TA)/θ J

A.

Opera

ting

at

the

absolu

tem

axim

um

TJ

of

150

°Ccan

affect

relia

bili

ty.

(7)

The

package

therm

alim

pedance

iscalc

ula

ted

inaccord

ance

with

JE

SD

51-7

.(8

)M

axim

um

pow

er

dis

sip

ation

isa

function

of

TJ(m

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C,

and

TC.

The

maxim

um

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sip

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at

any

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wable

am

bie

nt

tem

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ture

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D=

(TJ(m

ax)–

TC)/θ J

C.

Opera

ting

at

the

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Copyright

©1978–2014,

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Quadripoles

FICHES A LIRE— Quadripôles

1. Association de dipôlesOn s’intéresse au système suivant :

Pour les applications numériques, on prendra : Eg = 10 V, Rg = 10 Ω, R1 = 20 Ω et R2 = 10 Ω.

1. Que vaut la tension VE par rapport à Eg lorsque le quadripôle est déconnecté ?

2. Tracer la droite de charge du générateur (caractéristique I = f (U)).

On branche l’ensemble des éléments du montage précédent.

3. Donner le modèle équivalent du quadripôle (vous préciserez tous les paramètres du modèle) :

(a) pour RL = 1 Ω

(b) pour RL = 10 Ω

(c) pour RL = 100 Ω

4. Pour chacun des cas précédents, calculer le courant fourni par le générateur et la tension VS .

2. Calcul sur quadripoles1. Donner le modèle équivalent d’un quadripôle.

2. Proposer une méthode pour mesurer l’ensemble des éléments du modèle proposé à la question pré-cédente.On donne les deux quadripoles suivants :

14


3. Déterminer les paramètres du modèle équivalent du quadripole 1.

4. Déterminer les paramètres du modèle équivalent du quadripole 2.

5. Donner la relation entre VS 2 et Ve1 lorsque les deux quadripoles sont reliés entre eux (Ve2 = VS 1).

– 15 –


Analyse Harmonique

FICHES A LIRE— Régime Harmonique— Filtrage / Analyse harmonique / Ordre 1— Filtrage actif / Ordre 2

1. Montages à Amplificateurs Linéaires IntégrésCalculer la fonction de transfert des circuits suivants et tracer les diagrammes de Bode correspondants

en amplitude et en phase.

2. Sonde compensée pour oscilloscopeL’entrée de mesure d’un oscilloscope est géné-

ralement modélisée par un dipôle constitué d’unerésistance Re de 1 MΩ en parallèle avec un conden-sateur ayant une capacité Ce de 25 pF (cette valeurpeut varier légèrement d’un type d’oscilloscope àun autre).

Par ailleurs, le câble coaxial utilisé pour relierle point de mesure à l’oscilloscope présente unecapacité parasite Cc de 100 pF (pour 1 m de câble).On négligera la résistance du câble devant Re.

L’ensemble oscilloscope + câble coaxial peutdonc être modélisé par un dipôle RC comme re-présenté ci-après.

1. Déterminer les valeurs de R et de C du modèle équivalent.

2. Pour quelle fréquence de signal à mesurer, l’impédance équivalente ramenée entre le point de mesureet la masse vaut-elle 500 Ω ?

L’impédance du dipôle de mesure peut donner une mesure erronée de la tension V1. C’est pourquoiil convient d’utiliser une sonde correctement réglée afin d’augmenter l’impédance du dipôle de

16


mesure. Cette sonde est constituée d’un câble coaxial analogue au précédent et d’une tête de sondecomprenant une résistance Rs de 9 MΩ en parallèle avec un condensateur Cs variable entre 5 et50 pF. Le schéma complet du montage est alors le suivant.

3. Faire une étude asymptotique du montage lorsque ω tend vers 0 et vers l’infini. En déduire le com-portement du montage pour ces deux cas extrêmes.

4. Calculer la fonction de transfert T ( jω) = V2/V1 de ce montage.

5. Tracer le diagramme asymptotique de Bode en amplitude et en phase de T ( jω) pour Cs = 5 pF.

6. Tracer le diagramme asymptotique de Bode en amplitude et en phase de T ( jω) pour Cs = 50 pF.

7. Quelle valeur faut-il donner à Cs pour que la tension V2 soit proportionnelle à la tension V1 quelquesoit la fréquence du signal alternatif sinusoïdal à mesurer ?

8. Exprimer l’impédance d’entrée de l’ensemble "sonde + oscilloscope" vue des bornes de la tensionV1. Que vaut maintenant cette impédance pour la fréquence calculée à la question 2 ?

– 17 –

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