Electronique

L'électronique: définition
On peut définir l'électronique, de manière très générale, comme l'ensemble des techniques qui utilisent des variations de grandeurs électriques (en général, de très petites grandeurs!) pour capter et transmettre l'information.
traitement et transmission de l'information

 

 

 

 

 

 

 


 

Le synoptique ci-dessus montre les principales étapes du processus de traitement et de transmission d'une information sonore, depuis la note de musique émise par un instrument jusqu'à celle entendue par l'auditeur d'un concert ou d'un disque.
Un exemple très simple de variation de grandeur électrique est le passage d'un courant dans une DEL, dès lors que la tension de seuil de cette DEL est atteinte ou dépassée. Il en résulte ce qu'on peut considérer comme une information, à savoir l'allumage de la DEL.
L'extinction de la DEL, par suite d'une tension d'alimentation insuffisante, constitue d'ailleurs une autre information...
Autre exemple: la tension (grandeur électrique) disponible aux bornes d'un capteur de température évolue en fonction de la température à laquelle cette sonde est soumise. Chacune des valeurs obtenues correspond à une information, qui est ensuite traduite en degrés centigrade.
Il appartient naturellement au concepteur du montage de déterminer la signification exacte de chacune de ces informations et de la rendre aisément exploitable par l'utilisateur final. Ainsi, l'allumage d'une DEL de visualisation pourra signifier: "appareil sous tension", ou encore correspondre à une information telle que: "DEL rouge = 20°C".
Ces exemples très simples, voire simplistes, illustrent l'importance de la notion d'information.
Une autre notion importante concerne la "taille" des signaux traités en électronique. Très souvent, le montage est alimenté en régime continu sous basse tension (de l'ordre de 5 à 10 volts, pour donner un ordre d'idée). On applique ensuite un signal alternatif à l'entrée de ce montage (pour l'amplifier, ou le comparer à un autre signal, par exemple). D'une manière très générale, et dans la plupart des cas (il y a donc des exceptions!), le signal alternatif est de faible amplitude comparé aux tensions continues nécessaires au fonctionnement propre du montage. On parle alors de régime de petits signaux.
Le développement très rapide de l'électronique, dans de multiples directions, a conduit à une spécialisation sans cesse croissante des différentes "branches" qui la composent: systèmes de transmissions par voies hertziennes, informatique, robotique, domotique, intégration dans les biens de consommation grand public (automobile, appareils électro-ménagers...), etc. Les composants électroniques sont d'ailleurs proposés, très souvent, en version "grand public", industrielle (ou "aéronautique") et "militaire", selon des critères de fiabilité et de tolérance.

Les semi-conducteurs
L'électronique "moderne" a commencé de se développer au tout début des années 50, après l'invention du transistor, puis des premiers circuits dits "intégrés", ces circuits rassemblant plusieurs transistors sous un boîtier aussi petit que possible. Adieu, les grosses lampes et autres triodes! Cette véritable révolution technologique, nous la devons aux semi-conducteurs.
circuits intégrés

Les semi-conducteurs, silicium et germanium pour l'essentiel, sont des corps qui, après un traitement appelé "dopage", possèdent la propriété très remarquable de se comporter comme des conducteurs électriques, mais dans un seul sens.
Au contraire d'un fil de cuivre, qui laisse indifféremment passer un courant dans un sens ou dans l'autre, les semi-conducteurs sont polarisés: le courant ne peut les traverser que dans un sens prédéfini, selon leur dopage. Il devient donc possible de contrôler très finement les flux d'électrons.
A titre documentaire, disons que silicium et germanium sont des corps qui, au niveau atomique, possèdent 4 électrons de valence, électrons susceptibles de former des liaisons avec d'autres atomes. (Rappel: l'électron est une charge négative élémentaire.) L'atome de silicium, par exemple, met ses 4 électrons de valence en commun avec ceux de 4 autres atomes de silicium, de manière à former un cristal, structure très stable. Toutefois, l'énergie nécessaire pour libérer quelques atomes n'est pas considérable, ce qui signifie qu'en élevant sa température on peut rendre le silicium conducteur, ou du moins augmenter sa conductibilité. A noter que le silicium est beaucoup plus répandu, car beaucoup plus facile à produire, que le germanium.
C'est en réalité le dopage, ou l'adjonction de ce qu'on appelle des "impuretés", en fait des atomes d'antimoine, de phosphore, d'arsenic, ou encore de bore, de gallium ou d'indium, dont la valence n'est pas la même (elle de 5 ou de 3), qui détermine le type de semi-conducteur, type N (négatif) dans un cas, type P (positif) dans l'autre, et qui dispense de créer une agitation thermique pour produire la conduction.
En effet, on obtient alors, pour le type N, des électrons libres excédentaires ou, pour le type P, des "trous" (déficit d'électrons, qu'on peut assimiler à des charges positives), et on réalise par là même la condition essentielle au passage d'un courant, qui est un déplacement d'électrons.
En résumé, c'est en incorporant au cristal de silicium tels ou tels atomes que l'on détermine le sens de conduction.


Avantages des composants à semi-conducteurs
Les semi-conducteurs (pour simplifier: le silicium) ont permis la conception et la fabrication en très grandes séries de composants que l'on appelle couramment "électroniques": diodes, transistors, circuits intégrés... Nous les étudierons plus loin. Par rapport aux composants qui étaient autrefois utilisés, ils présentent au moins trois avantages décisifs:

Un problème épineux: les dipôles non-linéaires

Qu'est-ce qu'un signal électrique?
Lorsqu'on parle de signal électrique, il faut comprendre, dans le sens le plus large, une variation d'une grandeur électrique, le plus souvent une tension, qui peut aller d'une valeur "zéro" (absence de tension) à une valeur maximale quelconque, en passant par toutes les valeurs intermédiaires. Un signal électrique peut se manifester sous une foule de formes différentes, mais en définitive, il s'agit toujours d'une variation d'une tension, d'une intensité...
signal audio

 

Exemple de signal électrique analogique, dont la variation est continue dans le temps. Cette forme d'onde est celle d'un signal audio.

 

 


Oscilloscope numérique HAMEG HM1507.


 

 

 

 

 

 

 

 

Pour visualiser et mesurer un signal électrique, ou même plusieurs signaux simultanément, on utilise un appareil appelé oscilloscope. (Document Hameg).

 

 

 

Voici quelques formes d'onde (waveforms, en anglais) de signaux électriques: on observera que ce sont des formes simples et répétitives. C'est pourquoi ces signaux sont dits "périodiques".
formes d'ondes

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Les paramètres d'un signal analogique
Trois paramètres permettent de décrire un signal périodique, qui est en quelque sorte le "modèle de base" des signaux analogiques, car le plus simple. Ce sont:

L'illustration ci-dessous permet de visualiser ces notions essentielles:
signal sinusoïdal

La fréquence (f) d'un signal variable périodique est le nombre de cycles qui se répétent en 1 seconde, un cycle, ou période (t), étant l'intervalle qui sépare deux points consécutifs pour lesquels la valeur et le sens de la variation sont identiques. Dans le cas d'un courant alternatif de forme sinusoïdale, par exemple le 230 V du secteur, le cycle correspond à l'alternance positive et à l'alternace négative. Ce cycle se reproduisant à l'identique 50 fois par secondes, la fréquence est donc de 50 Hz et la période de 1/50ème de seconde, ou 0,02 s, soit 20 ms.
Retenez ces formules, strictement équivalentes (f en hertz, t en secondes):
f = 1 / t
L'amplitude du signal est définie comme la valeur maximale de sa tension. S'agissant d'un signal alternatif, qui "franchit" le point référencé 0 volt, la tension crête-à-crête est égale au double de l'amplitude pour chaque alternance. La valeur dite efficace (RMS, en anglais, pour Root Mean Square) est une valeur moyenne, utile pour la mesure et les calculs. Nous en reparlerons.
Très souvent, les dispositifs électroniques traitent des signaux de faible amplitude. On parle alors de régime de petits signaux.

signaux

Si vous avez bien compris ce qui précède, vous pouvez comparer sans peine les deux signaux ci-contre. Ces signaux sont de forme sinusoïdale, ils ont tous deux la même amplitude, mais la fréquence du signal violet est deux fois supérieure à celle du signal rouge, puisque sa période est deux fois moindre. Autrement dit, le signal violet se répète deux fois plus souvent que le signal rouge.

Voici un autre exemple de signal, de forme rectangulaire cette fois. De nombreux circuits intégrés délivrent de tels signaux.
signal carré
Ce type de signal permet d'introduire la notion de rapport cyclique, défini comme le quotient de la durée de l'état haut par la période, ou durée totale d'un cycle. Dans l'exemple ci-dessus, le rapport cyclique est de 50 %, puisque la durée du niveau haut est égale à la moitié de la période (niveau haut + niveau bas).
Les signaux de ce type sont souvent appelés créneaux (pulses, en anglais), ou trains d'impulsions. A la différence des signaux alternatifs de même forme, ceux-ci sont toujours positifs (leur tension reste toujours au-dessus de l'axe 0 volt).
L'oscilloscope est un instrument qui permet de visualiser des signaux électriques sur un écran gradué. Une "division" (DIV) correspond à un "carré" horizontal ou vertical de l'écran. Voyons comment on peut s'en servir pour mesurer un signal:

 

 


scope

 

Quelle est l'amplitude du signal sinusoïdal?
Chaque division verticale vaut 200 mV.
Le sommet du signal atteint une valeur de 2,5 division (deux carrés entiers et la moitié du suivant).
L'amplitude du signal est donc égale à 2,5 fois 200 mV, soit 500 mV.

 

Quelle est la fréquence du signal carré ci-contre? Quel est son rapport cyclique?
Le signal se répète à l'identique toutes les quatre divisions horizontales et chaque division vaut 20 ms. La période est par conséquent égale à 80 ms, ou 0,08 seconde. La fréquence f vaut alors 1/0,08 Hz, soit 12,5 Hz.
On observe que la durée du niveau haut est égale à la durée du niveau bas, on a donc un rapport cyclique de 50 % (on dit que le signal est symétrique).
Ajoutons que l'amplitude de ce signal est égale à deux fois 500 mV, soit 1 volt. L'amplitude crête-à-crête vaut le double, donc 2 V.

scope

Signaux complexes
Nous avons vu jusqu'à présent des signaux de forme simple, sinusoïdale ou rectangulaire. Ce sont les plus faciles à étudier. Cependant, tous les signaux électriques, à commencer par les signaux "audio" (sons, paroles, musique...), ne présentent pas, on s'en doute, des formes aussi régulières et répétitives.
Que se passe-t-il, par exemple, lorsque l'on superpose deux signaux, l'un continu, l'autre alternatif?
signal complexe

 

Le résultat est un signal complexe, dans lequel on retouve la composante continue (en bleu sur la figure) et la composante alternative (en rouge). Un moyen efficace de séparer ces deux composantes consiste à recourir à un condensateur, qui bloque la composante continue et ne laisse passer que la composante alternative. On verra plus loin que ceci est indispensable pour le traitement des signaux audio.
Si on "mixe" deux signaux alternatifs dont l'un est une harmonique de l'autre, on obtient un signal qui ressemble à ceci:
signaux mixés
Une harmonique est un signal dont la fréquence est un multiple entier du signal dit fondamental. Ainsi, la fréquence de la troisième harmonique est trois fois supérieure à celle de la fondamentale.
Ces exemples suffisent à montrer que des modèles simples (en l'occurence la sinusoïdale) permettent d'étudier, grâce aux outils mathématiques adéquats, des formes très complexes.


Signaux parasites: le bruit
Vous entendrez parfois parler de bruit (noise, en anglais): en électronique, ce terme est très péjoratif! De quoi s'agit-il? Pour répondre en un mot: de parasites, donc de signaux "nuisibles".
Voyons à quoi ressemble du bruit:



 

 

 

 

 

 

On a là un mélange de fréquences plus ou moins aléatoires, d'amplitudes disparates. A l'écoute, le résultat est affreux. D'où viennent donc ces signaux parasites?
Le bruit peut avoir de nombreuses causes: des interférences entre différents appareils électriques, des signaux radio captés et amplifiés par des circuits auxquels ils ne sont pas destinés... Mais il existe une cause plus fondamentale, et quasiment inévitable, le choc des électrons dans les circuits électroniques. L'échauffement des circuits, sous l'effet Joule, provoque une "surexcitation" des électrons, qui s'entrechoquent de manière désordonnée, d'où la production de bruit.
On voit donc, à nouveau, l'importance de lutter contre toute dérive thermique des circuits électroniques. Ajoutons que les ingénieurs se sont depuis longtemps préoccupés de ce phénomène et qu'ils s'efforcent de concevoir des circuits aussi peu sensibles que possible au bruit, surtout, on s'en doute, dans le domaine "audio". On parle alors d'immunité au bruit.

Signaux analogiques et signaux numériques
Un signal analogique est un signal dont la variation est continue. Sa forme d'onde, qui peut être très complexe, a pour modèle théorique la sinusoïde. Une tension alternative, par exemple, est un signal analogique périodique (se répétant à l'identique). Une montre, un compte-tours ou un voltmètre à aiguilles sont des appareils analogiques.
Un signal numérique (digital, en anglais), se traduit par une succession de valeurs 0 ou 1, correspondant à l'absence ou à la présence d'un potentiel électrique ou, en d'autres termes, à un état bas ou un état haut. La variation de ce type de signal n'est donc pas progressive, puisque seuls deux états sont possibles. Un processeur, par exemple, reçoit, traite et transmet des signaux numériques.
Certains circuits intégrés, appelés convertisseurs (A/D converters, en anglais), sont spécialisés dans la conversion de signaux analogiques en signaux numériques, et vice-versa. Ils permettent, par exemple, de faire communiquer un ordinateur et un appareil ou dispositif analogique (sonde, capteur, relais, etc...), ou encore de transformer un son (musique, voix humaine...) en signaux susceptibles d'être traités par un ordinateur. Une application exemplaire, à cet égard, est le modem, qui permet de faire transiter données, images ou sons numérisés sur une ligne téléphonique, laquelle n'accepte que des signaux analogiques.


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