Electronique analogique Examen – Lundi 25 novembre 2019

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Test Electronique Analogique – ISMIN EI19 p. 1

Electronique analogique

Examen – Lundi 25 novembre 2019

Une attention particulière sera portée au soin lors de la correction et de la notation (écrire proprement, utiliser plusieurs couleurs, entourer vos résultats avec une règle, …)

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Exercice 1 – Structure à transistor MOS – 3 points

Le transistor Mos M1 canal N et M2 canal P. Ils possèdent respectivement une tension de seuil de 1,2V et de –1,2V.

a) Donner les allures des courbes Id(Vgs) pour M1 et M2 pour un VDS et un VSD donnés.

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

ID

VGS

ID(VGS) pour MOS canal N et P

Canal N Canal P

b) La tension d’entrée Ve(t) est donnée ci-dessous. Donner l’allure de la tension de sortie Vs(t)

c) Justifier votre réponse en détaillant l’état des MOS et leur tension VDS sur une période du signal d’entrée.

t Ve(t)

+5V

-5V

Ve(t)

Vs(t)

+5V

-5V

+5V

-5V

M2 ON VDS2=0V M1 OFF VDS1=10V

M2 OFF VDS2=-10V M1 ON VDS1=0V

M2 ON VDS2=0V M1 OFF VDS1=10V

M2 OFF

VDS2=-10V

M1 ON

VDS1=0V

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Exercice 2 – Amplificateur MOS à source commune – 12 points

Le but de cet exercice est de déterminer les éléments de la polarisation d’un transistor MOS afin de réaliser un amplificateur donné en figure 2.1. Le transistor utilisé est un MOS canal N dont les caractéristiques sont données en figure 2.2.

a) Quel est l’intérêt des capacités C1 et C2 ? Capacités de liaison servant à isoler la polarisation continue

b) Donner le schéma petit signaux de ce montage.

c) Déduire de la caractéristique Id(VGS) la transconductance de MOS. gm= 10 mA/V - cf graphe d) En déduire l’expression du gain. On négligera la résistance de sortie r0 du MOS en la considérant

très élevée. |Gain |= gm*(r0//RD//RL) ; r0 négligée d’où |Gain |= gm*(RD//RL) e) Déterminer la résistance RD pour obtenir un gain de 5.

𝑅𝐷 =_12∗/03*+,-^*+,-∗/0 = ^{4∗5,4∗789}

78∗78^:9∗5,4∗78⁹34=^75,4

58 ∗ 10⁼ = 625 W

f) Tracer sur la caractéristique ci-dessous la droite de charge pour cette valeur de RD et indiquer le point de fonctionnement Q pour un VGS = 2V. ID0 = 8mA ; VDS0=5V –cf graphe

g) Déterminer R1 et R2 pour avoir ce point de fonctionnement avec une consommation de polarisation limitée à 0,1 mA. R2=2/0,1*10^-3 = 20 kW ; R1=(10-2)/0,1*10^-3 = 80 kW

R1//R2 gm*vgs r0 RD RL

Vin Vs

G D

S

Figure 2.1 – Amplificateur à source commune.

Figure 2.2 – Caractéristiques ID(VDS) et ID(VGS) du MOS M1.

gm = 10 mA/V

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Exercice 3 – Commande d’une diode électroluminescente (DEL) par modulation de largeur d’impulsion (MLI) – 15 points

On considère le montage de génération d’un signal triangulaire de la figure 3.1 utilisant un comparateur de type MAX942 et un amplificateur opérationnel MCP6022. On note vScomp la tension en sortie du MAX942 et vTRI la tension en sortie du MCP6022.

On donne : R1 = 3,3 kW, R2 = 82 kW, R3 = 120 kW, C1 = 2,2 nF. On considérera que les tensions de déchets du MAX942 valent 0,2 V et que celles du MCP6022 valent 20 mV.

Figure 3.1 – Génération d’un signal triangulaire.

a) Quels sont les modes de fonctionnement du MAX942 et du MCP6022 dans ce montage ? Identifier les fonctions réalisées par les 2 blocs fonctionnels implémentés autour de ces composants.

b) Étude du comparateur : Exprimer vTRI en fonction de vScomp. Calculer les seuils de basculement du comparateur (vTRIlow et vTRIhigh). Tracer la fonction de transfert vScomp = f(vTRI) (en considérant que vTRI peut varier sur l’intervalle 0 V – 5 V).

c) Étude du MCP6022 : Mettre en équation vTRI en fonction de vScomp et en déduire la forme de vTRI

ainsi que sa fréquence. Tracer les chronogrammes de vTRI et vScomp sur quelques périodes.

Le signal triangulaire vTRI est utilisé pour générer un signal PWM selon le schéma de la figure 3.2. Le signal de commande vIN considéré est une valeur constante pouvant être réglée entre 0 V et 5 V.

Figure 3.2 – Génération d’un signal PWM.

d) Pour quelle plage de valeurs de vIN a-t-on vPWM = 0,2 V ? Pour quelle plage de valeurs de vIN a-t- on vPWM = 4,8 V ? Donner la valeur de vIN pour laquelle, vPWM a un rapport cyclique de 1/2.

Dessiner vPWM pour vIN = 3 V.

On considère maintenant le montage de la figure 3.3 permettant l’allumage et l’extinction d’une diode électroluminescente (DEL). Le signal PWM est utilisé pour commander un transistor NMOS en

MCP6022 V_DD= 5 V

gnd

R1

vTRI

2,5 V

C₁

MAX942 V_DD= 5 V

gnd

R2

2,5 V R₃

v_Scomp

MAX942 v_IN

v_TRI(t) v_PWM(t)

commutation. La DEL a une tension de polarisation directe VF = 2 V et elle fonctionne de façon optimale lorsqu’elle est traversée par un courant ID = 28 mA. Le transistor NMOS a une tension de seuil de 1,5 V et on considèrera que sa tension VDS est négligeable lorsque le transistor est passant.

Figure 3.3 – Commande d’une diode électroluminescente par un signal PWM.

e) Quelle valeur faut-il choisir pour RD afin d’avoir ID = 28 mA lorsque la diode est allumée ? f) Décrire le fonctionnement de ce montage.

Calculer la puissance dissipée par la DEL lorsque vIN = 3 V.

V_DD= 5 V

v

(t)

R

DEL

t v _TRI

t

0,2 V 4,8 V 5 V

0,93 V 4,07 V 5 V

10 µs 10 µs

v _PWM

5 V

0,2 V

4,8 V