Sciences de l'ingénieur1ère

Applications électriques et électroniques
Exercices corrigés

Maîtrisez les applications électriques et électroniques : circuits logiques, amplificateurs, filtres, convertisseurs et transmission grâce à ces 5 exercices détaillés.

Concepts & Exercices
\(U_s = A_v \cdot U_e\)
Amplification
Amplificateur
\(A_v = \frac{U_s}{U_e}\)
Gain en tension
Filtre passe-bas
\(H(j\omega) = \frac{1}{1+j\omega RC}\)
Réponse fréquentielle
Convertisseur
ADC/DAC
Analogique-numérique
🎯
Amplificateur : Augmente l'amplitude d'un signal électrique.
📋
Filtre : Sélectionne certaines fréquences d'un signal.
🔍
Convertisseur : Transforme un signal analogique en numérique ou vice-versa.
⚙️
Circuit logique : Traite des signaux binaires selon des opérations booléennes.
Exercice 1
Analyser un amplificateur opérationnel non-inverseur
Exercice 2
Étudier un filtre passe-bas RC
Exercice 3
Comprendre un convertisseur analogique-numérique
Exercice 4
Analyser un circuit logique combinatoire
Exercice 5
Étudier un système de transmission numérique
Corrigé : Exercices 1 à 3
1 Amplificateur opérationnel
Définition :

Amplificateur opérationnel (AOP) : Composant électronique à très haut gain permettant d'amplifier des signaux électriques.

Méthode d'analyse d'un AOP :
  1. Appliquer les hypothèses d'idéalité (gain infini, impédance d'entrée infinie)
  2. Utiliser la loi des nœuds et des mailles
  3. Exprimer la relation entre tension de sortie et tensions d'entrée
  4. Calculer le gain en tension
Analyse d'un amplificateur non-inverseur :

Configuration : Résistances \(R_1\) et \(R_2\) en boucle de retour

Gain en tension : \(A_v = 1 + \frac{R_2}{R_1}\)

Caractéristiques : Gain positif, impédance d'entrée élevée

Tension d'entrée :

\(U_e = 0.1 \sin(2\pi ft)\)

Tension de sortie :

\(U_s = A_v \cdot U_e\)

Gain en tension :

\(A_v = \frac{U_s}{U_e}\)

Bande passante :

Façonnage de la réponse fréquentielle

Étape 1 : Analyse du montage

Amplificateur non-inverseur avec rétroaction négative par diviseur résistif

Étape 2 : Application des lois

Théorème de Millman, loi des nœuds, hypothèses d'idéalité

Étape 3 : Calcul du gain

\(U_s = (1 + \frac{R_2}{R_1}) \cdot U_e\)

\(A_v = 1 + \frac{R_2}{R_1}\)
Réponse finale :

Gain en tension : \(A_v = 1 + \frac{R_2}{R_1}\)
Tension de sortie : \(U_s = A_v \cdot U_e\)
Impédance d'entrée : Très élevée

Règles appliquées :

• Rétroaction négative : Stabilise le gain et améliore la linéarité

• Impédance d'entrée : Élevée pour ne pas charger le générateur

• Gain : Dépend uniquement du rapport des résistances

2 Filtre passe-bas
Définition :

Filtre passe-bas : Circuit qui laisse passer les basses fréquences et atténue les hautes fréquences.

Analyse d'un filtre RC passe-bas :

Composants : Résistance R et condensateur C en série

Fonction de transfert : \(H(j\omega) = \frac{1}{1+j\omega RC}\)

Fréquence de coupure : \(f_c = \frac{1}{2\pi RC}\)

Impédance du condensateur :

\(Z_C = \frac{1}{j\omega C}\)

Fonction de transfert :

\(H(j\omega) = \frac{U_s}{U_e}\)

Module de la fonction :

\(|H(j\omega)| = \frac{1}{\sqrt{1+(\omega RC)^2}}\)

Phase :

\(\phi = -\arctan(\omega RC)\)

Étape 1 : Analyse du circuit

Diviseur de tension avec impédance complexe du condensateur

Étape 2 : Calcul de la fonction de transfert

\(H(j\omega) = \frac{Z_C}{R + Z_C} = \frac{1}{1+j\omega RC}\)

Étape 3 : Analyse fréquentielle

Module et phase en fonction de la fréquence

\(H(j\omega) = \frac{1}{1+j\omega RC}\)
Réponse finale :

Fonction de transfert : \(H(j\omega) = \frac{1}{1+j\omega RC}\)
Fréquence de coupure : \(f_c = \frac{1}{2\pi RC}\)
Atténuation : -20dB/décade après \(f_c\)

Règles appliquées :

• Fréquence de coupure : Point où l'amplitude est divisée par √2

• Atténuation : -3dB à la fréquence de coupure

• Déphasage : Maximum de -90° aux hautes fréquences

3 Convertisseur ADC
Définition :

Convertisseur ADC (Analog-to-Digital Converter) : Composant qui transforme un signal analogique en signal numérique.

Analyse d'un convertisseur ADC :

Paramètres principaux : Résolution, plage de conversion, temps de conversion

Résolution : Nombre de bits de sortie (8, 10, 12, 16 bits)

Quantum : \(q = \frac{V_{ref}}{2^n}\) (n = nombre de bits)

Tension d'entrée analogique :

\(V_{in}\) (0 à \(V_{ref}\))

Code numérique de sortie :

\(N = \left\lfloor \frac{V_{in}}{q} \right\rfloor\)

Erreur de quantification :

\(\pm \frac{q}{2}\)

Rapport signal/bruit :

\(SNR = 6.02n + 1.76\) dB

Étape 1 : Analyse du processus de conversion

Échantillonnage, quantification, codage du signal analogique

Étape 2 : Calcul de la résolution

Plusieurs bits = meilleure précision mais plus lent

Étape 3 : Analyse des performances

Précision, vitesse, linéarité, erreur de conversion

\(N = \left\lfloor \frac{V_{in}}{q} \right\rfloor\)
Réponse finale :

Résolution : n bits (2^n niveaux)
Quantum : \(q = \frac{V_{ref}}{2^n}\)
Code numérique : \(N = \left\lfloor \frac{V_{in}}{q} \right\rfloor\)

Règles appliquées :

• Théorème de Shannon : Fréquence d'échantillonnage > 2 fois la fréquence max

• Erreur de quantification : Inévitable, dépend de la résolution

• Temps de conversion : Facteur limitant pour les applications rapides

Corrigé : Exercices 4 à 5
4 Circuit logique combinatoire
Définition :

Circuit logique combinatoire : Circuit dont la sortie ne dépend que des entrées actuelles.

Analyse d'un circuit logique :

Opérations logiques : ET (AND), OU (OR), NON (NOT), XOR

Table de vérité : Représente toutes les combinaisons d'entrées et sorties

Équation logique : Expression algébrique de la fonction booléenne

Opération ET (AND) :

\(S = A \cdot B\)

Opération OU (OR) :

\(S = A + B\)

Opération NON (NOT) :

\(\overline{A}\)

Opération OU exclusif (XOR) :

\(S = A \oplus B\)

Étape 1 : Analyse de la fonction logique

Identifier les portes logiques et leur connexion

Étape 2 : Construction de la table de vérité

2^n lignes pour n variables d'entrée

Étape 3 : Simplification de l'équation

Méthode de Karnaugh ou algèbre de Boole

\(S = \sum minterms\)
Réponse finale :

Table de vérité : Toutes les combinaisons possibles
Équation logique : Expression de la sortie en fonction des entrées
Simplification : Réduction du nombre de portes logiques

Règles appliquées :

• Variables binaires : Valeurs 0 ou 1 uniquement

• Théorème de De Morgan : \(\overline{A+B} = \overline{A} \cdot \overline{B}\)

• Simplification : Réduction du coût et de la complexité

5 Transmission numérique
Définition :

Transmission numérique : Envoi d'informations sous forme de signaux binaires.

Analyse d'un système de transmission :

Débit binaire : \(D = \frac{n}{T}\) (bits par seconde)

Bandes passantes : Largeur de spectre nécessaire

Ratio signal/bruit : Qualité de la transmission

Débit binaire :

\(D = \frac{1}{T_b}\) (Tb = période bit)

Taux d'erreur binaire :

\(BER = \frac{\text{bits erronés}}{\text{total bits transmis}}\)

Capacité du canal :

\(C = B \log_2(1 + \frac{S}{N})\) (Shannon)

Codage de ligne :

NRZ, Manchester, NRZI...

Étape 1 : Analyse du canal de transmission

Caractérisation des propriétés (bande passante, bruit, distorsion)

Étape 2 : Codage des données

Conversion des bits en signaux adaptés au canal

Étape 3 : Analyse des performances

Débit, taux d'erreur, capacité du canal

\(C = B \log_2(1 + \frac{S}{N})\)
Réponse finale :

Débit binaire : Nombre de bits transmis par seconde
Taux d'erreur : Mesure de la qualité de la transmission
Capacité : Limite théorique du canal

Règles appliquées :

• Théorème de Shannon : Limite supérieure de la transmission sans erreur

• Codage de ligne : Synchronisation et détection d'erreurs

• Égalisation : Compensation des distorsions du canal

Cours bien détaillé
\(P = \frac{E}{t} = U \cdot I\)
Puissance électrique
🎯
Loi d'Ohm : \(U = R \cdot I\) - Relation fondamentale en électricité.
📋
Lois de Kirchhoff : Loi des nœuds et des mailles pour l'analyse des circuits.
🔍
Théorème de superposition : Analyse des circuits linéaires avec plusieurs sources.
⚙️
Transformée de Fourier : Analyse des signaux dans le domaine fréquentiel.
💡
Conseil : Toujours vérifier l'homogénéité des unités dans les calculs
🔍
Attention : Respecter les conventions de signe pour les tensions et courants
⚡
Astuce : Utiliser les diagrammes de Bode pour l'analyse fréquentielle
📋
Méthode : Appliquer les lois fondamentales avant les méthodes avancées
✅
Vérification : Toujours contrôler la cohérence des résultats
Méthodes d'analyse des circuits :
  • Loi d'Ohm : \(U = R \cdot I\) pour les résistances
  • Loi des nœuds : \(\sum I_{entrant} = \sum I_{sortant}\)
  • Loi des mailles : \(\sum U_{éléments} = 0\)
  • Théorème de Thévenin : Modèle équivalent d'un dipôle
  • Théorème de Norton : Version courant du modèle équivalent
Règles importantes :
  • L'impédance d'entrée d'un AOP idéal est infinie (pas de courant d'entrée)
  • La tension différentielle d'un AOP idéal en régime linéaire est nulle
  • Les filtres modifient l'amplitude et la phase des signaux en fonction de la fréquence
  • Les convertisseurs introduisent une erreur de quantification inévitable
  • La transmission numérique nécessite un rapport signal/bruit suffisant
Composants électroniques :
  • Résistance : \(U = R \cdot I\) - Dissipe l'énergie sous forme de chaleur
  • Condensateur : \(I = C \frac{dU}{dt}\) - Stocke l'énergie électrique
  • Bobine : \(U = L \frac{dI}{dt}\) - Stocke l'énergie magnétique
  • Diode : Conductrice dans un sens, bloquante dans l'autre
  • Transistor : Composant amplificateur et interrupteur
Types de filtres :
  • Passe-bas : Laisse passer les basses fréquences
  • Passe-haut : Laisse passer les hautes fréquences
  • Passe-bande : Laisse passer une bande de fréquences
  • Réjecteur de bande : Bloque une bande de fréquences
  • Actifs : Avec amplification (AOP), passifs (sans amplification)
Applications électriques et électroniques Signaux et transmission