CIRCUITS A DEUX ETATS

T.P. d'Electronique
ème
3
année
CIRCUITS A DEUX ETATS
1 - PRINCIPE
Les systèmes que nous allons étudier permettent de générer des créneaux ou des impulsions
rectangulaires pour des applications logiques ou analogiques.
Pour cela, on dispose généralement d'un composant électronique présentant:
- deux états possibles:
• Transistor à l'état saturé (résistance quasi nulle) ou bloqué (résistance quasi infinie)
• Amplificateur opérationnel saturé à +/- Vcc
• Composant logique à l'état 0 ou 1
- une ou deux entrées opératoires:
• Bases de deux transistors identiques (ou émetteurs ou collecteurs)
• Entrée inverseuse et non-inverseuse d'un amplificateur opérationnel
• Entrées logiques de portes NAND pour un flip-flop par exemple
- (au moins) une boucle externe de réaction positive qui induit un processus cumulatif rapide entrée sortie - entrée - sortie...
2 - SYSTEMES BISTABLES
Ils présentent deux états stables parce que non corrélés, liés à l'existence de deux seuils de
basculement. Nous allons voir dans ce qui suit deux exemples de systèmes bistables.
2.1 - La bascule à seuil ou trigger de SCHMITT
Il possède deux seuils précis de basculement et une boucle de réaction positive assurant une
liaison simple (pas de constantes de temps).
S
+Vo
+ Vo
E
M
R2
S
c
E
T2
T1
b
P
VM
-V o
e
R
V
b
Ve
R1
Basculeur de Schmitt à transistors
VP
2
R
1
Basculeur de Schmitt à AOP
1°) Au repos (tension d'entrée nulle en E: Vm=0 ou Vb = 0) le système est dans un état stable:
-
T1 bloqué (base à la masse), T2 saturé (par le pont de résistances issu de T1) impose un
potentiel de seuil:
1
Ve 
-
R1
V
R 1 + R2 0
Amplificateur opérationnel saturé à +V0, le pont diviseur ramène un potentiel de seuil:
Vp =
R1
V
R 1 + R2 0
2°) Quand la tension d'entrée (en E) dépasse le seuil (Vm>Vp ou Vb>Ve), le potentiel de sortie
baisse:
- au collecteur de T1
- en sortie de l'amplificateur opérationnel
La boucle de réaction positive agissant sur Vp ou Ve rend le processus cumulatif. Le système bascule très
rapidement dans l'autre état stable.
-
Dans le montage à amplificateur opérationnel la tension Vp prend alors une nouvelle valeur de
seuil:
V 'p = –
R1
V
R1 + R2 0
- Une analyse fine montre qu'il se crée aussi un autre état de seuil V'e pour le montage à
transistor.
3°) Si la tension à l'entrée redescend en dessous de cette nouvelle valeur de seuil, le phénomène
cumulatif joue à nouveau et un basculement en sens inverse se produit. Dans les deux montages, on
décrit donc une boucle d'hystérésis.
Vs
V0
Vs
V0
-
R1
R1 +R2
R1 V0
R1 + R 2
VE
R1 V0
R1 +R 2
VE
V'0
-V0
Ve
Cycle d’hystérésis du basculeur de à transistors
Cycle d’hystérésis du basculeur à AOP
Applications: Mise en forme (sous forme de créneaux) d'un signal périodique, sinusoïde ou signaux en
créneaux affectés de bruit.
2.2 - La bascule
Si l'on commande le basculement par des impulsions, la bascule à seuil devient une bascule.
Il suffit que les impulsions aient une amplitude suffisante pour dépasser le seuil d'hystérésis et durent
suffisamment longtemps pour que la tension de sortie ait le temps de s'inverser.
Avec les montages indiqués on obtient les basculements vers l'un ou l'autre état en attaquant E par
des impulsions alternativement positives et négatives.
NB: L'amplitude des impulsions de commande nécessaire n'est pas identique pour les deux états dans le
2
cas du montage à transistors. On placera en général un différentiateur à l'entrée. Les signaux différentiés
servant à la commande des bascules.
S
S
-V o
S
+Vo
N
1
E
E1
E2
Bascule à AOP
N
2
1 ou 0
1 ou 0
E1
E
2
Bascule logique (flip-flop)
3 - SYSTEMES MONOSTABLES
Ils présentent un seul état stable lié à l'existence d'un seul seuil de basculement. Une impulsion
externe peut les éloigner temporairement de cet état stable.
Voici à titre d'exemples deux montages:
+V
REF
Vo
R
+Vo
E
C
+ -
E
M
S
V
M
c
T1
e
b
B2
b
S
P
C
-V o
c
+
T2
-
R
e
V
P
Monostable à transistor
Monostable à AOP
1°) La capacité C introduit une coupure pour la polarisation continue dans la boucle de réaction, alors:
- T2 se sature par le courant issu de la polarisation à travers une résistance entraînant le blocage de
T1. La sortie passe au potentiel 0. Le seuil Vp n'existe plus.
- Un potentiel permanent positif Vref appliqué en M suffit pour saturer négativement l'amplificateur
opérationnel au potentiel -Vp.
Dans les deux cas, la capacité C se charge au potentiel V0 avec la polarité indiquée.
2°) La capacité C transmet instantanément les transitoires très brefs. Une impulsion négative
appliquée à l'entrée induit un basculement en sortie à +V0.
3°) La capacité C introduit une temporisation dans la boucle de réaction. C se décharge dans R par un
courant I. Tant que I est assez fort:
- B2 est en dessous du seuil de déblocage de T2 (environ 600 mV)
- P est en dessous du seuil de basculement de l'amplificateur opérationnel fixé à +Vref.
4°) Quand C est suffisamment déchargée, on passe le seuil de basculement et on revient à l'état stable
initial au bout d'un temps .
3
Ve
Ve
t
t
Vs
Vs
V0
V0


t
t
-V0
Monostable à transistor
Monostable à AOP
4 - SYSTEMES ASTABLES
Ils ne présentent aucun état stable: c'est à dire, en réalité il y a deux états possibles liés à
l'existence de deux seuils de basculement, et rendus instables par une liaison électrique établie entre
eux grâce à un élément de temporisation (capacité).
A titre d'exemple:
V
o
R1
R
R
2
S
C
c
T1
1
C
b
M
b
c
C
T2
R
2
P
e
e
S
2
Vp
Astable à transistor
R
1
Astable à AOP
En transistor on voit que l'adjonction de la capacité C2 permet à un fonctionnement univibrateur,
supposé démarrer spontanément, de se poursuivre en relation avec un deuxième seuil qui est celui de
déblocage de T1 et une deuxième constante de temps R2C2.
Comme rien n'arrête dans le temps la propagation des signaux sur la boucle de rétroaction positive,
le système de basculement s'auto-entretien entre les états de sortie 0 et V 0. En fait le système étant
fondamentalement instable, démarre spontanément sur du bruit interne.
NB: Les créneaux obtenus sont réguliers seulement si les deux constantes de temps sont égales:
R1C1=R2C2
En amplificateur opérationnel le montage type bascule fournit les deux états de sortie +/- V0 liés
aux deux seuils +/- (R1/R1 + R2) V0 (Par rapport au montage univibrateur on voit qu'il faut enlever la
tension de référence positive qui supprime un des deux seuils). La capacité C assure la liaison temporelle
entre les deux états. Si on part de S au potentiel +V0 et de C déchargée, la capacité se charge à travers R
et un premier basculement à -V0 a lieu quand le potentiel de M franchit le premier seuil Vp:
Vp =
R1
V
R1 + R2 0
La capacité se décharge alors à travers R et un deuxième basculement à +V 0, a lieu quand le potentiel de
M descend en dessous du deuxième seuil V'p
4
V' p = -
R1
V
R1 + R2 0
etc..... le phénomène s'auto-entretien.
NB: Les deux constantes de temps ayant fusionné en RC, les créneaux sont réguliers.
Remarques générales:
1) Par construction un multivibrateur est un oscillateur dont l'amplitude est fixe (entre 0 et V0 ou
entre -V0 et +V0). Par contre, l'amplitude d'un oscillateur sinusoïdal n'est limitée que par les
amortissements externes à l'oscillateur et n'a pas de valeur imposée.
2) Un système bouclé avec rétroaction positive produit de l'énergie alternative. Il équivaut formellement à
une résistance négative. Ceci explique pourquoi on peut aussi fabriquer des multivibrateurs et des
oscillateurs à partir d'éléments présentant une résistance négative comme une diode à effet tunnel.
5 – PREPARATION ET MANIPULATION
Pendant toutes les manipulations, utiliser des sondes capacitives pour mesurer tous les signaux:
elles limitent l’effet de charge capacitif de l’oscilloscope. Les montages s’effectueront sur la plaquette à
trous grise. Il faudra polariser correctement l’AOP (+15V, -15V et la masse) et ne pas oublier d’appeler
l’enseignant avant de mettre sous tension. Il faudra également remplir le tableau de résumé des
mesures fourni.
5.1 - L'ASTABLE A AOP
5.1.1 - Multivibrateur ordinaire.
En préparation, expliquez brièvement le fonctionnement du circuit ci-dessous. Retrouver
l'expression théorique de T.
T = RC Lo g 1+ 2 R 1
2
R2
e
R = 68 k
M
S
C = 100 nF
R
2
= 120 k
P
R
-
1
= 100 k
Réaliser le montage ci –dessus.
Regarder simultanément la forme des signaux en M et S, et P (pour cela vous utiliserez la
fonction enregistrement de l’oscilloscope).
Mesurer les durées 1 et 2 des créneaux négatifs et positifs et leurs amplitudes. Comparer à la
1/2 période théorique. Justifier les écarts et interpréter la forme des signaux observés
(notamment sur l’amplitude et la période).
5.1.2 - Multivibrateur à rapport cyclique à tension de référence
En préparation, expliquez brièvement le fonctionnement du circuit ci-dessous. Si possible justifier
l’expression théorique
5

R
 1 = RC Loge 1+ 2 1
R2
1
V
1+ REF
VsMAX
R = 68 k
M
S
R = 120 k
2
120 k
P
R = 100 k
1
C = 100 nF
V
-
Alim. Stabilisée
REF
Réaliser le montage ci-dessus. Pour Vref variant de -16V à +16V par pas de 4V,
Regarder simultanément la forme des signaux en M et S, et P .
Mesurer la durée 1 du créneau négatif correspondant à la décharge de C. Comparer à la valeur
théorique.
Expliquer ce qui se passe lorsque Vref>Vs Haut et Vref <Vs Bas.
5.2 - LE MONOSTABLE
En préparation, expliquez brièvement le fonctionnement du circuit ci-dessous pour Vref<0 et
Vref>0. Retrouvez l’expression théorique :
 =RC Log e 2 VCC
Vref
470 pF
E
M
S
P
k
100 nF
68 nF
REF
V
REF

-
Boîte capas variables
22 nF
R
k
100 pF
Réaliser le montage de la figure ci-dessus.
Commander la bascule en E au moyen d’un générateur délivrant des signaux carrés de
fréquence 200 Hz et avec un niveau d’amplitude suffisant.
Pour Vref en REF=-1,3Volts et pour les 4 valeurs des capacités, observer simultanément
les signaux en M, S et P et mesurer la durée du créneau généré par le monostable.
Comparer à la durée théorique 
Expliquer ce qui se passe pour C=100pF.
5.3 - LE BISTABLE
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5.3.1 - Bascule ordinaire déclenchée par impulsions
En préparation, expliquez brièvement le fonctionnement du circuit ci-dessous, si l’on attaque le
circuit par un générateur délivrant des signaux carrés avec un rapport cyclique qui varie.
E
10 nF
M
S
P
10 k
20 k
10 k
-
-
Réaliser le montage de la figure ci-dessus.
Commander la bascule au moyen d’un générateur délivrant des signaux carrés en entrant sur E.
Observer simultanément le signal de commande en M et le signal de sortie en S pour différentes
durées de l'impulsion (changement du rapport cyclique).
Mesurer les amplitudes des créneaux positifs et négatifs
5.3.2 - Basculeur de SCHMITT inverseur déclenché par niveau
En préparation, expliquez brièvement le fonctionnement du circuit ci-dessous, si l’on attaque le
circuit par un générateur délivrant des signaux triangulaires.
M
S
P
20 k
10 k
-
Réaliser le montage de la figure ci-dessus.
Mesurer la tension de seuil en P en l'absence de signal de commande.
Commander la bascule au moyen d’un signal triangulaire issu du générateur (5Vpp) en entrant sur
M. Commenter en relevant l’évolution des tensions aux différents points du montage.
Comparer aux seuils déduits de l'étude de la bascule ordinaire.
Expliquer.
5.3.3 - Basculeur de SCHMITT suiveur déclenché par niveau
En préparation, expliquez brièvement le fonctionnement du circuit ci-dessous, si l’on attaque le
circuit par un générateur délivrant un signal d’amplitude variable.
M
S
P
E
10 k
-
20 k
Réaliser le montage de la figure ci-dessus. Déclenchement par générateur en P.
Etudier les seuils de déclenchement en observant simultanément en P et S et en agissant sur
l’amplitude du signal appliqué en P.
Interpréter les signaux observés.
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