GLOSSAIRE ENCYCLOPEDIQUE
A L'USAGE DU NON ELECTRONICIEN
DEFG
Ddécibel : Il s'agit d'une notion très
employée en électronique, en particulier dans les amplificateurs.
Cette unité a été inventée à l'époque
où les calculatrices n'existaient pas pour simplifier les calculs, alors
faits manuellement.
Soit un amplificateur que nous allons schématiser par une boite noire
comporrtant une résistance d'entrée (supposée réelle)
Re et une charge (elle aussi réelle et qui peut éventuellement
être la résistance d'entrée d'un étage en cascade)
Ru
Le gain en puissance d'un tel étage s'exprime par
En décibels ce gain va s'exprimer par gp = 10log GP
de la même façon on va exprimer le gain en tension GV
rapport de Vs/Ve et le gain en intensité GI = Is/Ie
et en décibels cela donnera gv = 20logGV
et gi = 20logGI
or en utilisant l'expression de GP on voit que gp
= 20log(Vs/Ve) + 10log(Re/Ru) et dans la pratique il est fréquent
et souvent souhaitable de réaliser Re = Ru ce qui annule le second terme,
il en résulte dans ce cas particulier que le gain en puissance,
celui en tension de même que celui en intensité s'expriment en
décibels par le même nombre.
Le second intérêt du décibel c'est que lorsqu'on a des étages
en cascade le gain g de l'ensemble s'exprime par la somme des gains de
chaque étage (exprimés en décibels) et manuellement c'est
plus immédiat de faire une addition.
dérivateur (ou différentiateur): par
opposition au montage intégrateur, l'amplificateur opérationnel
peut être configuré de telle sorte qu'à sa sortie la tension
évolue proprortionnellement à la dérivée de la tension
d'entrée. Nous donnons ci-dessous le schéma de principe du dérivateur
et sa transmittance.
...
diffusion(lois de Fick) : D'une façon
générale dès qu'il y a quelque part accumulation d'éléments
mobiles induisant une perturbation de l'équilibre local, le retour à
la normale va s'effectuer selon un processus de diffusion régi par les
lois de Fick. Cela peut s'appliquer aussi bien à la diffusion de la chaleur
à partir d'une source de chauffage, qu'à la diffusion de charges
électriques ou la diffusion d'atomes étrangers dans un matériau
dont la température est suffisamment élevée pour que le
processus soit quantifiable. Une image communément utilisée pour
illustrer ce qu'est un phénomène de diffusion consiste à
regarder ce qui se passe à la porte d'une salle de spectacle à
la fin de celui-ci : les spectateurs sortent selon un rythme sensiblement constant
et s'égaient dans la nature dans diverses directions et il est clair
que leur densité diminue au fur et à mesure qu'on s'éloigne
dans la rue. C'est exactement la même chose avec les électrons.
Supposons que dans une tranche de semiconducteur on génère des
paires électrons trous en quantité sensiblement indépendante
du temps (par exemple en éclairant avec une source de lumière
ultra violette stable la face du matériau), ceux-ci plus nombreux localement
qu'ailleurs dans le matériau vont diffuser dans celui-ci en s'éloignant
de fait de la surface et si l'on examine leur répartition à un
instant donné on constatera qu'elle évolue selon une
loi exponentielle décroissante dont Fick a donné l'expression.
Dans ce cas de l'électron dans le silicium deux processus vont se combiner
pour expliquer cette décroissance statistique :
d'une part, un déplacement d'électrons s'éloignant
selon un flux constant de la surface génératrice,
mais aussi une recombinaison de ces porteurs en excès dans le
matériau à chaque fois qu'un électron rencontrera un
trou, recombinaison dont la probabilité est évidemment d'autant
plus grande que le nombre d'électrons en excès est élevé.
D'où il résulte qu'en un point donné le nombre d'électrons
en excès ne va pas augmenter indéfiniment, mais atteindre au bout
d'un certain temps une valeur d'équilibre entre ceux qui proviennent
de la source et ceux qui sont recombinés, et par suite une allure exponentielle
décroissante de leur concentration en fonction de leur distance à
la source génératrice. Ce phénomène de diffusion
est l'un des processus fondamentaux à la base du fonctionnement des semi
conducteurs (voir physique du solide)
Eépitaxie : l'épitaxie est un procédé
de dépôt de couche mince permettant d'assurer la continuation quasi
parfaite du réseau cristallin du support dans la couche mince. Ce n'est
évidemment possible que si les deux matériaux constituant le support
et la couche mince sont de nature très proche (même structure cristalline
et taille des mailles cristallines semblables) ce qui réserve presque
exclusivement cette procédure à la réalisation de jonctions
semiconductrices abruptes, c'est à dire un monocristal de silicium comportant
une zone dopée avec des éléments donneurs d'électrons
et une zone à l'inverse dopée avec des accepteurs, séparées
par une frontière d'une extrême finesse (quelques nanomètres).
Le processus de dépôt est alors un processus très lent effectué
sur un substrat porté à très haute température afin
de permettre aux atomes se déposant une mobilité superficielle
importante garante de leur possibilité de positionnement correct vis
à vis du réseau cristallin préexistant du support et donc
une continuité parfaite sans défauts.
extrinsèque : un semi conducteur tel
le silicium est dit extrinsèque pour signifier qu'il comporte dans son
réseau cristallin des atomes étrangers, en nombre très
faible et contrôlé, constituant ce qu'on appelle le dopage. Ce
terme est employé par opposition au mot intrinsèque qui caractérise
le semi conducteur absolument pur.
Ffiltrage : Le filtrage est une des fonctions clés
en électronique. En effet toute source de signal électrique se
trouve par définition dans un environnement soumis à divers champs
électromagnétiques dont la plupart sont inévitables mais
indésirables et donc perturbateurs du signal utile qui nous intéresse.
L'objectif du filtrage sera donc généralement de nettoyer
un signal de ses parasitesà des fréquences indésirables.
On va ainsi trouver des filtres passe-bas éliminant tout ce qui se trouve
au delà d'une certaine fréquence, des filtres passe-haut qui au
contraire éliminent ce qui est en deçà d'une certaine fréquence,
des filtres passe-bande qui laissent passer une plage de fréquence plus
ou moins étroite et inversement des filtres coupe-bande qui éliminent
une bande de fréquence définie.
Au cours de l'histoire de l'électronique les techniques de filtrage se
sont complexifiées. On peut découper le domaine en deux grandes
catégories: les filtres analogiques continus et les filtres numériques
discrets.
Dans une première étape on ne distinguait que les filtres
passifs ne comportant que des éléments passifs (R,L,C)
peu sélectifs et atténuant toujours un peu le signal utile, puis
les filtres actifs se sont beaucoup développés.
Ces filtres actifs, dans un passé relativement proche, ont le plus souvent
été réalisés à l'aide d'amplificateurs
opérationnels, mais de plus en plus fréquemment ils sont obtenus
par des procédés numériques
faisant appel à des algorithmes très sophistiqués et parfaitement
adaptés à des problèmes spécifiques. Les premiers
ont la particularité d'opérer en temps continu sans pertubation
temporelle du signal et sont particulièrement adaptés aux processus
temps réel, tandis que les techniques numériques travaillent en
temps discret sur des échantillons du signal et, sauf cas particulier,
sont plus adaptées à l'analyse en temps différé.
Notons qu'un filtre analogique basé sur un amplificateur opérationnel
a le mérite de la simplicité, mais ne permet pas une coupure abrupte.
Il a une action graduelle sur les signaux à partir d'une certaine limite,
action qui s'amplifie lorsqu'on s'éloigne de cette limite. A l'inverse
un filtrage numérique est basé sur une décomposition spectrale
de l'échantillon de signal traité, l'élimination dans ce
spectre des fréquences indésirables puis la reconstitution du
signal débarassé de ses composantes parasites. Cette procédure
pourra aisément permettre l'élimination quasi totale d'une fréquence
sans perturber sa plus proche voisine dans le signal original et donc permettre
un filtrage extrêmement sélectif,
mais il sera évidemment bien plus complexe à réaliser.
Il faudra en effet d'abord échantillonner le signal, c'est à dire
définir une période d'échantillonnage qui soit pertinente,
puis mettre en oeuvre des algorithmes de décomposition spectrale, des
procédés d'élimination des indésirables, puis un
procédé de recombinaison. Ceci fait appel à des méthodes
informatiques et, malgré les progrès en terme de rapidité
des processeurs, la complexité des calculs implique une durée
qui n'est pas toujours compatible avec le temps réel, malgré l'existence
sur le marché de composants spécialisés dans l'analyse
spectrale (composants pour la FFT) qui sont très rapides (mais encore
pas assez pour être utilisables dans tous les cas).
Il n'est évidemment pas interdit de mixer les deux procédés
analogique et numérique de filtrage. Précisons ici que nous avons
introduit respectivement le filtrage analogique et les techniques numériques,
mais que pour être exhaustif il faudrait écrire un ouvrage de plusieurs
centaines de pages.
filtre anti-repliement : c'est un filtre passe-bas analogique que l'on retrouve
fréquemment dans les dispositifs de numérisation, et dont l'objectif
est de nettoyer le signal, avant d'effectuer une conversion analogique-numérique,
de toutes les fréquences supérieures à la demi fréquence
d'échantillonnage. Rappelons que Shannon a montré que la fréquence
d'échantillonnage d'un signal doit être égale ou supérieure
au double de la fréquence maximale utile contenue dans ce signal, afin
de convertir ce signal d'une forme continue à une forme discrète.
Ainsi il est licite d'éliminer d'un signal les fréquences parasites
très élevées non significatives du signal étudié
avant de procéder à son échantillonnage, ce qu'on fera
donc avec un filtre dit anti-repliement.
fonction de transfert (ou transmittance): l'électronicien
est friand de modélisation lui permettant
de se simplifier la vie et de mieux apprécier le comportement d'un système.
La fonction de transfert est l'un des outils très utilisé à
cette fin. On considère souvent un dispositif comme un ensemble de boites
noires, appelées quadripôles, possédant chacune une entrée
et une sortie et reliées linéairement les unes aux autres. La
fonction de transfert de l'un de ces quadripôles traduit la relation entre
les signaux d'entrée et de sortie de celui-ci.
La description dynamique des systèmes de commande à réaction
peut généralement se faire en écrivant les équations
différentielles qui indiquent sous forme mathématique le comportement
des dispositifs. Moyennant certaines approximations, il est souvent possible
de représenter le fonctionnement du système par une équation
différentielle linéaire à coefficients constants. La résolution
de ces équations différentielles peut être simplifiée
par l'emploi de la transformée de Laplace et de son inverse. A toute
fonction du temps f(t) nulle pour t < 0, on fait correspondre une fonction
F(p) de la variable complexe p qu'on appelle transformée de Laplace de
f(t) telle que .
Soit un système dans lequel à une grandeur physique d'entrée
e(t) correspond une grandeur de sortie s(t). Si la relation qui lie ces deux
grandeurs est une équation différentielle linéaire à
coefficients constants on peut en appliquant la méthode de Laplace écrire
que la transformée de Laplace de s(t) est S(p) = T(p) E(p) où
E(p) est la transformée de e(t). On définit ainsi un opérateur
de multiplication T(p) caractéristique du système et que l'on
appelle la fonction de transfert du système. Dans le cas de plusieurs
éléments en cascade on voit tout l'intérêt de cette
procédure qui s'applique à n'importe quels types de grandeurs
(pas forcément électriques).
...
la transmittance globale sera donc
Précisons quelques propriétés intéressantes: Si
un système de fonction de transfert T(p) est soumis en entrée
à une impulsion unitaire, on aura E(p) = 1 et alors S(p) = T(p), c'est
à dire que la fonction de transfert d'un système est la transformée
de Laplace de sa réponse à une impulsion unité.
De même si l'on applique un échelon unité à l'entrée
soit E(p) = 1/p la sortie sera donc T(p)/p ce qui revient à dire que
la fonction de transfert d'un système est la transformée de Laplace
de la dérivée de sa réponse unitaire. La considération
de la fonction de transfert d'un système permet donc de simplifier considérablement
le calcul de ses régimes transitoires à partir du repos.
Ggain en boucle ouverte : De nombreux dispositifs
fonctionnent en boucle dite fermée, c'est à dire que le signal
de sortie est réinjecté à l'entrée via le plus souvent
un module passif, c'est le cas de tous les asservissements. On peut les représenter
par un schéma simplifié tel celui ci-dessous à gauche.
fig. boucle ouverte ou fermée
Pour analyser le fonctionnement du système complet on devra connaitre
le gain en boucle dite ouverte de l'amplificateur soit s/e. Le gain en boucle
fermée du système représente le rapport S/E et l'atténuation
du module B s'exprime par b/S < 1. La connaissance de la fonction de transfert
(telle que définie dans l'article juste précédent) des
différents blocs se révélera très utile pour analyser
le fonctionnement.
Lorsque l'asservissement fonctionne de manière optimale on doit évidemment
avoir e = 0
gain en boucle fermée: voir ci-dessus gain
en boucle ouverte
gélule électronique :
Depuis quelques années certains laboratoires japonais et américains
se sont lancés dans le développement de systèmes micro-électroniques
destinés au domaine médical et intégrés dans un
dispositif en forme et dimension d'une gélule pharmaceutique
à usage unique. L'objectif est d'obtenir une meilleure utilisation
des médicaments. En effet la majeure partie de ceux-ci sont ingérés
par voie orale et transitent donc dans l'estomac, où la plus grande partie
en est détruite par le milieu très agressif qui y règne,
puis dans les intestins où ce qui en reste est susceptible d'avoir une
certaine efficacité en traversant la paroi intestinale pour être
véhiculé dans le sang et atteindre éventuellement les cellules
destinataires. L'idée est donc de réaliser un véritable
laboratoire d'analyse, intégré au sein de la gélule,
pour identifier certains constituants et leurs concentration en tout point du
tube digestif, en relation avec la pathologie concernée, puis en fonction
du résultat de cette analyse de mettre en action un micro-distributeur
diffusant la quantité adaptée du médicament, exactement
là où ce dernier sera le plus efficace. Pour cela des microcapteurs
chimiques sont intégrés sur un substrat de silicium, ainsi qu'une
micropompe doseuse et des réservoirs de médicaments, l'ensemble
devant être inclus dans le volume d'une gélule. L'intérêt
d'un tel dispositif est multiple : d'une part, on utilise moins de médicament
pour un meilleur résultat, d'autre part on évite la décomposition
dans l'estomac génératrice de sous produits plus ou moins néfastes.
L'intégration dans la gélule d'un module de transmission radio
permet de piloter de l'extérieur la micropompe doseuse et de suivre en
temps réel l'efficience du traitement. Parfois le trajet de la gelule
peut être suivi grâce à un examen aux rayons X, le praticien
sait alors très exactement où le médicament a été
injecté.
La FDA (Federal Drug Agency) a donné son accord pour l'expérimentation
des premiers prototypes, et leur commercialisation a commencé en fin
2000 aux USA. Le coût d'une telle gélule devrait atteindre sous
peu environ 2 $ et sans doute à terme environ 1$.
générateur de courant : un générateur
de courant idéal est un dispositif générant un courant
I quelle que soit la charge à ses bornes , mais en pratique un générateur
de courant possède toujours une résistance interne Zo qu'on figure
en parallèle sur le générateur idéal et une partie
de I est donc perdue dans cette résistance.
générateur de tension : un générateur
de tension idéal possède une résistance interne nulle et
donc quelle que soit la charge à ses bornes la tension fournie sera invariante
, mais la réalité est moins parfaite et le générateur
réel possède une résistance interne Zo, certes faible mais
non nulle, qu'on figure en série sur le schéma et par conséquent
la tension fournie à la charge dépendra de celle-ci.
Précisons que très souvent on modélisera l'ensemble d'un
dispositif alimentant entre ses bornes A et B un récepteur (charge Z)
par un générateur de tension dit générateur de
Thévenin équivalent, ou par un générateur de
courant dit générateur de Norton. Selon le cas on choisira
l'un ou l'autre procédé en se rappelant qu'il est aisé
de passer de l'une à l'autre représentation, ainsi qu'on peut
le comprendre sur la figure ci-dessous.
Entre les points A et B dans les deux cas circule un courant Io et par conséquent
la ddp entre A et B s'exprime par ZIo. On montre aisément en appliquant
la loi d'Ohm sur la figure de gauche que Io = Uo/(Zo+Z)
et sur la figure de droite que I = (1+Z/Zo)Io soit I =
Uo/(Zo+Z)
...
.
...
