Théorie (4) : Electronique
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.
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.
L'électronique a commencé de se développer au cours 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. Cette véritable révolution technologique, nous la devons aux semi-conducteurs.
Les semi-conducteurs, silicium et germanium pour l'essentiel, sont des corps qui, après un traitement appelé "dopage", possèdent la propriété de se comporter comme des conducteurs électriques, mais dans un seul sens. Au contraire d'un fil de cuivre, par exemple, 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.
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.
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, et de manière très schématique, c'est en incorporant au cristal de silicium tels ou tels atomes que l'on détermine le sens de conduction.
A noter que le silicium est beaucoup plus répandu, car beaucoup plus facile à produire, que le germanium.
Applications typiques : diodes, transistors, circuits intégrés... En fait, la quasi totalité des composants "électroniques", dont nous en reparlerons plus loin.
Un problème épineux: les dipôles non-linéaires
Nous avons considéré, jusqu'ici, des circuits électriques très simples, composés de générateurs et de résistances, qui sont des dipôles linéaires. La loi d'Ohm permet de calculer aisément les valeurs de U (tension), I (courant) et R (résistance).
Le problème se corse dès qu'on a affaire à des dipôles à semi-conducteurs, dont les caractéristiques ne sont pas linéaires. Les calculs, en ce cas, deviennent vite d'une complexité effrayante... Pour s'en sortir, on a recours à une "astuce": on n'utilise les composants non-linéaires que sur une courte portion de leur caractéristique et on simplifie grandement les calculs en assimilant cette portion de courbe à une droite. On définit de la sorte ce qu'on appelle des paramètres dynamiques (ou différentiels) du composant non-linéaire, étant entendu que ces paramètres ne sont valables que sur la portion de caractéristique concernée. A partir de là, on n'a plus qu'à recourir à la bonne vieille loi d'Ohm...
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...
Exemple de signal électrique analogique, dont la variation est continue dans le temps.
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. Le scanner, pour sa part, permet de numériser un document analogique (image ou photo sur papier...).
Les paramètres d'un signal analogique
Trois paramètres permettent de décrire précisément un signal analogique périodique, qui est en quelque sorte le "modèle de base" des signaux analogiques, car le plus simple. Ce sont:
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.
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.
Très souvent, les dispositifs électroniques traitent des signaux de faible amplitude. On parle alors de régime de petits signaux.
Les deux illustrations suivantes permettent de visualiser ces notions essentielles:
Voici un autre exemple de signal, de forme rectangulaire cette fois. De nombreux circuits intégrés délivrent de tels signaux. Ce type de signal permet d'introduire la notion de rapport cyclique:
Il va sans dire que tous les signaux électriques ne sont pas de forme sinusoïdale ou linéaire (tension constante), et qu'ils ne sont pas toujours périodiques. Ce serait trop facile! En pratique, on a parfois affaire à des signaux de forme très complexe, par exemple dans les domaines du son ou de la vidéo. Néanmoins, les notions de fréquence (ou de période ) et d'amplitude demeurent applicables.
Voici pour conclure trois exemples de signaux observés à l'aide d'un oscilloscope. Une "division", horizontale ou verticale, correspond à un "carré" de l'écran.
Dans ce dernier exemple, on observe simultanément deux signaux différents:
L'électronique a souvent recours au système binaire ou à ses variantes, le code BCD et le système hexadécimal. L'exemple le plus connu d'utilisation du système binaire est sans doute le micropocesseur, qui ne connait que des 0 et des 1...
Le système binaire utilise la base 2, tandis que le système décimal utilise la base 10. La base 2 ne comporte que deux chiffres, 0 et 1, tandis que la base 10 en comporte dix (de 0 à 9).
Ainsi, le nombre 2, en décimal, devient 10 en binaire; 8 en décimal devient 1000 en binaire, 15 en décimal s'écrit 1111 en binaire. Chaque signe binaire est un bit: pour traduire 15 (décimal) en binaire, il faut donc, au minimum, quatre bits. Si on dispose de huit bits, 15 (décimal), s'écrira: 00001111. Ces huit bits forment un octet.
Table de conversion décimal (DEC), binaire(BIN), BCD, hexadécimal (HEX) pour quelques nombres et méthode de conversion.
Le bit le plus à droite dans un nombre binaire est appelé bit de poids le plus faible (least significant bit, ou LSB, en anglais). Le bit le plus à gauche est le bit de poids le plus fort (most significant bit, en anglais). A chaque bit correspond en effet une puissance de 2. Pour un nombre binaire sur quatre bits, par exemple 1111, le bit de poids le plus faible correspond à 2 puissance 0, et le bit de poids le plus fort à 2 puissance 3. Pour un nombre binaire sur n bits, le bit de poids le plus fort vaut 2 puissance (n-1). On retrouve ainsi l'équivalent décimal en additionnant la valeur de chaque bit en puissance de 2.
A noter qu'une erreur sur le bit de poids le plus faible sera moins grave qu'une erreur sur un autre bit, et a fortiori sur le bit de poids le plus fort. Prenons le nombre binaire 1111 qui se traduit, en décimal, par 15. Supposons une erreur sur le LSB: on aura 1110 à la place de 1111, soit 14 au lieu de 15. Si l'erreur concernait le bit de poids le plus fort, on aurait alors 0111, soit 8 au lieu de 15. Cette notion d'erreur sur le bit de poids le plus faible devient intéressante lorsqu'il s'agit de traduire un signal analogique en un signal numérique. Plus le nombre de bits est important, meilleure est la précision.
L'idée de base de ce système, dont les fondements théoriques furent élaborés au siècle dernier par le mathématicien anglais George Boole, est la suivante: l'absence de tension correspond à un état bas, noté 0, tandis que la présence de tension correspond à un état haut, noté 1.
Par analogie, on pourrait dire: l'interrupteur est ouvert (0) ou il est fermé (1). Toute l'électronique numérique, y compris l'informatique, repose sur ce système, qu'on pourrait difficilement rendre plus simple...
L'illustration ci-dessous montre comment les niveaux logiques hauts et bas, 1 et 0, peuvent être assimilés à la fermeture et à l'ouverture d'un interrupteur.
Dans la pratique, un niveau haut correspond à une tension égale ou supérieure aux deux tiers environ de la tension d'alimentation; un niveau bas correspond à une tension égale ou inférieure au tiers environ de la tension d'alimentation. Par ailleurs, le passage d'un niveau haut à un niveau bas ou vice-versa n'est jamais, dans la réalité, instantané: il est affecté par un temps de montée et un temps de descente.
Outre le fait que de nombreux circuits intégrés (c.i.) réagissent en fonctions de signaux hauts ou bas, certains c.i. d'usage très courant sont spécialisés dans la réalisation de fonctions logiques. Nous les étudierons plus loin. Voici comment on peut simuler des fonctions logiques à l'aide de simples interrupteurs:
Le principe d'une porte logique peut se résumer comme suit: deux entrées, une sortie. Suivant le niveau logique appliqué aux entrées (niveau 0 ou 1, ou encore état bas, état haut), la sortie sera à 0 ou à 1 (basse ou haute). En somme, on pourrait dire que la porte est ouverte ou fermée (mais jamais entr'ouverte...)
Chacune des entrées de la porte peut être assimilée à un interrupteur: suivant le montage particulier de ces interrupteurs (en série, en parallèle...), on réalise telle ou telle fonction logique. Il existe, en logique booléenne, six fonctions (ou opérations) de base:
La table de vérité d'une fonction résume les quatre cas de figure pouvant se présenter.
Tables de vérité. Les symboles du haut sont les symboles anglo-saxons; ceux du bas sont les symboles européens. Pour chacune des portes, les entrées sont notées A et B, la sortie, S.
La fonction NON-ET (NAND) est dite universelle, en ce sens qu'elle permet d'obtenir, par combinaisons, les cinq autres fonctions. Voici trois exemples.
Ajoutons qu'un niveau 1 est l'inverse d'un niveau 0; on dit aussi que 0 est le complément de 1, et vice-versa. Lorsqu'on parle de sorties complémentaires, on veut dire que si telle sortie est à 1, l'autre sera, à cet instant, à 0.
Petite précision: il existe plusieurs symboles pour représenter les portes logiques (d'origine anglo-saxonne ou européenne). On ne s'étonnera donc pas de rencontrer tantôt les uns, tantôt les autres.
Quelques petites remarques en guise de conclusion
Les notions vues ci-dessus peuvent sans doute paraître incomplètes et disparates. En effet, nous nous sommes volontairement limités au strict "minimum vital", d'où un tri très sélectif...
Nous verrons plus loin, lors de l'étude des composants, que ceux-ci remplissent de manière spécifique plusieurs fonctions essentielles en électroniques: amplification, commutation, comptage, division, mémorisation, etc...
L'amplification et la commutation sont deux fonctions fondamentales assurées par le transistor et certains circuits intégrés (qui "intègrent" des transistors).
Le comptage ou la mémorisation d'évènements (impulsions,...), la division de fréquence, etc., sont des fonctions logiques, assurées par des circuits intégrés appartenant à la grande famille des circuits dits "logiques".
Si vous avez assimilé ce qui précède, l'étude des composants ne devrait pas soulever de difficulté...