MANIPULATIONS SPICE Version 9.2

Licence EEA
UFR PCA
MANIPULATIONS
SPICE Version 9.2
________________________
I) Introduction :
Lancer le logiciel SPICE en utilisant les commandes Démarrer,
Programmes, Orcad Demo, Capture CIS Demo. Dans la page qui s’ouvre on va donner un
nom à un projet que l’on va utiliser par la suite, pour cela utiliser les commandes (barre d’état
supérieure) File, New, Project, puis indiquer le nom de votre projet (en général votre nom ou
vos initiales personnalisées) et cochez la case Analog or Mixed-Signal Circuit. Dans la
nouvelle fenêtre, ajouter les librairies ABM.olb et EVAL.olb et cliquez sur le bouton
Terminer. Vous aurez une feuille de dessin vierge dans laquelle vous allez pouvoir implanter
tous les composants de votre circuit.
Déplacez-vous dans la barre d’icônes supérieure jusqu’à l’avant dernière icône (juste
avant le point d’interrogation), elle correspond à Project Manager, c’est-à-dire l’organisation
de votre projet. Cliquez sur cette icône et vous allez voir apparaître une nouvelle fenêtre dans
laquelle figurent trois rubriques : Design Ressources, Outputs, Pspice Ressources. En
cliquant sur la première rubrique, il apparaît des sous-rubriques, comme : .\<Fichier>.dsn et
Library. <Fichier> est le nom de votre fichier, l’extension dsn correspond à design (dessin).
Les deux rubriques présentent un signe plus (+) sur la gauche, ce qui signifie qu’il existe
encore des sous-rubriques.
Cliquez sur le signe + devant .\<Fichier>.dsn, il va apparaître la sous-rubrique
Schematic1 qui est le nom de la feuille de dessin, dont la sous-rubrique est PAGE1 qui est la
première page de la feuille de dessin. En cliquant sur cette dernière sous-rubrique vous serez
ramené à la page de dessin principale.
Revenez sous le Project Manager et cliquez sur le signe + devant Library, vous
verrez apparaître le nom de toutes les librairies disponibles contenant la description de la
forme des composants. Toutes ces librairies ont l’extension .OLB. (Dans la version 8
antérieure, ces librairies avaient l’extension .SLB).
Vous pouvez maintenant revenir à votre page de dessin vierge.
II) Manipulation des composants dans la feuille de dessin : Tous les outils
utilisables dans la feuille de dessin sont situés dans la barre d’icônes verticale sur la partie
droite de l’écran. Par exemple l’utilisation de la deuxième icône (Place Part indiqué par la
bulle d’aide) permet d’accéder aux composants disponibles dans chacune des librairies. Pour
vous familiariser avec son utilisation, sélectionnez la librairie Analog.olb et cliquez sur la
résistance (R) puis sur OK. Une résistance se place dans la feuille, tant que vous n’avez pas
cliqué sur le bouton gauche de la souris vous pouvez la déplacer dans la feuille. Au clic la
résistance se fige à l’emplacement voulu et vous constatez qu’une autre résistance est encore à
votre disposition, si vous souhaitez en implanter une autre, etc… Pour cesser de placer les
résistances il faut utiliser soit la touche Echappement, soit le bouton droit de la souris.
Ensuite vous pouvez sélectionner une des résistances dans la feuille, en cliquant dessus et à
partir de là, vous pouvez la déplacer en tirant dessus avec la souris, la faire pivoter avec les
touches CTRL R, la copier avec CTRL C puis CTRL V, comme dans n’importe quel
traitement de texte. Vous pouvez également la supprimer.
Il est recommandé de se familiariser avec l’implantation de divers composants situés
dans les diverses librairies, leur déplacement, leur recopie, leur suppression.
1
La troisième icône permet de tracer des fils de liaison entre les composants. L’appel de
cette fonction fait apparaître une croix sur l’écran. On indique le début du tracé en cliquant
une fois à l’emplacement voulu, puis on trace en tirant sur la souris et on termine le tracé en
cliquant une seconde fois sur le bouton gauche. On arrête de tracer de la même façon que pour
les composants.
Dans tout schéma, pour faciliter la lecture des résultats graphiques, il est indispensable
de repérer les fils de liaison par une lettre, un mot ou des caractères alphanumériques. Pour
cela on utilise la quatrième icône (Place Net Alias) qui permet de taper le texte souhaité, puis
de le positionner sur le fil choisi.
Dans tout circuit, il est obligatoire de définir la référence des potentiels (la masse).
Pour cela il faut utiliser un composant dont le potentiel est nul et qui est accessible avec
l’icône marquée GND. Dans les librairies proposées on choisit Source puis le composant 0.
Pour modifier la valeur d’un composant, il suffit de se positionner sur cette dernière et
de cliquer deux fois, pour disposer d’une fenêtre dans laquelle on peut faire les modifications
souhaitées. La valeur ou le nom du composant étant sélectionné, vous pouvez déplacer
l’élément pour arranger la présentation sur l’écran.
III) Simulations de fonctionnement des circuits : Une fois que le circuit est
représenté sur la feuille, il faut choisir le type d’analyse que l’on souhaite effectuer sur celuici pour étudier son comportement. Les principales analyses auxquelles on va faire appel sont
par exemple :
Ø L’analyse harmonique, c’est-à-dire la réponse en fréquence lorsque le signal
d’entrée est sinusoïdal.
Ø L’analyse temporelle, c’est-à-dire la réponse à un signal variant au cours du temps,
qu’il soit périodique ou non.
Ø L’analyse des composantes fréquentielles du signal par application des
transformées de Fourier.
Ø Etc….
Ces analyses doivent être programmées à l’aide de l’assistant correspondant. Celui-ci
est accessible grâce à la première icône de la seconde barre d’icônes horizontale (New
Simulation Profile). Nous verrons plus loin comment programmer ces analyses.
IV) Présentation des résultats des analyses : En plus de la saisie du schéma
(Capture ) et de la simulation , PSPICE offre un module supplémentaire qui est la
représentation graphique sur l’écran des résultats des analyses effectuées. Ce module
(PROBE) est automatiquement lancé dès le début de la simulation, et on peut faire afficher
les courbes que l’on souhaite examiner lorsque l’analyse est terminée. Toute erreur rencontrée
est signalée par l’envoi d’un message qui permet dans la plupart des cas de corriger ce qui est
à l’origine du dysfonctionnement. Nous verrons au fur et à mesure comment exploiter toutes
les fonctionnalité du graphique.
V) Etude d’un circuit du premier ordre : Pour se familiariser avec le logiciel, nous
allons commencer par l’étude d’un circuit simple, en l’occurrence il s’agit d’un circuit RC
intégrateur. Dans la feuille de dessin actuellement ouverte, sélectionner tous les composants
que vous avez placé et les supprimer pour disposer de nouveau d’une feuille vierge.
Réalisez le circuit ci-dessous, avec les valeurs des composants indiqués. La source de
tension utilisée dans un premier temps sera une source sinusoïdale simple de nom VAC qui se
trouve dans la librairie SOURCE.OLB. Son amplitude sinusoïdale est déjà égale à 1V, ce qui
2
permet d’avoir en sortie un résultat facile à exploiter, puisque par exemple le gain sera
R1
E
S
C1
1kΩ
V1
159 nF
1Vac
0
directement égal à la tension de sortie.
a) Etude harmonique : On va examiner la réponse du circuit lorsque la
fréquence du signal d’entrée va varier entre 10hz et 100khz. Pour cela on
va programmer l’analyse intitulée AC Sweep, à l’aide de la deuxième icône
(Edit Simulation Profile) de la seconde barre d’icônes horizontale. Choisir
ce type d’analyse et indiquer les bornes inférieures et supérieures pour la
fréquence ainsi qu’un parcours par décade, avec 100 points de calcul
/décade. Lancer la simulation par l’icône correspondante (Run Pspice) ou
par les commandes PSPICE, RUN. Constater que peu après une nouvelle
fenêtre apparaît, c’est la fenêtre graphique de présentation des résultats.
Utiliser les commandes Trace, Add et dans le tableau à votre disposition
demander d’afficher Vdb(S). Dans le diagramme de Bode obtenu, vérifier
que la fréquence de coupure à –3db, est bien égale à :. Utiliser les curseurs
pour vous faciliter la mesure. Vérifier également que la pente de la courbe,
loin de Fc est égale à –20db/décade.
Ajouter un second graphe avec les commandes Plot, Add Plot et tracer la variation de
la phase de la tension de sortie (Vp(E)). Déterminer la valeur de cette phase pour Fc.
Etude paramétrique : On souhaite voir l’influence de la valeur de la
résistance sur la fréquence de coupure Fc du circuit. On va donc faire varier la valeur
de la résistance entre 100Ω et 1kΩ avec un pas de 100Ω. Commencer dans le dessin
par remplacer la valeur actuelle de R1 par une expression du type {rvar}. Ceci est un
paramètre que l’on doit déclarer et initialiser comme dans tout programme de calcul.
On intègre dans la feuille le composant PARAM situé dans la librairie SPECIAL.
Lorsque le composant est dans la feuille cliquez deux fois sur celui-ci pour entrer dans
l’éditeur de propriétés. Faire New, donner rvar comme nom (sans les accolades), puis
sous le nom du paramètre taper la valeur (par exemple 1k), le bouton Display, permet
de faire afficher à la fois le nom et la valeur, ensuite Apply et enfin fermer ces
propriétés. Dans la feuille il doit aaparaître maintenant en dessous de Parameters le
nom du paramètre et sa valeur. Cette valeur est la valeur par défaut prise par le
simulateur pour tester la continuité du circuit. Programmez l’étude paramétrique
(Parametric Sweep) pour que rvar varie comme il est souhaité. Terminer en lançant
la simulation. Dans le graphe, utilisez les commandes Plot, Axis settings, et dans l’axe
X cochez la case Performance Analysis, vous constaterez que sur l’axe des abscisses
est indiqué le domaine de variation du paramètre rvar entre 100Ω et 1kΩ à la place de
la fréquence. Faire afficher la trace correspondant à la variation de Fc en utilisant la
3
fonction LPBW(Vdb(S),3) qui calcule le moment où la courbe chute de 3db par
rapport au gain statique.(Bande passante à – 3db du circuit passe-bas (Low Pass
BandWith)).
b) Analyse Temporelle : Remplacer le générateur VAC par un générateur
sinusoïdal VSIN et lui donner une amplitude d’offset nulle , une amplitude
du signal égale à 1V et une fréquence de 1khz. Dans la programmation
d’analyses, supprimez AC Sweep et Parametric Sweep et demander
l’analyse temporelle (Time Domain ou Transient). Faire exécuter le
calcul pour un temps final égal à 10 périodes du signal d’entrée. Lancer la
simulation et observer le résultat concernant la tension d’entrée et la
tension de sortie. Comparer les deux amplitudes et comparer avec les
résultats de l’analyse précédente, sachant que la résistance R1 = rvar = 1kΩ
et que la fréquence de travail est égale à Fc. On peut améliorer la forme des
signaux en imposant un pas de calcul (Maximum Step Size ) égal à 1µs.
Paramétrez ensuite la fréquence et faites une analyse paramétrique pour 3
valeurs de celle-ci, par exemple 100hz, 1khz et 50khz.
Observez les résultats obtenus et comparez avec la théorie.
c) Fonction intégrateur : Remplacez le générateur sinusoïdal par un
générateur pouvant délivrer des signaux de type rectangulaire (VPULSE).
Donner à V1 et à V2 (amplitude des signaux) les valeurs suivantes V1 = -1V
V2 = 1V, puis TD (retard) = 0, TR (temps de montée) et TF (temps de
descente) des valeurs faibles (par exemple 1ns), PW (Largeur de
l’impulsion) = 0.5ms et enfin PER (Période) = 1ms. Lancer une simulation
et observez les signaux d’entrée et de sortie obtenus.
Utilisez l’icône marquée FFT qui permet de procéder à l’analyse fréquentielle
de Fourier et notez les composantes présentes ainsi que leurs amplitudes.
Paramétrez la largeur de l’impulsion puis lancer une étude paramétrique avec
trois valeurs de ce paramètre (par exemple 5µs 0.5ms et 2ms).
Attention il faut que la période soit obligatoirement égale à deux fois la largeur de
l’impulsion.
Quelle est la courbe qui correspond le mieux à la fonction intégrateur et
pourquoi ?
VI) Etude d’un circuit du second ordre : On va maintenant utiliser un circuit série
RLC, qui est un circuit du second ordre, comme nous allons le voir. Commencer par réaliser
le circuit ci-dessous :
R1
L1
1kΩ
0,1 H
C1
VAC
10 nF
4
a) Analyse harmonique : Réalisez une analyse harmonique avec la valeur de
ces composants et déterminer la fréquence de résonance F0 . Comparer avec
la valeur théorique. Déterminer le facteur de surtension Q et le comparer
Lω
avec la valeur théorique Q = 1 0 . Déterminer la largeur de bande ∆F
R1
correspondant à l’intervalle de fréquences pour lesquelles la tension de
sortie chute de 3 db par rapport à la valeur maximum et comparer avec la
F
valeur ∆F = 0 .
Q
Paramétrez la résistance R1 pour qu’elle varie entre 100Ω et 1kΩ, et tracer la
variation de la fréquence de résonance en fonction de cette résistance. Sur le
même graphe, mais en ajoutant un second axe Y, tracer la variation du
coefficient de surtension Q.
b) Analyse transitoire : On va commencer par examiner la réponse du circuit
lorsque celui-ci est attaqué par un échelon de tension, c’est-à-dire une
tension qui passe brutalement de 0 à 1V par exemple au bout de 1ns et qui
conserve cette valeur indéfiniment. Remplacer le générateur précédent par
un générateur de type VPULSE que l’on programmera pour qu’il délivre
un signal qui parte de 0 pour atteindre 1V au bout de 1ns, ou bien par un
générateur de type VPWL pour lequel on peut indiquer la valeur de la
tension délivrée à chaque instant, de T1 à T10 . Comparez les signaux
d’entrée et de sortie. Déterminer la fréquence du signal de sortie et
comparez la au résultat de l’analyse précédente.
Déterminer le décrément logarithmique défini comme :
V
δ = Ln 1 V1 et V2 étant l’amplitude de 2 maximums successifs.
V2
c) Réponse Impulsionnelle : Appliquer sur l’entrée une impulsion de tension
d’amplitude égale à 10V et de durée égale à 10µs, dont les temps de
montée et de descente sont égaux à 1ns. Observez à la fois la forme de la
tension de sortie et du courant qui circule dans le circuit. Quelle différence
(en dehors des amplitudes non comparables) notez-vous entre ces deux
signaux ?
Tracer un graphe en portant en abscisse la tension de sortie V(S) et en
ordonnée le courant I dans le circuit. Comment peut-on expliquer le résultat
obtenu.
Modifiez la fréquence du générateur d’impulsion de telle sorte que cette
fréquence soit égale à la fréquence de résonance F0 du circuit et refaire les
simulations précédentes pour noter les différences
VII) Etude d’un circuit couplé : On va maintenant étudier le comportement d’un
circuit couplé, c’est-à-dire un circuit constitué de deux bobines couplées magnétiquement ou
encore un transformateur sans noyau. Ce composant se trouve dans la librairie Analog sous le
nom XFRM_LINEAR. Il faut indiquer pour ce composant la valeur de chacune des bobines
ainsi que la valeur du couplage (coupling).
On réalisera le montage ci-dessous avec la valeur indiquée pour chacun des
composants.
5
C1
R1
TX1
1
VAC
R2
2
3
L1
L2
C2
C1 = C2 = 20nF
L1 = L2 = 0.21H
R1 = R2 = 94
a) Etude du primaire : Donner au couplage une valeur très faible (1 e-4) et
déterminer les caractéristiques du circuit primaire (fréquence de résonance,
coefficient de surtension et largeur de bande ∆F)
b) Etude du secondaire : Donnez au couplage la valeur 0.01 et paramétrez le
condensateur C2 de telle sorte que sa valeur puisse varier entre 16nF et
24nF avec un pas de 0.1nF. Lancer une simulation de réponse harmonique
en travaillant avec la seule valeur de la fréquence de résonance du primaire.
Déterminer la valeur de C2 qui donne une tension maximum au point 3.
c) Etude du couplage : Avec la valeur de C2 trouvée ci-dessus, paramétrez
maintenant le couplage du transformateur TX1, de telle sorte qu’il puisse
varier entre 0.01 et 0.2. Faire une analyse harmonique sur la fréquence de
résonance et déterminer la valeur du couplage (couplage critique = kc) qui
donne un maximum de tension au point 3.
d) Etude de la réponse en fréquence du circuit : Retracer la réponse en
fréquence du circuit (au point 3) pour k = kc et comparer la largeur de
∆F1
bande ∆F1 obtenue avec celle du primaire. Calculer le rapport
.
∆F
Terminer l’étude en comparant les résultats obtenus pour les 3 valeurs de k
suivantes : k = 0.5kc, k = kc et k = 1.5kc.
e) Couplage capacitif : Le couplage précédent est magnétique et donc très
difficile à contrôler. On peut obtenir un résultat semblable en utilisant un
couplage capacitif. Sur la même feuille de schéma dessinez le même circuit
que précédemment avec les modifications suivantes :
Ø Le primaire et le secondaire du transformateur (TX1) sont
remplacés respectivement par deux bobines L3 et L4
indépendantes dont les valeurs sont identiques et égales à
0.21H.
Ø Utilisez un condensateur C5 qui assure la liaison entre les
deux bobines. Celui-ci joue un rôle équivalent au couplage
entre le primaire et le secondaire du transformateur.
Paramétrez sa valeur {CL} et faites une analyse en fréquence
pour trois valeurs de CL : .1nF, .5nF et 1nF. Pour améliorer
encore plus la comparaison, on donnera la valeur 19.5nF aux
deux condensateurs en série avec les bobines.
6
f) Utilisation du module d’optimisation : Le simulateur dispose d’un
module d’optimisation des composants (OPTIMIZER). Dans la version
démo, son rôle se limite à 1 seul paramètre et une seule spécification de
calcul. On va donc l’utiliser pour retrouver les résultats précédents.
Dans le schéma, commencer par paramétrer les condensateurs C3 et C4 en leur donnant
par exemple le nom {c}, puis dans PARAMETERS donnez leur une valeur initiale
égale à 20nF. Supprimez la déclaration concernant {CL}. Dans la barre d’état de la
feuille utilisez maintenant les instructions PSPICE, Place Optimizer Parameters et
dans la fenêtre qui s’ouvre déclarez CL comme paramètre avec comme valeurs :
Ø Initiale = 1nF
Ø Courante = 1nF
Ø Limite inférieure = 0.1nF
Ø Limite supérieure = 1nF
Ø Tolérance = 10%
Validez et constatez que les valeurs s’affichent dans la page.
Utilisez les instructions PSPICE, Run Optimizer qui va ouvrir une nouvelle fenêtre dans
laquelle figure déjà les valeurs de CL. Faire Edit, Spécifications et dans la fenêtre apparue
remplir les cases :
Ø Name = Couplage
Ø Target = 94.69 (Ceci est la largeur de bande à obtenir)
Ø Range = 0.01
Ø Evaluate = BPBW(Vdb(S1),3)
Ø Enfin indiquez les fichiers à utiliser en cliquant sur les boutons
de parcours.
Ceci étant fait utilisez les instructions Tune, Start. Vous devez constater que la
simulation s’effectue et que le module calcule par itérations successives la valeur de
CL qui permet d’obtenir une largeur de bande proche de celle définie plus haut. La
simulation cesse dès que le critère de calcul est atteint. Il ne reste plus qu’à mettre à
jour le circuit (Edit, UpDate Schematic), puis de lancer une nouvelle simulation avec
la nouvelle valeur de CL pour vérifier que cela marche. Pour parfaire l’accord il ne
vous reste plus qu’à optimiser à son tour les condensateurs {c} pour trouver une
fréquence centrale de la réponse égale à 2.455khz, par la même méthode que nous
venons de décrire.
Le résultat des deux optimisations doit conduire à trouver CL = .55nF et c = 19.5nF.
Pour établir ce résultat en théorie, il faut noter que dans le cas du transformateur TX1,
le coefficient d’induction mutuelle M = k. L1L 2 où k est le coefficient de couplage,
alors que dans le cas du couplage capacitif M est fonction de la capacité CL du
L1 L2 CLω2
condensateur de liaison : M =
qui permet d’évaluer la valeur de
1 − CLω2 ( L1 + L2 )
CL au couplage critique.
VIII) Etude d’un amplificateur opérationnel : Le but de l’étude consiste en la
détermination des caractéristiques d’un amplificateur opérationnel, en boucle ouverte
et en boucle fermée. Dans un second temps nous allons simuler le fonctionnement de
cet amplificateur à l’aide de bloc simples pour nous permettre de tourner la difficulté
présenté par la version Démo qui n’autorise l’utilisation que de 2 AOP dans les
schémas.
7
a) Fonctionnement en boucle ouverte : Nous allons utiliser le
composant LM324 de la librairie EVAL, qui est un AOP simple
que nous allons alimenter en + et – 15V. Réaliser le montage cidessous :
+
S
VAC
R1
R2
Prendre R1 = 1kΩ et R2 = 10MΩ et tracer la courbe de réponse en fréquence en
déterminant la valeur du gain statique A, la fréquence de coupure Fc1 et la pente de la courbe
loin de Fc1.
b) Fonctionnement en boucle fermée : Donner à R2 la valeur R2 =
10kΩ. Tracer la réponse en fréquence et comparer le gain
R
indépendant de la fréquence et comparer avec Av = 1 + 2 .
R1
Déterminer la nouvelle fréquence de coupure Fc2 . Celle-ci est
1
déterminée par la relation : Fc 2 =
dans laquelle C0 est la
2πR 2C 0
capacité d’un condensateur interne à l’AOP. Déterminer C0 .
Comme la réponse de l’AOP est du même type que celle d’un intégrateur du premier
ordre, dessiner dans la même feuille un circuit RC de ce type en donnant à R la valeur
R2 et à C la valeur C0 . Tracer la réponse et comparer avec celle de l’AOP. Pour
compenser le manque de gain on va ajouter au circuit intégrateur un ampli de gain égal
à celui de l’AOP. Cet ampli porte le nom de GAIN dans la librairie ABM. Toujours<
dans la même feuille ajouter un circuit particulier qui est un bloc de LAPLACE dont le
numérateur et le dénominateur sont des polynômes de la variable de Laplace p = jω
ω.
Dans le simulateur la variable p est remplacée par la variable s. Programmez votre
bloc de LAPLACE pour que sa fonction de transfert soit la même que celle du circuit
intégrateur précédent et comparez sa réponse à celle de l’AOP.
Remplacer le générateur VAC par un générateur sinusoïdal de fréquence égale à 1khz
et dont l’amplitude sera paramétrée de façon à pouvoir la faire varier. Faire une
analyse transitoire pour 3 valeurs de l’amplitude des signaux d’entrée V = 10mV,
8
500mV et 1.5V. Le montage utilisant l’AOP sature en sortie lorsque les signaux sont
trop importants, notez la tension de saturation Vsat et comparez avec les tensions
d’alimentation.
Pour avoir ce même phénomène avec les circuits intégrateur et LAPLACE, il faut
utiliser en sortie deux diodes Zener (D1N750) dont il faut programmer la tension zener
(BV) à la valeur des tensions de saturation de l’AOP. Cette modification s’opère dans
le modèle de la diode.
Testez le résultat obtenu et essayez de disposer ainsi de modèles simplifiés d’AOP.
IX) Cicuits numériques : Le logiciel de simulation permet de travailler avec des
circuits analogiques comme nous venons de le faire jusqu’à présent, avec des circuits
purement numériques et avec des combinaisons de circuits analogiques et numériques.
Dans un premier temps nous allons utiliser des circuits logiques simples, pour se
familiariser avec la manipulation des signaux utilisables dans ce cas.
a) Signaux numériques : Lorsque le circuit ne comporte que des
composants numériques, l’alimentation de ceux-ci est implicite et
faite automatiquement par le logiciel, il est donc inutile de s’en
préoccuper. Le niveau haut (5V) est appliqué sur une borne
identifiée par $G_DPWR et le niveau zéro correspond à la borne
$G_DGND. Il s’agit maintenant d’appliquer les signaux corrects
sur les entrées des circuits. Ceux-ci doivent, pour les composants
autres que ceux du type ECL, être compris entre 0 et 5V. Les
générateurs de stimuli sont très nombreux et dépendent de leur
utilisation ; Ces composants se trouvent dans les librairies
SOURCE et SOURCESTM . Il faut différencier les horloges avec
les autres générateurs. Une horloge va délivrer un signal périodique
dont on fixera la fréquence et le niveau de démarrage.
Ø Horloge : Dans la librairie SOURCESTM choisir STIM1 le placer dans la
feuille, puis tant qu’il est sélectionné faire Edit, Pspice Stimulus , ce qui
permet d’aller dans l’éditeur et après avoir choisi Clock il suffit de lui
indiquer la fréquence de fonctionnement ou la période. Sauvegardez ;
l’extension du fichier sera automatiquement .STL. Lire ce fichier avec
l’éditeur de PSPICE et constatez que les valeurs prises en compte sont
correctes. Le signe + devant chaque ligne indique qu’il s’agit d’un temps
relatif par rapport à la dernière valeur, et non absolu par rapport à l’origine
des temps. Noter qu’après l’initialisation il y l’instruction Repeat Forever
qui impose aux signaux de se répéter indéfiniment. On peut ainsi remplacer
cette instruction par Repeat For n, où n est le nombre de répétitions
désirées. Une horloge est également disponible dans la librairie SOURCE
(DigiClock) mais ses caractéristiques sont notées dans le fichier
d’extension .NET qui est remis à jour à chaque simulation.
Ø Signaux d’entrée : Pour programmer des signaux autres que ceux
d’horloge, on peut par exemple utiliser le composant STIM1 dans la
librairie SOURCE. Dans ses propriétés on dispose de 16 points de
commande que l’on pourra programmer comme on le désire, on peut
utiliser la syntaxe précédente Repeat Forever dans une commande pour
simuler les signaux d’horloge.
9
Dans une nouvelle feuille commencer par placer deux horloges, l’une prise dans la
librairie SOURCESTM et l’autre dans la librairie SOURCE, puis programmez-les
pour qu’elles délivrent des signaux logiques de fréquence 1khz avec une initialisation
à 0.
OFFTIME = .5mSDSTM1
ONTIME = .5mS CLK
DELAY = 0
STARTVAL = 1
OPPVAL = 0
DSTM2
clk1
S1
clk0
Implementation = clk1
Lancer une simulation et vérifier que les signaux sont identiques, sinon modifiez ls
paramètres pour obtenir l’accord. Enfin ajoutez un composant STIM1 et programmezle pour qu’il délivre des signaux identiques aux précédents.
b) Circuits numériques de base : On va simplement regarder le
fonctionnement de quelques circuits de base, comme les circuits
ET, NON_ET, OU, OU_EXCLUSIF, INVERSEUR….
Commencer par implanter un circuit ET (7408 par exemple).
Implementation = clk1
DSTM1
S1
U9A
E1
1
3
Implementation = clk2
DSTM2
S1
DSTM1
1khz
DSTM2
1khz
ETS
2
E2
7408
200µs
500µs
Mettez un retard différent sur les 2 horloges, par exemple 200µs et 500µs et observez
le résultat. Faites la même chose en utilisant un circuit NON_ET(7400), OU(7432),
NON_OU(7402), OU_exclusif(7486) et un INVERSEUR(7404). Tous ces circuits se
trouvent dans la librairie EVAL. A partir de ces résultats donner la table de vérité de ces
circuits.
Déterminer le retard introduit par ces circuits en comparant les signaux d’entrée et de
sortie.
Ajoutez un circuit logique amplificateur non inverseur (7407) et testez le en appliquant
les signaux d’horloge E1. Vous constatez que la sortie n’est pas définie (état entre le niveau
bas et le niveau haut) et si vous demandez à utiliser les curseurs, la trace correspondant à la
sortie de l’amplificateur est marquée Z (Haute impédance), ce qui indique que ce type de
circuit comporte en sortie un transistor à collecteur ouvert. Pour que ce circuit fonctionne
correctement, il faut le polariser en sortie à l’aide d’une tension continue égale à 5V en série
avec une résistance de 10kΩ par exemple.
Réalisez la modification suivante et constatez que la réponse est devenue correcte.
10
V1
0
R1
5
U18A
10k
E1
1
2
AMP
7407
c) Bascules : Les bascules logiques sont nombreuses et on va se
contenter d’en examiner deux : la bascule D et la bascule JK.
Ø Bascule D : Ce type de bascule possède une entrée marquée D, une entrée horloge
(CLK) et deus sorties complémentaires Q et Q . Dans un premier temps réalisez le
circuit suivant :
HI
Implementation = clk1
DSTM1
4
Implementation = clk2
DSTM2
S1
2
E2
3
E2
D
PRE
E1
CLR
S1
E1
U11A
Q
CLK Q
5
Q
6
1
7474
HI
NQ
Le composant HI est une tension au niveau haut permanent (5V) qui est disponible à
l’aide de la barre d’icône verticale et du composant PWR. La borne PRE est toujours au
niveau haut et la remise à zéro CLR va être portée à des potentiels différents. Pour le moment
on lui impose un niveau haut. Testez le circuit et notez que dans ces conditions la sortie Q
bascule sur le premier front montant de l’horloge et reste à ce niveau. Remplacez le niveau sur
la remise à zéro, par les signaux d’horloge E2. Vous constatez que les signaux sur Q sont
identiques à ceux de l’horloge et indépendants de ceux appliqués sur D. Maintenant
remplacez les signaux E2 sur CLR par les signaux d’horloges E1. Examinez la différence.
Supprimez les signaux E1 appliqués sur D, et notez que la sortie maintenant est non
définie (état X). Appliquez ensuite un niveau haut (HI) puis bas (LO) et regardez la
différence.
Pour terminer l’étude de ce composant appliquez les signaux d’horloge E1 sur l’entrée
CLK, et un niveau haut sur CLR et sur PRE . Réunissez la sortie Q directement à l’ entrée D
et constatez que la sortie Q est non définie (X). Ceci est dû au fait que l’application des
11
signaux issus de Q sur D est trop rapide pour que la bascule fonctionne correctement. Il suffit
d’introduire un retard le long du trajet pour que le fonctionnement soit correct.
HI
4
Implementation = clk1
DSTM1
S1
2
D
S1
E2
3
E1
D
5
Q
Q
6
CLK Q
7474
1
V1
0
R1
U11A
CLR
Implementation = clk2
DSTM2
PRE
E1
HI
NQ
5
U18A
10k
1
NQ
2
D
7407
Si vous utilisez le montage ci-dessus vous pourrez constater que vous avez réalisé un
montage dont les signaux de sortie ont une fréquence moitié de ceux de l’horloge.
NQ
3
U17B
4 5
U17C
6
7404
D
7404
Si vous ne voulez pas introduire de source extérieure, vous pouvez remplacer
l’amplificateur non inverseur par deux inverseurs successifs ou même un circuit ET
correctement monté.
Ø Bascules JK : Le fonctionnement est bistable et différent du précédent, en
particulier pour les 7476 les basculements se produisent sur le front descendant des
signaux d’horloge. réalisez le montage suivant :
E1
Implementation = clk2
DSTM2
S1
1
E1
LO
16
J
U21A
Q
15
Q1
CLK
K
747614
Q
E2
3
S1
4
HI
CLR
Implementation = clk1
DSTM1
PRE
2
HI
HI
NQ1
12
Observez le résultat. Puis intervertissez les signaux sur les entrées J et K. Appliquez
ensuite les signaux hauts simultanément sur J et K et constatez que vous retrouvez le diviseur
par deux réalisé précédemment.
d) Compteur binaire : On peut obtenir un compteur binaire c’est-àdire un diviseur par les puissances de 2, en associant des bascules D
ou JK, mais il existe des circuits appelés compteurs binaires qui
permettent d’obtenir un résultat identique.
Réalisez le schéma ci-dessous et testez-le pour découvrir ses propriétés.
U24
3
4
5
6
Implementation = clk1
DSTM1
E1
QA
QB
QC
QD
RCO
CLK
ENT
ENP
LOAD
2
10
7
9
E1
14
13
12
11
15
QA
QB
QC
QD
CLR
S1
A
B
C
D
1
74161
HI
e) Circuit mixte : Un circuit mixte mélange à la fois des composants
analogiques et des composants purement numériques. C’est le cas
du circuit 555 (librairie EVAL) qui combine des amplificateurs
opérationnels des transistors bipolaires et MOSFET et une bascule
RS. On peut faire fonctionner ce circuit en oscillateur en utilisant le
montage suivant :
VCC
VCC
8
VCC
2
4
5
6
7
0
TRIGGER
RESET OUTPUT
CONTROL
THRESHOLD
DISCHARGE
GND
5
X1
VCC
R1
2.7k
V1
R4
3
out
R3
100k
555D
1
10MEG
C1
1u
R2
1.1k
0
0
On obtient en sortie des signaux rectangulaires compris entre 0 et 5V.
La largeur des créneaux positifs (5V) est donnée par la relation : t1 = R1C1 Ln2 .
La
largeur
des
créneaux
nuls
est
donnée
par
la
relation :


R1 R 2
2R − R 2
t2 =
C1 Ln  1
 et la période d’oscillation sera T = t1 + t2 .
R1 + R 2
 R1 − 2R 2 
13
t1
.
T
Testez le fonctionnement et comparer les résultats expérimentaux et théoriques.
Le rapport cyclique sera égal à : R =
X) Sources indépendantes et sources contrôlées : Pour assurer les simulations
analogiques on dispose de deux types de sources : les sources indépendantes et les sources
contrôlées . Les sources de tension commencent par le lettre V, celles de courant par la lettre
I. Nous donnons quelques indications sur les sources de tension, les autres se déduisent par
analogie.
a)
Sources indépendantes : Les plus utilisées sont les sources VDC,
VAC, VSIN, VPULSE et VPWL.
VDC : c’est une source de tension continue utilisée pour les alimentations.
VAC : source de tension délivrant un signal sinusoïdal, dont on peut régler
l’amplitude et dont la fréquence est commandée par le domaine défini dans l’analyse
harmonique.
VSIN : source tension sinusoïdale dont on peut préciser l’amplitude, l’offset, la
fréquence, la phase …..
VPULSE : Générateur d’impulsions dont les paramètres que l’on doit définir sont :
l’amplitude minimum (V1), l’amplitude maximum (V2), le temps de montée de
l’impulsion (TR), le temps de descente (TF), la largeur de l’impulsion (PW) et la
période séparant deux impulsions (Period).
VPWL : Source de tension délivrant des signaux définis par morceaux. On doit donc
définir des couples de valeurs associant un temps (T) et une amplitude (V) Entre deux
temps successifs (Tn et Tn+1 ) la tension varie linéairement entre les valeurs associées à
ces temps (Vn à Vn+1 ).
b) Sources contrôlées : On dispose de quatre types de sources de base :
Source de tension contrôlée par une tension : commence par la lettre E
Source de tension commandée par un courant : commence par la lettre H
Source de courant commandée par un courant : commence par la lettre F
Source de courant commandée par une tension : commence par la lettre G
Toutes ces sources se trouvent dans les librairie ANALOG et ABM.
D’autres possibilités sont offertes grâce à l’utilisation d’opérateurs particuliers, tels
que ceux définis ci-après :
Ø POLY : permet d’utiliser un polynôme pour décrire l’action du
contrôle.
Ø VALUE : utilisation d’une expression entre crochets {} pour définir le
contrôle.
Ø TABLE : comme dans la source précédente, on définit une expression
liée au contrôle suivie par une série de couples de valeurs, dont la
première est relative aux nœuds de contrôle et la seconde aux nœuds de
sortie.
Ø LAPLACE : on définit l’expression d’une fonction de transfert avec la
variable de LAPLACE qui est prise égale à s au lieu de la lettre p,
habituellement utilisée.
Ø FREQ : en utilisant une table de fréquence, on peut simuler rapidement
une réponse de circuit non standard. On définit une association de trois
14
valeurs, la première concerne la fréquence, la seconde l’amplitude du
signal de sortie en db et la troisième la phase de ce signal en degrés.
Ø CHEBYSHEV : permet de prédéfinir la réponse d’un filtre de type
CHEBYSHEV.
Réalisez le schéma ci-dessous et examinez les résultats obtenus, en consultant au
préalable le fichier correspondant à la Netlist, pour voir comment SPICE écrit les
descriptions de chaque circuit.
GAIN = 10
E1
E
V1
+
-
E
VOFF = 0
VAMPL = 1
FREQ = 1k
1
+
-
E
E4
I N +OUT+
I N - OUTETABLE
E
0
0
0
COEFF = 0 1
E3
3
I N +OUT+
I N - OUTEVALUE
V(%IN+, %IN-)
E2
+
-
E
4
0
2
+
-
TABLE = (-1,0) (1,2)
0
EPOLY
EXPR = 5*sin(6.28*1k*time)
0
0
0
Pour pouvoir étudier les propriétés des blocs décrivant les transformées de LAPLACE,
réalisez le schéma ci-dessous et essayez d’interpréter les résultats que vous trouvez.
1
E
E
5
1+s
V1
VOFF = 0
VAMPL = 1
FREQ = 1k
TD = 10n
0
s
E
6
1
exp(-s*1u)*(1-exp(-s*10u))
10
V2
1
1
0
XI) Signaux composites : En électronique on manipule très souvent des signaux de
formes complexes, tels que les signaux modulés en amplitude ou en fréquence. Dans un
premier temps, il est intéressant de pouvoir générer de tels signaux en utilisant divers
composants.
a) Modulation d’amplitude : L’expression mathématique d’un tel signal peut
prendre la forme suivante : vp (t) = Ap (t)cosωp t est appelé signal porteur de
15
pulsation ωp , vm(t) = Amcosωm(t) est le signal modulant de pulsation ωm,
avec ωp >> ωm. On obtient un signal modulé en amplitude sans porteuse le
signal composite :
A A
v(t) = vp (t).vm(t) = p m cos ( ωp + ωm ) t + cos ( ωp − ωm ) t  c’est-à-dire un
2
signal comportant deux composantes fréquentielles.
Si maintenant on modifie la tension vm(t) en prenant :
vm(t) = Am(1 + m.cosωmt) on trouvera un signal comportant trois
composantes. Réalisez le montage suivant et testez-le avec diverses
amplitudes pour les générateurs et trouvez les composantes avec l’analyse
de Fourier. Le paramètre m doit rester < 1.
p
V1
VOFF = 0
VAMPL = 10
FREQ = 10k
p
0
m
V3
s
m
VOFF = 1
VAMPL = .5
FREQ = 1k
0
b) Modulation de fréquence : Dans ce genre de modulation l’amplitude du
signal résultant reste constante alors que la fréquence est modulé par le
signal de modulation. La forme analytique du signal modulé s’écrit :
v(t) = Ap sin ωp t + m.sin ( ωp t )  Ap , Am, ωp et ωm ont les mêmes
signification que dans la modulation précédente et m est l’indice de
modulation.
Réalisez le montage ci-dessous et examinez les résultats obtenus. Faites varier
la valeur de m qui peut être > 1, contrairement au cas ci-dessus et examinez son
influence sur le nombre de composantes fréquentielles.
sin(6.28*10k*time+5*sin(6.28*1k*time))
VSFFM
E6
IN+ OUT+
IN- OUTEVALUE
fm
VOFF = 0
VAMPL = 1
FC = 10k
MOD = 5
FM = 1k
V4
fm1
0
0
La source VSFFM est accessible dans la librairie source et elle est programmée pour
délivrer directement un signal modulé en fréquence. Elle offre plus de souplesse pour la
paramétrer que la source EVALUE.
16
C : Etude d’un comparateur de phase : Dans cette partie, nous allons essayer
de mettre au point un circuit dont le but est de délivrer en sortie une tension continue,
proportionnelle à la différence de phase entre deux signaux sinusoïdaux qui attaquent les deux
entrées du circuit.
Le principe de fonctionnement est relativement simple. Soit deux signaux V1 (t) et
V2 (t) possédant la même fréquence Fo , mais déphasés de Φ. V1 (t) est appelé signal de
référence.
Soit les tensions : V1( t ) = V1Sin( ωt) et V2 ( t ) = V2Sin( ωt + φ ) .
Effectuons la multiplication des deux termes :
1
V3 ( t ) = V1V2 Sin (ωt )Sin(ωt + φ ) = V1 V2 [Cos( 2ωt + φ ) − Cosφ] .
Cette
dernière
2
tension comporte deux composantes, l'une correspond à une fréquence double de celle des
signaux d'entrée et l'autre est une constante. Si maintenant V3 (t) constitue le signal d'entrée
d'un circuit passe-bas (intégrateur), dont la pulsation de coupure ωc est très petite par rapport à
2ω, le signal de sortie que l'on récupère est représentatif de la différence de phase φ :
1
Vs = V1 V2 Cosφ .
2
Si on modifie légèrement la forme de l'un des signaux d'entrée, par exemple :
1
V2 (t) = V2 Cos(ωt + φ) , on obtient Vs = − V1 V2 Sinφ et dans l'intervalle (-π/2, π/2),
2
1
On peut assimiler le sinus avec l'angle : Vs = − V1V2 φ . La tension obtenue est directement
2
proportionnelle à φ.
EXPR = cos(6.28*10k*time+{phi})
EXPR = sin(6.28*10k*time)
E7
IN+ OUT+
IN- OUTEVALUE
E8
OUT+IN+
OUT- INEVALUE
2
PARAMETER
phi
S: = 3.14
1
0
0
R1
s
s1
10k
C0
0
Les générateurs V1 (t) et V2 (t) seront créés à l'aide des sources commandées de type
EVALUE, qui se trouvent dans ABM.SLB. Les deux bornes d'entrée seront réunies à la
masse, et dans les attributs le terme EXP = sera égal à sin(6.28*10k*time) pour V1 (t) et
sin(6.28*10k*time + phi) ou cos(6.28*10k*time + phi) pour V2 (t). on définira le paramètre
phi = 3.14.
On calculera la valeur de la capacité Co de telle sorte que Co = 10/(2πfreq*R1 ).
Effectuer une analyse transitoire et examiner les signaux aux divers points du circuit.
(Ne pas oublier de mettre des LABELS sur les fils pour les reconnaître dans le graphique).
17
Refaire l'analyse en faisant varier le paramètre phi entre -π/2 et π/2 avec un pas égal à
π/10. Prendre un temps final égal au moins à 2ms.
Pour faire l'étude graphique correctement, il faudra utiliser l’Analyse de
Performances. Pour afficher la tension qui est recherchée, faire TRACE, Add, et dans la
liste des paramètres proposés, sélectionner Peak(1,n_occur). Dans la parenthèse, 1 sera
remplacé par la tension étudiée, et n_occur par un nombre, compris entre 10 et 30. Essayer de
comprendre les courbes présentées.
La tension Vs est généralement utilisée pour corriger le fonctionnement d'un
oscillateur commandé en tension, de façon à l'obliger à être synchrone du signal de référence
V1 (t).
La tension V3 (t) peut-être éventuellement utilisée, si l'on souhaite récupérer un signal
de fréquence double de celle des signaux d'entrée.
XII) Modélisation d’un moteur à courant continu : Il est intéressant de voir
comment SPICE permet de simuler le fonctionnement d’un moteur électrique. Pour
simplifier, nous allons nous intéresser au cas d’un moteur à courant continu. Les hypothèses
concernant ce moteur sont les suivantes
• L’inducteur (stator) est supposé créer un champ magnétique constant, soit par
circulation d’un courant continu dans des enroulements, soit au moyen d’aimants
permanents.
• L’induit (rotor) est représenté par un circuit équivalent formé d’une bobine de
coefficient de self inductance L, en série avec une résistance r et une force contre
électromotrice E(t). Aux bornes de ce circuit on applique une tension U(t), soit
constante soit variable au cours du temps.
• La partie tournante du moteur possède un moment d’inertie noté J et est soumise à
un couple résistant CR que l’on supposera proportionnel à des frottements visqueux
notés F.
• La vitesse de rotation du moteur notée Ω(t) dépend de la tension U(t) et du couple
résistant.
U(t)
L
R
J
Ω
r
+
Frottements = F
E(t)
a) Mise en équation : Les diverses équations sont les suivantes :
18
Electrique : U(t) = E(t) + r(i(t) + L
di(t)
(1) avec E(t) = keΩ(t) (2)
dt
ke est une constante en V/(rad/s).
Mécanique : Couple moteur Cm = k m i(t) (3)
Couple résistant Cr = F.Ω(t) (4)
Km est une constante en Nm/A et F est le frottement en Nm/(rad/s)
On obtient : J
dΩ(t)
= Cm − Cr (5)
dt
dΩ (t)
= k mi(t) − F Ω(t) (6)
dt
di(t)
De même (1) devient : U(t) = ke Ω(t) + ri(t) + L
(7)
dt
Cette dernière équation peut alors s’écrire : J
En utilisant le calcul symbolique on obtient :
k
Ω (p) = m I(p) (8) et U(p) = ke Ω (p) + ( r + Lp ) I(p) soit encore :
Jp + F
km
Ω (p) =
U(p) (9)
2
LJp + ( rJ + LF ) p + ( rF + k m k e )
b) Schéma équivalent en SPICE :
On va pouvoir représenter le schéma équivalent en utilisant des blocs de LAPLACE,
des blocs GAIN et des soustracteurs.
F
CR
Cm
Cm – CR = JpΩ
Ω (p)
1
Jp
19
Ω(p)
U(p)
1
km
r + Lp
(r + Lp)I(p)
I(p)
Cm
E(p)
En assemblant les diverses parties on peut donc utiliser l’un des deux schémas cidessous.
F
1
V1
1
km
u
R + Lp
u
Jp
T1 = 0
T2 = 50m
0T3 = 51m
Ke
30/3.14
s1
1
u
km
Jp + F
R + Lp
s2
30/3.14
ke
c)
Etude du moteur :
Les conditions de fonctionnement sont les suivantes sont les suivantes :
U(t) = 4V, r = 4,7Ω, L = 7 10-4 H , J = 13 10-6 kgm2 , F = 6.5 10-6 Nm/(rad/s)
Km = 29 10-3 Nm/A, ke = 29 10-3 V/(rad/s)
Appliquer une tension sous forme d’un échelon de tension d’amplitude 4V qui
démarre à 50ms. Observer la forme du signal de sortie. Constatez qu’il est proche
d’une réponse d’un intégrateur du premier ordre.
Déterminez le temps que met le moteur pour atteindre la vitesse nominale : le
temps de réponse est le temps au bout duquel la vitesse atteint la valeur nominale à
5% près.
20
Mathématiquement ces résultats se déterminent en résolvant les équations de
LAPLACE.
km / J
K1
k
J
I(p) =
I(p) avec K = m et τ1 =
1
p+F/J
J
F
p+
τ1
km
LJ
Ω (p) =
U(p) et si U(t) = V.ε(t)
rF + k m k e
rJ
+
LF


2
p +
p +
LJ
 LJ 
K2
k V
rF + k mk e
rJ + LF
Ω (p) =
avec K 2 = m
ω2n =
et 2zωn =
2
2
LJ
LJ
LJ
p { p + 2zωn p + ωn }
Ω (p) =
On
peut
encore
écrire :
Ω (p) =
K2

1 
1
pp + p+ 
τ2  
τ3 

qui
donne
après
décomposition en éléments simples :
t
t

−

1  − τ2
τ3
Ω (t) = K2 τ2 τ3 1 −
 τ2 e − τ3 e   τ2 et τ3 sont les racines du polynôme.

 τ2 − τ3 


1 
τ 2,3 = −zω n 1 m 1 − 2  Si z ≥ 1 la réponse sera celle d’un intégrateur.
z 

d) Mesures :
Déterminez pour U(t) = 4V la valeur de la f.c.e.m E(t) lorsque la vitesse nominale
est atteinte. Tracez la variation du courant qui traverse l’induit.
Tracez la variation de la vitesse nominale en fonction de la tension appliquée à
l’entrée variant entre 1V et 10V.
Tracez la variation de la vitesse nominale pour U(t) = 4V et les frottements variant
-6
entre 10 et 10-5 Nm/(rad/s).
e) Augmentation de la vitesse de réponse du moteur :
Dans les conditions nominales de fonctionnement, nous avons vu que le temps de réponse du
moteur était voisin de 150 ms. Comme la réponse est semblable à celle d’un intégrateur du 1er
ordre, on peut considérer que la constante de temps est égale à τ = 223/3 = 50 ms.
K2
U(p)

1
p + 
τ 

On dispose sur l’arbre de sortie du moteur une génératrice tachymètrique, c’est à dire
une machine à courant continu capable de délivrer une tension proportionnelle à la vitesse de
rotation, U0 (t) = kc.Ω(t) , soit encore U0 (p) = kcΩ(p). On va pouvoir utiliser cette tension
diminuer le temps de réponse du moteur. Pour cela on va agir sur la tension appliquée à
l’induit par l’intermédiaire d’un circuit correcteur appelé correcteur proportionnel et intégral
(P.I). Ce correcteur est un ampli opérationnel non-inverseur et intégrateur.
On peut écrire : Ω (p) =
21
+
Ve
Vs
R
C
p+
1
τ0
1 + RCp
=
avec τ 0 = RC
RCp
p
Si nous continuons d’appeler U(p) la tension appliquée à l’induit, U0 (p) la tension
proportionnelle à la vitesse de rotation du moteur et UA(p) une tension d’alimentation
continue (par exemple 4 V dans le fonctionnement précédent, on peut construire un circuit tel
1
p+
τ0  U A − k c Ω(p)  
1
que la tension U(p) soit égale à : U(p) = ( UA (p) − U0 (p) )
=
 p +  et

p
p
τ0 


en utilisant la relation entre Ω(p) et U(p) établie précédemment, on voit que :
K 2  UA (p) − kc Ω(p)  
1
Ω (p) =
p +  . Si on prend τ 0 = τ alors :



1
p
τ0 

p+ 
τ
K2
1
Ω (p) =
UA (p) avec τ ' =
La réponse que l’on va obtenir est de nouveau
1
K
k
2
c
p+
τ'
du premier ordre mais avec une constante de temps différente.
A titre d’exemple, si on prend kc = 19.10-3 v/(rad/s) et avec K2 = 3.18.106 , on obtient
τ’ = 16.5 µs.
La fonction de transfert de ce montage est : T(p) =
Réaliser le schéma suivant :
1
3.18e6
29m
1
s3
u
4.7+7e-4*s
6.5e-6+13e-6*s
30/3.14
6e4+ s
29m
19m
Testez ce schéma et constatez que le temps de réponse est considérablement raccourci,
que la vitesse est augmentée (on peut retrouver la valeur du montage précédent en appliquant
une tension continue proche de 2.5V au lieu de 4V), mais que le courant demandé lors de la
transition est beaucoup trop important (25 à 30A).
22
Il est donc nécessaire de limiter ce courant transitoire et réaliser une seconde
correction identique à celle que nous venons de décrire pour trouver un fonctionnement
correct du moteur.
3.18e6
6e4 + s
1
3.18e6
29m
i1
1
s3
u
4.7+7e-4*s
6.5e-6+13e-6*s
30/3.14
6e4+ s
29m
19m
Vérifier que les caractéristiques ont été considérablement améliorées par rapport au
circuit initial. En particulier noter l’abaissement de tension d’alimentation, le temps de
réponse et la valeur maximum du courant demandé lors du transitoire.
Essayez de concevoir l’ensemble du circuit électronique à réaliser, sous forme de
blocs, pour obtenir ce résultat, comme le montre par exemple le schéma ci-dessous.
u
V1
i
T1 = 0
T2 = 50m
0T3 = 51m
V3 = 2.6
Courant
Correcteur
i
Corr_i
Moteur
u
um
Moteur
Entrée
Sortie
um
Alim
s
Corr_vit
c
SCHEMATIC5
Correction
c
SCHEMATIC3
Courant
d
1
i
3.18e6
29m
Corr_i
6e4+s
Entrée
4.7+7e-4*s
3.18e6
6.5e-6+13e-6*s
30/3.14
Sortie
Alim
Moteur
6e4+ s
E
29m
19m
Corr_vit
Correction
23
XIII) Etude d’un transistor bipolaire :
On se propose d’étudier les propriétés de fonctionnement d’un transistor
bipolaire NPN de type 2N2222. Pour cela on va déterminer son gain statique en courant β,
puis on examinera comment varie ce gain en fonction des courants émetteur et collecteur, on
tracera les caractéristiques de sortie de ce transistor (Ic = f(Ib )) et enfin on travaillera avec un
montage amplificateur de tension en émetteur commun.
a) Gain statique : Réaliser le montage ci-dessous.
15
Q1
V1
15
Q2N2222
I1
100u
0
0
0
Lancer une analyse qui détermine juste le point de repos et lire dans le fichier
OUTPUT la valeur du gain (BF)
Programmez ensuite une analyse DC pour faire varier le courant de base entre 5µA et
50µA et déterminez la variation du gain. Ceci est fait pour une tension Vce = 15V.
Enfin programmez l’analyse DC pour faire va rier Vce entre 0 et 20V en maintenant un
courant de base égal à 100µA.
b) Caractéristiques de sortie :
Programmez une double analyse DC en faisant varier d’abord Vce entre 0 et 20V et
ensuite Ub entre 5µA et 100µA. Tracez le réseau de courbes Ic = f(I b). Déterminez la valeur du
gain pour Vce = 10V Ib = 50 µA.
c) Polarisation du transistor :
Dans la même feuille réalisez le montage suivant :
V1
R3
15
?
R1
C1
V2
VOFF = 0
VAMPL = 0
FREQ = 1
S
Q2
?
1p
0
Q2N2222
R2
0
?
R4
?
0
24
C2
1p
Commencer par calculer les valeurs des résistances pour avoir :
Ie = 1mA, Vce = 7V, IR1 = IR2 = 1 mA et Ve = 4V.
Tracer la droite de charge statique sur le réseau de courbes de la caractéristique de
sortie. Cette droite correspond à l’équation :
Vce
VAlim
Ic = −
+
VAlim étant la tension continue d’alimentation.
R3 + R4 R3 +R4
Vérifiez que vos valeurs calculées correspondent bien au point de repos du montage.
En régime dynamique on va donner à C2 une valeur suffisamment grande pour que ce
condensateur découple parfaitement la résistance d’émetteur (C 2 = 470µF) et dans ces
conditions la droite de charge dynamique est différente de la droite de charge statique. Tracez
cette droite de charge dynamique sur le même graphique.
d) Amplificateur de tension :
Modifiez légèrement le montage pour donner à C1 la valeur 1 µF et à C2 la valeur
indiquée précédemment. Prendre une amplitude du générateur sinusoïdal variable entre 10 et
50mV et une fréquence égale à 1 khz. Etudiez le résultat obtenu et tirez les conclusions qui
s’imposent.
Pour une tension d’entrée égale à 10 mV, déterminer le gain en tension du montage et
R 3 Ie
comparez avec la relation théorique : A v = −
.
26.10−3
Supprimez le condensateur branché en parallèle sur la résistance d’émetteur et
déterminez la nouvelle valeur du gain en tension et comparez avec la relation :
R 3 Ie
Av = −
26.103 + R 4 Ie
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