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1 CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS ELECTRONIQUE A 11 (code n° 26067)

1 CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS ELECTRONIQUE A 11 (code n° 26067) Première session vendredi 4 février 2005 18h 15 - 21h 15 sans documents Tout résultat donné sans unités sera considéré comme faux Tout schéma électrique sans orientation des générateurs, des courants et des tensions sera considéré comme faux. Les exercices peuvent être traités dans un ordre quelconque. EXERCICE 1 : dopage (3,5 pts) 1) On donne un fragment du tableau de la classification périodique des éléments suivants : On considère un cristal de silicium intrinsèque de concentration intrinsèque ni = 1010 cm-3 à 300K. On désire obtenir à partir de ce cristal un semi-conducteur de type P en le dopant. a) Quels atomes de la classification allez vous choisir comme impuretés, pour quelles raisons ? b) On désire obtenir une concentration en trous libres po = 1016cm-3 Quelle est la concentration des impuretés nécessaire au dopage et leur proportion dans le silicium sachant que le nombre d’atomes par cm-3 du silicium est de 5 1022 ? c) En déduire la concentration en électrons de ce semi-conducteur ainsi dopé. 2 EXERCICE 2 photodiode et diode électroluminescente. (3 pts) 1) Donner la définition du potentiel photovoltaïque (on ne demande pas d’équations). Illustrer cette définition au moyen de la caractéristique d’une photodiode sous éclairement que l’on aura tracée. 2) On réalise un photocoupleur au moyen d’une diode électroluminescente à l’émission et d’une photodiode à la réception. Sachant que les deux diodes doivent être polarisées pour faire fonctionner le photocoupleur, indiquer en reliant les connexions (E,F, A,B) et (C,D, G,H) les branchements corrects des alimentations. A D C B H G F E R1 R2 V1 V2 B A D.E.L. photodiode Photocoupleur EXERCICE 3 Transistor MOSFET (5 pts) Soit le transistor MOSFET à enrichissement BSS 83 dont les caractéristiques sont les suivantes : 1) Rappeler en dix lignes maximum le principe de conduction d’un transistor à enrichissement en précisant ce que représente physiquement la tension de seuil. 2) En utilisant les graphes fournis, préciser la valeur de la tension de seuil de ce transistor. 3) Préciser la nature du substrat (p ou n) de ce transistor 4) On se polarise au point P des caractéristiques. Donner les valeurs numériques au point de repos de ID ;VDS et VGS. 5) Dessiner le schéma équivalent en petits signaux basses fréquences de ce transistor. 6) Préciser, au moyen des caractéristiques fournies, les valeurs numériques des éléments de ce schéma équivalent au point de repos. (une précision de 20% est suffisante). 3 P 4 EXERCICE 4 Amplification (9 pts) Les parties I, II, sont indépendantes On considère le montage suivant utilisant un transistor bipolaire npn et une alimentation VCC = +10V Le gain statique en courant β nominal (typique) est de 100. La tension (VBE)on est de 0,65V. ig VCC = 10V R1 = 10 kΩ R2 = 2,2 kΩ RC = 3,6 kΩ RE = 1 kΩ C1 Eg C2 VL CE VI RL = 10 kΩ Rg = 1 kΩ iL I) Etude générale et polarisation 1) Quel est le type de montage élémentaire utilisé ( E.C. B.C. C.C.)? justifier votre choix. 2) Quelles sont les propriétés essentielles de ce type de montage? 3) Dessiner le schéma valable pour la polarisation. 4) Donner l'expression de la droite de charge statique et tracer cette droite. Voir la feuille en annexe. 5) Déterminer le point de fonctionnement statique du transistor ICR et VCER. (R pour Repos). Ce point de fonctionnement vous semble-t-il correctement choisi ? Justifier votre réponse. II) Etude en régime dynamique Pour cette étude on supposera que les condensateurs présentent une impédance nulle à la fréquence de travail. Les caractéristiques dynamiques du transistor sont les suivantes : h11 = 2 kΩ; h12 = h22 = 0; h21 = 100. 5 1) Dessiner le schéma équivalent du montage valable pour les petits signaux. 2) Tracer sur le même graphe que celui de la question I-4 la droite de charge dynamique. Voir la même feuille annexe. 3) Donner les expressions littérales puis numériques du gain en tension Av = VL/VI; de l'impédance d'entrée du montage Ze et du gain composite en tension Avc = VL/eg. 4) Déterminer le gain en courant Ai = iL/ig. 5) Déterminer l'expression et la valeur de l'impédance de sortie de ce montage. Conclusion ou remarques sur les valeurs des gains et des impédances obtenues. 6) Quelle est la valeur de l'amplitude maximale de la sinusoïde présente à l'entrée du montage que l'on peut atteindre afin de ne pas avoir de distorsion en sortie. EXERCICE 5 : Amplification à partir d’amplificateurs opérationnels. ( 4 pts) On considère le circuit suivant. Ve R2 R1 Vs = 10V RL 1) Ce montage est il un montage inverseur ou non inverseur ? 2) Préciser l’entrée inverseuse – et l’entrée non inverseuse + sur le schéma. 3) La tension d’entrée est une sinusoïde d’amplitude 25 mV et dont la fréquence est comprise entre 20Hz et 20 kHz. Quel doit être le gain de ce montage pour obtenir en sortie une amplitude de 10V ? On supposera l’amplificateur opérationnel idéal. 4) L’amplificateur réel utilisé possède un gain en boucle ouverte aux très basses fréquences de 5 105 et admet une fréquence de transition de 3 MHz. Peut il convenir compte tenu du gain désiré obtenu à la question 3 ? 5) On dispose maintenant en cascade de deux amplificateurs identiques à celui de la figure précédente (avec les mêmes couples de résistances). Montrer que cette solution permet d’avoir la bonne amplitude en sortie. Préciser la valeur de R2 si R1 = 1kΩ. 6 EXERCICE 6 : Filtre réalisé à partird’un’amplificateur opérationnel. ( 5,5 pts) Soit le circuit suivant : C C R2 + - Ve R1 Vo 1) De quel type de filtre s’agit-il ? (passe-bas ; passe-haut ; passe-bande ou coupe bande) ? Justifier les raisons de votre choix. 2) Quel est l’ordre de ce filtre ? Justifier votre réponse. 3) La tension d’entrée est sinusoïdale. Déterminer la fonction de transfert de ce filtre T(jω ) = Vo/Ve en fonction de C , R1 et R2 et de ω. 4) On prend les valeurs suivantes : R1 = 12 kΩ ; R2 = 24 kΩ ; C = 4,7 nF. a) Quelle est la fréquence fo de ce filtre déterminant le point de cassure du diagramme asymptotique du module? b) Quel est le coefficient de qualité Q de ce filtre ? c) Tracer sommairement le diagramme de Bode du module de cette fonction de transfert. On précisera les pentes des asymptotes. Note : On rappelle que T(jω) peut se mettre sous la forme mathématique suivante : T(jω) = 2 0 0 2 0 0 ) ω ω ( ω ω Q 1 j 1 ) ω ω ( A − + avec A0 un nombre réel constant et Q coefficient de qualité. 7 Numéro de Copie : uploads/s3/ examen-04-02-2005.pdf