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Les diodes FPGA | Arduino | Matlab | Cours @ www.electronique-mixte.fr Introduc

Les diodes FPGA | Arduino | Matlab | Cours @ www.electronique-mixte.fr Introduction Avec le transistor, la diode est la ﬁgure emblématique de toute l’électronique. En eﬀet le développement de l’industrie électronique prend son départ avec l’invention des diodes à vide et à galène. C’est grâce à sa fonction de valve électrique que la diode a été utilisée pour détecter et démoduler les ondes radio. Comme son nom l’indique, la diode est un élément actif comportant deux électrodes désignées généralement par anode et cathode. Plusieurs catégories de composants appartiennent à la famille des diodes : Les diodes de redressement et de détection : jonction PN, diodes Schottky Les diodes à capacité variable : diodes varicap Les diodes de régulation : diodes Zener Les diodes électroluminescentes : LED (Light Emitting Diode) Les photodiodes (PD) Les diodes laser Les diodes à eﬀet tunnel Les diodes FPGA | Arduino | Matlab | Cours @ www.electronique-mixte.fr La jonction PN Constitution et principe de fonctionnement simpliﬁé La diode PN résulte de la jonction de deux éléments semi-conducteurs généralement en silicium. L’un des éléments a subit un dopage type P, l’autre un dopage type N. La mise en contact des deux zones semi-conductrices engendre une diﬀusion de porteurs – vers la zone P et de porteurs + vers la zone N. Il en résulte à la jonction une zone vide de porteurs mobiles appelée zone de déplétion. Cette zone est le siège d’un champ électrique d’équilibre L’application d’une polarisation directe supérieure à environ 0,6 V permet de vaincre le champ électrique de la zone de déplétion créant ainsi la circulation du courant électrique => la diode devient passante. L’application d’une polarisation inverse accroît l’épaisseur de la zone de déplétion =>la diode est bloquée. Les diodes FPGA | Arduino | Matlab | Cours @ www.electronique-mixte.fr Courbe caractéristique En examinant en détail la relation courant-tension d’une jonction PN polarisée, on constate que le courant obéit à la tension appliquée selon la loi exponentielle suivante : Ordre de grandeur du courant IS de 10-14 à 10-8 A pour les composants discrets. Dans le cas d’une diode polarisée par une tension VD supérieure à 100 mV, la relation précédente peut être réduite à : \( I_S=exp\Bigg[\frac{V_{D}}{V_{T}}\Bigg]\) (2) Les diodes FPGA | Arduino | Matlab | Cours @ www.electronique-mixte.fr croissance exponentielle du courant est fortement marquée après une tension de seuil VD0 . Pour une jonction en silicium VD0 s’établit environ entre 0,6 et 0,7 volt. On considère alors la diode passante. Sous une polarisation inverse (VD < 0 ) le courant circulant dans le sens N => P est extrêmement faible et vaut – IS . On considère alors la diode bloquée. VRMAX est la tension inverse maximale admissible. Note dans un état passant et pour un courant ID constant, la tension VD est sensible à la température. Elle accuse une variation DVD/ DVT=-2mV/°C. Cette propriété peut être mise à proﬁt pour réaliser un capteur thermométrique. Polarisation d’une diode à l’aide d’une Les diodes FPGA | Arduino | Matlab | Cours @ www.electronique-mixte.fr résistance Compte tenu de sa caractéristique abrupte, une diode PN doit être polarisée sous une tension d’environ VD0 pour être passante. L’attaque directe de la diode par un générateur de tension est délicate et risquée. En eﬀet tout dépassement de la valeur VD0 engendre la circulation d’un courant ID élevé pouvant entraîner la destruction du composant. La méthode la plus simple est de mettre une résistance de limitation de courant en série avec la diode. Dans ce cas nous avons : \(I_{D}=\frac{U-V_{D}}{R}\) (3) Le point de polarisation Q (encore appelé point de fonctionnement) est caractérisé par le couple (\( I_DQ ,V_DQ\) ). Il correspond ici au point d’intersection entre les fonctions (2) et (3). Résistance dynamique d’une diode passante Considérons le point Q caractérisé par le couple (\( I_DQ ,V_DQ\) ) La relation (2) devient : \(I_{DQ}=I_S exp(\frac{V_{DQ}}{V_{T}}) \) En considérant de très faibles variations de tension autour de VDQ nous pouvons écrire : Les diodes FPGA | Arduino | Matlab | Cours @ www.electronique-mixte.fr Nous en déduisons l’expression de la résistance dynamique de la diode autour de son point de polarisation : \(rd=V_{T}/I_{DQ}\) Notes : Pour un courant de polarisation IDQ de 1 mA, la résistance dynamique est d’environ 25 W. La résistance dynamique d’une diode diminue lorsque le point de fonctionnement s’élève. Elle doit être prise en compte dès lors que l’on cherche à superposer un signal variable sur la tension de fonctionnement. Caractéristiques simpliﬁées – Modèles électriques La détermination mathématique du point de polarisation précédent nécessite de rechercher la solution VD qui satisfait l’équation: Cette détermination n’est pas aisée car d’une part la solution analytique n’est pas triviale et d’autre part le paramètre IS est rarement connu avec précision. Fort heureusement il est possible d’approcher la solution en exploitant une des modélisations simpliﬁées qui suivent. Les diodes FPGA | Arduino | Matlab | Cours @ www.electronique-mixte.fr Modèle diode parfaite sans seuil Sous polarisation négative, elle se comporte en interrupteur ouvert pour lequel ID = 0, pour VD < 0 Dans le sens passant, elle n’oppose aucune résistance à la circulation du courant et une tension nulle est relevée à ses bornes : VD = 0 , pour ID > 0 . Elle est dans ce cas assimilable à un interrupteur fermé. Modèle diode parfaite avec seuil Il s’agit du modèle le plus utilisé car il prend en compte le défaut principal d’une diode réelle, à savoir la chute de tension que celle-ci engendre à l’état passant. Pour VD < VD0 le modèle électrique associé est un interrupteur ouvert VD reste égale à VD0 à l’état passant Modèle diode avec seuil et résistance Les diodes FPGA | Arduino | Matlab | Cours @ www.electronique-mixte.fr dynamique On peut exploiter ce modèle s’il est nécessaire de tenir compte de la résistance dynamique de l’état passant Pour VD < VD0 le modèle électrique associé est toujours un interrupteur ouvert Pour VD ³ VD0 la diode en conduction engendre une chute de tension égale à VD = VD0 + RD*ID Modèle d’une jonction PN en hautes fréquences (HF) Tout dipôle constitué d’éléments en regard présente un eﬀet capacitif. La jonction PN n’échappe pas à cette loi physique. Le modèle prenant en compte l’eﬀet capacitif est représenté en ﬁgure ci après. En régime de hautes fréquences, l’impédance capacitive intervient et rend partiellement conductrice la diode en inverse. Les diodes FPGA | Arduino | Matlab | Cours @ www.electronique-mixte.fr Application au redressement de signaux alternatifs Redressement monoalternance Les diodes FPGA | Arduino | Matlab | Cours @ www.electronique-mixte.fr Redressements double alternance Principe de fonctionnement du pont de Graetz: Les diodes FPGA | Arduino | Matlab | Cours @ www.electronique-mixte.fr Doubleur de tension à diodes Application à la détection de l’enveloppe d’un Les diodes FPGA | Arduino | Matlab | Cours @ www.electronique-mixte.fr signal variable Enveloppe d’un signal variable – Déﬁnition L’enveloppe d’un signal correspond à la forme prise par son amplitude maximale au cours du temps. Détecteur d’enveloppe simple Le détecteur d’enveloppe simple consiste en un redresseur à diode associé à un condensateur. Les diodes FPGA | Arduino | Matlab | Cours @ www.electronique-mixte.fr Le circuit R//C « mémorise » l’amplitude crête du signal avec une constante de temps t = RC. Cette constante doit être choisie : ni trop courte sinon la décharge du condensateur apparaît à chaque alternance du signal x(t) ni trop longue aﬁn de suivre l’évolution de l’enveloppe. On choisit THF << t << TBF Soit par exemple la moyenne géométrique donnée par \(\tau = \sqrt{T_{HF} \cdot T_{BF}}\) Une application courante de la détection d’enveloppe concerne la démodulation d’amplitude. La diode Zener Courbe caractéristique La particularité de la diode Zener réside dans le quadrant négatif de sa courbe caractéristique. Les diodes FPGA | Arduino | Matlab | Cours @ www.electronique-mixte.fr Dans le sens direct la diode Zener se comporte comme une jonction PN classique. En sens inverse, elle reste bloquée tant que VR (= -VD ) reste inférieure à un seuil noté VZ . A partir de ce seuil la diode Zener conduit en inverse de façon très abrupte : la tension inverse mesurée à ses bornes est stabilisée à VZ . Elle est pratiquement indépendante du courant. Application à la régulation de tension Les diodes FPGA | Arduino | Matlab | Cours @ www.electronique-mixte.fr Montage de base Pour être utilisée en stabilisateur de tension, la diode Zener doit être polarisée en mode inverse. Le montage de base est représenté en ﬁgure ci-après. R est appelée la résistance ballast. Caractéristique de transfert VS = f(VE) du montage VE est ici une tension positive. Lorsque la Zener ne conduit pas, c’est à dire lorsque VE est de valeur insuﬃsante, le montage se comporte comme un pont diviseur de tension: \( V_{S}=V_{E}\frac{R_{L}}{R+R_{L}}\) Le montage reste dans ce mode de fonctionnement jusqu’à ce que VS atteigne VZ. Cette limite est atteinte lorsque Les diodes FPGA | Arduino | Matlab | Cours @ www.electronique-mixte.fr \( V_{E}=V_{Z}\frac{R_{L}+R}{R}\) A partir de cette tension d’entrée, la tension de sortie reste stabilisée à VZ La photodiode uploads/Litterature/ les-diodes.pdf