électronique.

électronique. 1 PRÉSENTATION électronique, domaine de la physique appliquée qui exploite les variations de grandeurs électriques (courants, tensions, charges, etc.) pour capter, transmettre ou analyser des informations (signaux audio d'un récepteur radio, images d'un écran de télévision, données informatiques d'un ordinateur, etc.). Le traitement de ces informations est généralement assuré par des circuits électroniques, qui utilisent les propriétés de l'électron. Ces circuits offrent diverses fonctionnalités telles que l'amplification de signaux, le calcul d'opérations logiques, la génération d'ondes radio, la récupération d'un signal audio à partir d'une onde radio (démodulation) ou encore la superposition d'un signal audio sur des ondes radio (modulation). Voir Radio. 2 HISTORIQUE L'électronique naquit au XIXe siècle, par suite de la découverte des rayons cathodiques et des différentes propriétés de l'électron. En 1904, le Britannique Fleming mit au point le premier tube à vide, la diode, que l'Américain De Forest perfectionna pour concevoir la triode en 1906. Ces tubes à vide révolutionnèrent le domaine de l'électronique, permettant de manipuler des signaux, ce qui était jusqu'alors impossible avec les réseaux télégraphiques et téléphoniques de l'époque. Dès lors, il devint possible, par exemple, d'amplifier des signaux radio et audio, ou de superposer des signaux sonores sur des ondes radio. La technologie de la communication radio connut ainsi un grand développement avant la Seconde Guerre mondiale, grâce à la fabrication de tubes toujours plus complexes et spécialisés. L'informatique fit également un bond prodigieux pendant la guerre, avec l'apparition des premiers ordinateurs électroniques, équipés de plusieurs milliers de tubes à vide. En 1948, les physiciens américains Bardeen, Brattain et Shockley inventèrent le premier transistor, qui supplanta progressivement le tube à vide dans la plupart de ses applications. Constitué de matériaux semi-conducteurs, le transistor assure en effet avec une fiabilité accrue les mêmes fonctions que le tube à vide, mais s'avère plus léger et beaucoup plus économique. En 1959 fut mis au point le premier circuit intégré, qui pouvait contenir une dizaine de transistors sur une petite plaquette de silicium (aujourd'hui, certains circuits intégrés en contiennent plus de 100 000). Puis apparurent les premiers microprocesseurs, processeurs constitués d'un seul circuit intégré sur lequel sont gravés des centaines de milliers de transistors interconnectés. Ces deux technologies, circuits intégrés et microprocesseurs, furent appliquées à la construction d'ordinateurs, dont les capacités bouleversèrent le monde de l'informatique dans les années 1970. Aujourd'hui, l'électronique est partout : de l'électroménager aux micro-ordinateurs, de l'audiovisuel aux satellites de communication. 3 COMPOSANTS ÉLECTRONIQUES Les circuits électroniques sont constitués de divers composants élémentaires, qui peuvent se classer en deux catégories : les composants passifs et les composants actifs ( voir Circuits électriques). Les composants passifs, qui reçoivent l'électricité, comportent les résistances, les condensateurs et les inductances. Les composants actifs, qui peuvent fournir de l'électricité, comprennent les piles, les générateurs, les tubes à vide et les transistors. À partir de ces composants élémentaires, on peut fabriquer d'autres éléments plus complexes, comme des circuits intégrés, des microprocesseurs, des capteurs et des transducteurs, des amplificateurs ou encore des oscillateurs. 3.1 Éléments passifs 3.1.1 Résistance Une résistance est un composant passif dans lequel l'énergie électrique est convertie en chaleur. Dotée de deux fils de connexion, ce dipôle est constitué de carbone et de films métalliques. Les résistances dont on connaît les caractéristiques sont utilisées pour contrôler l'intensité d'un courant dans un circuit. Les résistances variables, équipées d'un curseur, sont notamment employées pour régler le volume sonore sur les postes de radio et les téléviseurs. Voir Résistance électrique. 3.1.2 Condensateur Un condensateur se compose de deux plaques métalliques, séparées par un matériau isolant. Lorsque l'on relie les deux plaques aux bornes d'une pile, un courant électrique passe pendant un court instant, la charge électrique s'accumulant sur chaque plaque. Lorsque la pile est déconnectée, le condensateur a ainsi emmagasiné une charge électrique : il est dit chargé. Si on lui applique des tensions variant très rapidement, comme celles dues à un signal audio, des flux importants de courant quittent les plaques ou, au contraire, les traversent : le condensateur fonctionne alors comme un conducteur subissant un courant alternatif (voir Conducteur électrique). Il faut savoir qu'un condensateur ne présente jamais une capacité pure, si bien qu'il y a toujours des pertes de courant. 3.1.3 Inductance Une inductance, ou self-inductance, est constituée d'un fil conducteur enroulé autour d'une bobine. Lorsqu'un courant passe à travers cette bobine, il y induit un champ magnétique qui tend à modifier rapidement l'intensité du courant ( voir Induction). Lorsqu'une inductance est combinée avec un condensateur, la tension aux bornes de ce dernier atteint une valeur maximale pour une fréquence spécifique, dite fréquence de résonance, qui dépend des caractéristiques de ces deux dipôles. Ce phénomène est utilisé sur un récepteur radio, dans lequel un condensateur variable sélectionne une fréquence spécifique par modification de la fréquence de résonance. 3.2 Éléments actifs 3.2.1 Pile Une pile est un dispositif qui permet de transformer l'énergie issue d'une réaction chimique en énergie électrique. Cette réaction chimique, qui se produit au sein de la pile, est généralement irréversible, si bien qu'une pile décharge son énergie électrique sans pouvoir reconstituer le composé chimique de départ. Il existe cependant d'autres types de pile qui sont rechargeables grâce à un apport d'énergie électrique extérieure. Voir Piles électriques et accumulateurs. 3.2.2 Générateur La plupart des générateurs employés en électronique transforment de l'énergie mécanique en énergie électrique. Il existe deux types de générateur électromécanique : les générateurs qui fournissent du courant continu, appelés dynamos, et les générateurs qui fournissent du courant alternatif, nommés alternateurs. Voir Moteurs électriques et générateurs. 3.2.3 Tube à vide Un tube à vide est un tube de verre contenant plusieurs électrodes métalliques, à l'intérieur duquel on a fait le vide. Il existe différentes sortes de tubes à vide, les plus connues étant la diode et la triode. Une diode possède deux électrodes : une anode qui est reliée à la borne positive d'une source d'alimentation électrique, et une cathode qui est connectée à la borne négative. La cathode, petit tube métallique chauffé par un filament, libère des électrons qui migrent vers l'anode, cylindre métallique entourant la cathode. Si une tension alternative est appliquée aux bornes de la diode, les électrons migrent vers l'anode pendant le demi-cycle positif, tandis que l'anode repousse les électrons pendant le demi-cycle négatif. Un tube redresseur est une diode qui ne laisse passer un courant alternatif que durant les demi-cycles positifs : c'est pourquoi on utilise ce type de diode pour convertir un courant alternatif en courant continu ( voir Redressement). En insérant entre la cathode et l'anode une grille métallique à laquelle on a appliqué une tension négative, il devient possible de contrôler le flux d'électrons traversant la diode. En effet, comme la grille est polarisée négativement, elle repousse les électrons émis par la cathode, si bien que seule une fraction atteigne l'anode. Un tel tube, appelé triode, peut être ainsi utilisé comme amplificateur : de petites modifications de la tension au niveau de la grille, dues par exemple à un signal radio ou audio, provoquent en effet d'importantes variations de flux entre la cathode et l'anode, variations qui se répercutent dans le circuit connecté à l'anode. 3.2.4 Transistor Un transistor est un élément solide composé de semi-conducteurs, matériaux tels que le silicium ou le germanium, auxquels on a ajouté de très faibles quantités d'éléments étrangers. Ces matériaux « dopés « possèdent un excédent ou un défaut d'électrons libres, suivant le type de semi-conducteur choisi (type N dans le premier cas, type P dans le second). En combinant les matériaux de type N et de type P, on peut fabriquer une diode. Lorsque cette diode est reliée à une pile de sorte que le matériau de type P possède une charge positive et que le matériau de type N une charge négative, les électrons sont alors repoussés par le pôle négatif de la pile et migrent librement vers la région P qui manque d'électrons. Lorsqu'on inverse les pôles de la pile, les électrons parvenant au matériau P traversent difficilement ce matériau déjà rempli d'électrons libres : le courant est alors quasiment nul. Par conséquent, une telle diode ne laisse bien passer le courant que dans un sens. Le transistor bipolaire a été inventé en 1948 pour remplacer la triode. Il est constitué de trois couches de matériau dopé, formant deux jonctions bipolaires P-N : on obtient ainsi les configurations P-N-P ou N-P-N. L'une des jonctions est polarisée dans le sens direct, permettant ainsi aux électrons de traverser cette jonction, tandis que l'autre jonction est polarisée dans le sens inverse. Si le courant dans la jonction à polarisation directe est modifié par adjonction d'un autre signal, le courant dans la jonction à polarisation inverse variera en conséquence. Sur ce principe, il est possible de construire des amplificateurs où un signal de faible amplitude, appliqué à la jonction à polarisation directe, modifie notablement le courant de la jonction à polarisation inverse. Il existe un autre type de transistor, le transistor à effet de champ (TEC), qui fonctionne sur le principe de la répulsion ou de l'attraction des charges dues à un champ électrique. Sur ce transistor, le courant est amplifié de manière similaire à celui de la grille d'un tube à vide. Les transistors à effet de champ sont plus efficaces que les transistors bipolaires, car ce type de transistor peut contrôler un signal de forte intensité à l'aide d'une très petite quantité d'énergie. Voir Transistor. 3.3 Circuits intégrés et microprocesseurs La plupart des circuits intégrés sont composés de petites tranches de 2 à 4 mm2, appelées « puces «, de silicium ou d'arséniure de gallium, sur lesquelles sont placées des dizaines de milliers de transistors grâce à la technique de la photolithographie (voir Lithographie). Sur ces puces, les zones N et P des transistors sont interconnectées par des microfilms conducteurs. Ces circuits complexes, destinés à des applications spécifiques, sont dits monolithiques, car ils sont fabriqués sur un seul monocristal de silicium. Voir Circuit intégré. Comparées à un circuit équivalent réalisé à partir de transistors séparés, les puces nécessitent moins d'espace et d'énergie, tout en pouvant être produites à moindres frais. Un microprocesseur est un processeur miniaturisé dont les éléments sont rassemblés sur un unique circuit intégré. Pouvant contenir plusieurs centaines de milliers de transistors, il est très employé en électronique, et particulièrement en informatique. Voir Microprocesseur. 3.4 Capteurs et transducteurs Les capteurs et les transducteurs servent à mesurer des grandeurs mécaniques, thermiques, électriques ou chimiques. Un capteur est sensible aux variations de la grandeur mesurée, par exemple la température d'un élément, la position d'une pièce d'une machine, ou la concentration chimique d'une solution. Les valeurs ainsi mesurées sont alors converties en signaux électriques par le transducteur, puis transmises à un dispositif capable de lire, enregistrer ou contrôler les grandeurs mesurées par rétroaction (voir Automatisation). Capteurs et transducteurs peuvent opérer dans des sites éloignés de l'opérateur, voire dans un environnement inaccessible ou hostile à l'être humain. 3.5 Amplificateurs Les amplificateurs électroniques sont utilisés pour augmenter la tension, l'intensité ou la puissance d'un signal électrique. Un amplificateur linéaire ne produit presque pas de distorsion : l'amplitude du signal de sortie est alors proportionnelle à l'amplitude du signal d'entrée. En revanche, un amplificateur non-linéaire peut modifier considérablement la forme du signal. L'amplificateur linéaire est utilisé pour amplifier les signaux vidéo et audio, alors que l'amplificateur non-linéaire est employé dans les oscilloscopes, les modulateurs (voir Radio), les mélangeurs de signaux et les circuits logiques. Bien que les tubes à vide aient joué un rôle prépondérant dans la technique d'amplification, les amplificateurs actuels utilisent généralement des transistors ou des circuits intégrés. 3.5.1 Amplificateur audio Un amplificateur audio, que l'on trouve notamment sur les radios, télévisions et radiocassettes, est généralement exploité dans une bande de fréquences inférieures à 20 kHz (1 kHz = 1 000 cycles/s). Il amplifie un signal électrique, qui est ensuite transformé en onde sonore et diffusé dans un haut-parleur. La plupart des amplificateurs audio sont des amplificateurs opérationnels, amplificateurs linéaires composés de plusieurs étages et constitués de circuits intégrés. 3.5.2 Amplificateur vidéo Un amplificateur vidéo s'applique essentiellement aux signaux dont le spectre de fréquence s'étend jusqu'à 6 MHz (1 MHz = 1 million de cycles/s). Après amplification, le signal vidéo est projeté sur l'écran de télévision. La luminosité de l'image sur l'écran dépend de l'amplitude du signal. Pour remplir sa fonction, l'amplificateur vidéo doit opérer sur une large bande de fréquences, amplifier de la même manière toutes les fréquences et produire le moins de distorsion possible. Voir Vidéo. 3.5.3 Amplificateur de fréquence radio Ce type d'amplificateur permet d'augmenter l'amplitude d'ondes radio diffusées par des systèmes de télécommunication. Il opère généralement dans des fréquences comprises entre 100 kHz et 1 GHz (1 GHz = 1 milliard de cycles/s), mais peut même s'étendre jusqu'aux fréquences correspondant aux micro-ondes. 3.6 Oscillateurs Les oscillateurs comprennent un amplificateur et quelques boucles de rétroaction, qui permettent de réinjecter le signal de sortie à l'entrée de l'amplificateur. Ce type d'appareil permet de produire un courant alternatif de fréquence déterminée, grâce à l'apport d'un circuit « LC « accordé ou d'un cristal oscillant (voir Résonance). Les oscillateurs sont utilisés pour produire des signaux audio et radio à des fins diverses. Par exemple, les combinés téléphoniques modernes à touches sont dotés d'oscillateurs à fréquence audio, qui transmettent des données vers le central. L'équipement des systèmes de télécommunication contient également des oscillateurs à haute fréquence, qui remplissent des fonctions d'accord et de détection des signaux. De même, les stations de radio et de télévision utilisent des oscillateurs de haute précision pour atteindre leurs fréquences d'émission. 4 ALIMENTATION D'UN DISPOSITIF ÉLECTRONIQUE 4.1 Transformateur et redresseur La plupart des équipements électroniques nécessitent un courant continu, pouvant s'obtenir au moyen d'une pile ou grâce au circuit d'alimentation interne à l'équipement, qui convertit alors en courant continu le courant alternatif fourni par la prise de courant du secteur. Ce type de circuit utilise un transformateur, appareil qui stabilise la tension d'entrée à une valeur adaptée au fonctionnement du dispositif électronique. Ce transformateur est monté en série avec un redresseur, généralement constitué d'une ou de plusieurs diodes (voir Redressement). Autrefois, la plupart des redresseurs de faible puissance étaient composés de tubes à vide et de matériaux tels que le germanium cristallin ou le sulfure de cadmium, mais aujourd'hui, on utilise presque exclusivement des redresseurs à base de silicium, qui sont peu coûteux et très fiables. 4.2 Régulateur de tension Les fluctuations de la tension, qui sont par exemple à l'origine du bruit de fond dans le cas d'un amplificateur radio, peuvent être filtrées à l'aide d'un condensateur : plus la capacité du condensateur est grande, moins il y aura de fluctuations de la tension. Pour contrôler la tension et réduire ces fluctuations, on peut également utiliser un régulateur, qui délivre une tension interne indépendante des fluctuations éventuelles du secteur. Parmi les régulateurs les plus simples et les plus fréquents, on peut mentionner la diode Zener, diode à jonction de type P-N, qui se comporte comme un isolant lorsque la tension est inférieure à une valeur donnée, et comme un conducteur lorsque cette tension dépasse cette valeur ( voir Diode). Il existe aussi des régulateurs encore plus sophistiqués réalisés à l'aide de circuits intégrés, qui sont plus fins dans leur processus d'appréciation. 5 CIRCUITS LOGIQUES Les circuits logiques, appelés encore circuits de commutation et de synchronisation, sont au coeur de tout appareil électronique dans lequel des signaux doivent être sélectionnés et combinés. Ces circuits, qui sont généralement réalisés à partir de circuits intégrés, sont notamment employés dans la commutation téléphonique (voir Téléphone), la transmission par satellite et les opérations des calculateurs numériques. La logique numérique est un système de logique appliquant les principes de l'algèbre de Boole, n'admettant donc que deux valeurs de vérité, « vrai « et « faux «. Ces valeurs sont représentées respectivement par le chiffre 1 et par le chiffre 0, auxquels correspondent deux tensions de valeurs différentes dans le circuit logique. Par conséquent, selon la valeur du ou des signaux d'entrée, le circuit logique attribue à ces signaux les valeurs « vrai « ou « faux «. Ces signaux, qui peuvent être générés par des commutateurs mécaniques ou des transducteurs monolithiques, sont alors traités par le circuit logique, qui réalise un grand nombre d'opérations logiques grâce à des circuits élémentaires. Ces derniers, appelés souvent portes, sont conçus pour effectuer par exemple les opérations « ou «, « et «, ou « non «, ainsi que leurs combinaisons (comme l'opération logique « non-ou «, assurée par la porte NOR). Ainsi, sur une porte ET qui possède plusieurs entrées et une sortie, cette sortie est égale à « vrai « si et seulement si la valeur « vrai « est attribuée à toutes les entrées. De la même manière, le signal de sortie d'une porte OU est égal à « vrai « si au moins l'une des entrées a pour valeur « vrai « ; il est égal à « faux « si et seulement si toutes les entrées ont pour valeur « faux «. Une porte NON, qui possède une entrée et une sortie, permet de transformer un signal « vrai « en un signal « faux «, réalisant ainsi l'opération « non «. À partir de ces circuits élémentaires sont construits des circuits plus complexes, comme les bascules, les compteurs, les comparateurs et les additionneurs. Pour remplir une fonction complète, il est parfois nécessaire d'interconnecter un grand nombre de circuits logiques. Dans certains cas, on utilise des microprocesseurs qui permettent d'assurer des fonctions de commutation et de synchronisation des différents circuits logiques. Ces processeurs, qui sont programmés pour remplir une ou plusieurs tâches précises, ont l'avantage de pouvoir exécuter différentes fonctions logiques selon les commandes programmées. Toutefois, ils présentent l'inconvénient d'être généralement montés en série, mode qui peut se révéler trop lent pour certaines applications. 6 APPLICATIONS RÉCENTES L'apparition des circuits intégrés dans les années 1960 et 1970 a totalement révolutionné les domaines des télécommunications et de l'informatique. Ces circuits réduisent en effet les dimensions des appareils, tout en abaissant les coûts de production et en assurant des vitesses d'exécution plus élevées et une plus grande fiabilité. Aujourd'hui, les montres digitales, les ordinateurs portables et les jeux électroniques sont tous des systèmes équipés de microprocesseurs et donc de circuits intégrés. Les progrès de l'électronique ont également permis de développer la technique de numérisation du signal audio, dont la fréquence et l'amplitude sont codées numériquement par une technique de balayage spéciale, consistant à mesurer l'amplitude du signal à de très courts intervalles. Grâce à cette technique, la musique numérisée à l'enregistrement, qui est gravée sur des disques compacts, est d'une qualité bien supérieure à celle que l'on obtient par un enregistrement classique. L'électronique médicale s'est aussi considérablement perfectionnée ces dernières années, en concevant des dispositifs permettant d'obtenir des images de n'importe quel organe, selon n'importe quelle coupe, tels que le scanner ( voir X, rayons) ou l'imagerie par résonance magnétique. Actuellement, les recherches entreprises pour augmenter la vitesse et les performances des ordinateurs se concentrent principalement sur l'amélioration de la technologie des circuits intégrés, ainsi que sur le développement de circuits de commutation encore plus rapides. On est maintenant capable de réaliser des circuits à très grande intégration, appelés circuits VLSI (Very Large Scale Integration), pouvant abriter des centaines de milliers de composants sur une seule puce. Par ailleurs, des ordinateurs à haut débit sont en cours de développement, dans lesquels les semi-conducteurs sont remplacés par des supraconducteurs utilisant des jonctions Josephson ( voir Supraconductivité ; Josephson, effets). Ces ordinateurs, capables de fonctionner à des températures voisines du zéro absolu, sont toutefois d'un coût relativement élevé. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.