Électronique HF et composants R&C Dominic Grenier Design III H-2017
Électronique HF et composants R&C
Dominic Grenier Design III H-2017
www.ulaval.ca 2
• Résistance (résisteur) R [Ω] • Condensateur C [F] • Inductance (inducteur) L [H] • Sources
• Tension • Courant
• Jonctions • Diodes • Transistors
BJT (NPN) FET (canal N)
Composantes électroniques de base
www.ulaval.ca 3
Comportement réel
V=RI ?
Réponse : NON!
diode 1N4001
V
I
0.7V
équivalent simplifié HFen direct
HF= hautes-fréquences
www.ulaval.ca 4
Équivalence HF pour résistance et condensateur
Résistance
Capacité parasite parallèle• deux bornes agissent comme électrodes accumulant des charges• limite la largeur de bande
inductance parasite série• longueurs des bornes parcourues par un courant• entre en résonance
Résistance parasite série• courant de charge limité
Résistance parasite parallèle• conductivité du diélectrique• capacité se vide en circuit ouvert
Condensateur
www.ulaval.ca 5
Équivalence HF pour inductance
Inductance
résistance parasite parallèle• Pertes par effet Joule dans le noyau
Capacité parasite• Somme des effets capacitifs entre chacun des enroulements• Entre en résonance à certaines fréquences
Résistance parasite série• Résistivité non-nulle du fil
www.ulaval.ca 6
Particularités en HF
bout de fil (1 nH/mm): = et même (1 mH/m)
rapprochement entre deux fils:
= et même
=>ligne de transmission d'un signal:
=
www.ulaval.ca 7
Conséquences en HF -1 • Considérer les capacités parasites d'entrée des composants• S'assurer de la bande passante des composants• Concevoir au besoin des circuits de neutralisation
• capacité parasite de Miller sur un transistor
• sonde compensée d'un oscilloscope
www.ulaval.ca 8
Conséquences en HF -2
• Mettre des fils les plus courts possibles (diminuer l'effet inductif)• Croiser à angle droit les fils transportant des signaux HF (diminuer l'effet capacitif et le couplage mutuel)• Développer directement sur un "stripboard" ou "perfboard" "breadboard" : capacité parasite 2-25pF par point de contact, grande inductance à certaines connexions, résistance de contact relativement élevée et non-reproductible
veroboard
www.ulaval.ca 9
Isolation des alimentations
Isoler les alimentations• ajouter des bobines d'arrêt (RF choke)
(empêche les signaux RF de se propager par l'alimentation)
• ajouter des capacités de découplage à chaque composant "bruiteur" (ce qui diminue le bruit sur l'alimentation)
• transitoire rapide• numérique• inductif
http://www.interfacebus.com/Design_Capacitors.html
www.ulaval.ca 10
Photos de découplage Que remarquez-vous?
des condensateurs de découplage au tantale à chaque puce
Que remarquez-vous?dessus dessous
plusieurs condensateurs de découplage pour une puceet un large plan de masse
www.ulaval.ca 11
Boucles de masse -1
• Éviter les grandes boucles de masse• responsables d'un bruit additif sur les signaux• inévitables bien souvent
f .e.m = − ∂∂t
Bids
S∫
www.ulaval.ca 12
Boucles de masse -2
• Structure en étoile• Méthode autorisée mais coûteuse et défavorable en C-EM• Pas meilleure solution à long terme car peut mener à la catastrophe
Grande impédance en HF lorsque câble long ->donc pas même potentiel
• Structure maillée plan de masse intégrée +liaison supplémentaire
Source : A. Charoy, "Compatibilité électro-magnétique", Dunod
Boucle de masse de grande surface
www.ulaval.ca 13
Masses
Cartes mixtes A/N• Bien séparer zones analogique et numérique• contrairement aux idées reçues, carte unique avec 0V commun préférable à plusieurs cartes dialoguant via des connecteurs• alimentation de la partie analogique à partir de celle numérique (alimenter le propre par le sale)• chaque tension d'alimentation analogique découplée à la frontière• masse analogique reliée en un seul point de celle numérique
Source : A. Charoy, "Compatibilité électro-magnétique", Dunod
www.ulaval.ca 14
Résistances (résisteurs)
Considérations • Tolérance • Coefficient de température (TC) en par ˚C • Linéarité • Puissance maximale dissipée
V = RII = GVR = ρ / AG =σ A /
ΔR / R
www.ulaval.ca 15
Résistances au carbone
• Élément cylindrique solide de poudre de carbone et d'un matériau isolant (céramique) avec résine pour lier• Résistivité déterminée par le rapport carbone/céramique• Capuchons en métal aux extrémités qui rattachent les fils (capacité parasite)• Valeurs: 1Ω-22MΩ, 0.25-2W
Avantages• jadis populaires/encore assez disponibles• coût relativement faible en petite quantité• pas sujets à la surtension ou surchauffe
Inconvénients• tolérance élevée (5 à 20%)• non-linéaires• TC assez élevé
www.ulaval.ca 16
Résistances film de carbone/de métal • Film de carbone ou de métal déposé sur un substrat isolant• Coupe de diverses formes pour créer un long tracé étroit résistif• Résistances axiales les plus communes aujourd'huiFilm de carbone:• Valeurs: 1Ω-20MΩ, 0.125-5W, 200-600VmaxFilm de métal:• Valeurs: 1Ω-10MΩ, 0.125-1W
Avantages• très disponiblesCarbone:
• TC faible et négatifMétal:
• faible bruit thermique• tolérance moyenne (0.5, 1 et 2%)
Inconvénients• non-linéaires (mieux que carbone)• puissance limitéeCarbone:
• tolérance élevée (5 à 10%)Métal
• TC de 25 à 50 ppm
www.ulaval.ca 17
Résistances film par couche • Couche d'un matériau résistif sur un substrat isolant• Utilisées pour les circuits miniatures (surface mount device SMD)• Tracé étroit résistif créé d'un procédé similaire à celui d'un circuit imprimé• Épaisseur ajustée par abrasif ou par laser pour ajuster la valeur• 2 types selon le procédé d'application du film: film mince et film épaisFilm mince: dépôt sous vide
AvantagesFilm épais:
• tolérance moyenne (1, 2 et 5%)Film mince:
• tolérance faible (0.1 à 1%)• très peu sensible à la chaleur TC de 2 à 25 ppm
InconvénientsFilm épais:
• plus sensible à la chaleur• TC d'environ 250 ppm
Film mince• dispendieuse
www.ulaval.ca 18
Résistances bobinées
• "Wirewound"• Enroulement d'un fil métallique autour d'un noyau de céramique, de plastique ou de fibre de verre• Revêtement en céramique (ou en aluminium afin d'être attachées à un dissipateur thermique) pour haute-puissance• Valeurs: 5W-2kW
Avantages• grande puissance• TC très faible
Inconvénients• tolérance un peu élevée (5 à 10%)• effet inductif important (même si enroulement en alternance dans les deux sens)
www.ulaval.ca 19
Résistances en feuille
• Introduit en 1960 • feuille de résistances en alliage d'aluminium de quelques micromètres d'épaisseur • meilleure précision et stabilité de toutes résistances disponibles • améliorées au fil des ans
Avantages• très grande précision• tolérance (0.005 à 0.1%)• TC très très faible 0.2 ppm (25 à 50 ppm à long terme)• très linéaires• faible bruit thermique (-42dB)• faible effet inductif (0.08mH) ou capacitif (0.5pF)
Inconvénients• dispendieuses
www.ulaval.ca 20
Condensateurs
Considérations • Tension maximale • Polarisation • Bande de fréquences d'opération • Résistances série/parallèle
I (t) = C dVdt
I = jωC V ⇒ ZC = 1jωC
= − j 1ωC
C = Q / V = εA / d(source : wikipédia)
• e = permittivité [F/m] = ere0 • permittivité du vide e0≈8.854*10-12F/m • er=constante diélectrique
www.ulaval.ca 21
Constante diélectrique de matériaux Matériau Constante diélectrique Min. Max.Air 1 1Alcool éthylique 6.5 25Amiante 3.1 4.8Bakelite 5 22Barium de titane 100 1250Bois sec 1.4 2.9Caoutchouc 2 4Celluloïde 4 4Cire d'abeilles 2.4 2.8Cire minérale 2.2 2.3Dioxyde de titane 100 100Durite 4.7 5.1Eau distillée 34 78Ebonite 2.7 2.7Fibre 5 5Formica 3.6 6Isolantite 6.1 6.1Kevlar 3.5 4.5Mica 4 9Mica Ruby 5.4 5.4
Matériau Constante diélectrique Min. Max.Neoprene 4 6.7Nylon 3.4 22.4Papier 1.5 3Paraffine 2 3Plexiglass 2.6 3.5Polycarbonate 2.9 3.2Polyéthylène 2.5 2.5Polystyrène 2.4 3Porcelaine 5 6.5Quartz 5 5Résine d'epoxy 3.4 3.7Sélénium 6 6Silicone 3.2 4.7Sol sec 2.4 2.9Styrofoam 1.03 1.03Teflon 2.1 2.1Vaseline 2.16 2.16Verre 3.8 14.5Verre Pyrex 4.6 5Vinylite 2.7 7.5
(source : http://www.csgnetwork.com)
www.ulaval.ca 22
Catégories & principes pour condensateurs Catégories
• Condensateurs polarisés • Condensateurs non-polarisés, de faible valeur
• Super-condensateurs • Condensateurs variables
électrolytiquesau tantale
céramiquemicafilm à matériaux synthétiques
électrolytiques à double couchespapier à l'huile
à air (mécanique)diodes varactors
Principes• Souvent à plaques parallèles• En rapprochant les plaques (d ), C mais aussi
d'où l'importance capitale du diélectrique• pas de claquage = Vmax infinie• = pas d'échauffement• = bande passante infinie
E = −
∇V
σ d → 0 (Eéclair →∞)
Ls → 0
www.ulaval.ca 23
Photos de condensateurs variables (à air)
Remarquez la plaque qui tourne
2-65 pF 2-17 pF
Les feuillets en plastique servent uniquement à éviter que les plaques se touchent
www.ulaval.ca 24
Condensateurs électrolytiques • Gelée d'électrolyte entre 2 feuilles d'aluminium enroulées • Fabrication: l'anode a en contact avec l'électrolyte e qui assure la conduction électrique avec la cathode k. En faisant passer un courant électrique dans l'électrolyte, une couche d'alumine d se forme sur l'anode créant une interface isolante très mince (quelques molécules) qui devient ainsi le diélectrique • Applications dans découplage, régulation • Courant alternatif déforme les orbitales d'où un effet d'inertie (inductance) • Valeurs: 0.01mF-5000mF et plus
Avantages• assez disponibles• grande capacité par unité de volume• capables de grand courant
Inconvénients• polarisés• comportement inductif important• résistance série élevée (gelée pas très conductrice)• utilisables uniquement à basses fréquences• éclatent en inverse, V>Vmax ou Tinterne élevée
www.ulaval.ca 25
Photos de condensateurs électrolytiques David contre Goliath
polypropylène
électrolytiqueVersion SMD
Préperforé pour éviter des dégats plus importants polarisé ou non
www.ulaval.ca 26
Condensateurs céramique • 3 types : C0G ou NP0, X7R, Z5U ou 2E6• composants de surface à cause de leur miniaturisation• Applications HF jusqu'à 100GHz et haute-tension
Avantages• assez disponibles• faible inductance• Vmax élevée (plusieurs kV)
Inconvénients• fragiles mécaniquement• hystérésis de charge• e faible+d grand =capacité faible
C0G ou NP0Stabilité en T moindre (TC=10%)Capacités un peu plus élevéesValeurs: de 100pF à 22mFApplications: couplage non-critique
X7RFaibles pertesPetite taille (faible inductance)Bonne stabilité en T (TC<5%)Relativement dispendieuxValeurs: de 1pF à 0.1mFApplications: oscillateurs, filtres, timing
Z5U ou 2E6Faible stabilité en T (TC=50%)Capacités encore plus élevéesFaible coûtValeurs: de 0.001mF à 22mFApplications: couplage & découplage
www.ulaval.ca 27
Condensateurs mica • 2 types : à plaques empilées, métalisés (à l'argent)• mica=matériau inerte, excellent diélectrique mais rare
Avantages• aucun vieillissement• bonne stabilité en T
Inconvénients• sensibles à l'humidité (moindre lorsque métalisés) revêtement abîmé=>résistance d'isolation Rp• dispendieux (pire pour métalisés)
Condensateurs au verre• Comme les condensateurs mica
Avantages +• meilleure stabilité et réponse en fréquences• ultra-fiables• résistants aux radiations nucléaires
www.ulaval.ca 28
Photos de condensateurs céramique et mica
céramique micaLes classiques en disques Les bébés en couches fudge au chocolat
www.ulaval.ca 29
Condensateurs film de polyéthylène • Connus aussi sous polyester ou mylar• Valeurs: de 1nF à 10mF• Applications DC, intégrateurs ou signaux à fréquences limitées
Avantages• petite taille (pas autant que électrolytique)• Vmax élevée (jusqu'à 60MVcc)• bons marchés
Inconvénients• faible stabilité en T• résistance série élevée en HF et RF cause de l'échauffement • inappropriés pour HF et RF
www.ulaval.ca 30
Condensateurs film de polystyrène • Fabrication et laminage plus difficiles que polyéthylène => d plus épais • Valeurs: de 1pF à 500pF• Applications analogiques générales (aussi là où la précision est requise) idéaux pour RF à faibles puissances comportement excellent en audio
Avantages• très bonne stabilité en T (CT légèrement négatif)• bruit très faible
Inconvénients• plus gros• coût nettement plus élevé que polyéthylène• limités à T<85˚C
www.ulaval.ca 31
Condensateurs film de polypropylène • Les plus populaires des condensateurs à film • Valeurs: de 0.1mF à 100mF• Applications en tout genre, y compris HF
Avantages• pertes série faibles (Rs )• moins chers que polystyrène• haute isolation (Rp )• bruit très faible (presque comme polystyrène)
Inconvénients• assez gros (difficiles à laminer)• moins précis que polystyrène
www.ulaval.ca 32
Condensateurs film de polycarbonate • Valeurs: de 0.1mF à 100mF• Applications sur de grandes variations de T et pour filtres
Avantages• meilleure isolation (Rp ) que polystyrène• meilleure dissipation thermique que polystyrène• très bonne stabilité (TC=80 ppm)
Inconvénients• dispendieux• limités à T<125˚C
www.ulaval.ca 33
Photos de condensateurs film polyéthylène
Polycarbonate (vert)
polypropylène
www.ulaval.ca 34
Condensateurs au tantale • 2 types : à électrolyte solide ou liquide ("WET tantalum")• 2 sous-types : polarisés ou non-polarisés• Applications intensives en équipements miniaturisés, ordinateurs HF et alimentation à découpage liquide : haut de gamme et satellites
Avantages• large capacité par unité de volume• faible inductance série (faible résonance)• bonne stabilité en T• vieillissement pratiquement nulsolide:
• très faible résistance série Rs• coût faible (plus élevé que électrolytique)
liquide:• très grande fiabilité (regénération)
Inconvénients• légère non-linéarité• tension maximale limitée (Vmax<50V)solide:
• explosent violemment ou prennent feu en inverse, V>Vmax ou I élevée
liquide• très dispendieux (tantale+argent)
www.ulaval.ca 35
Photo de condensateurs au tantale
polarisés
www.ulaval.ca 36
Super-condensateurs • 2 types: électrolytique à double couches (EDLC), au papier à l'huile• Technologies récentes • Valeurs: de 10F à 1000F et plus• Applications comme stockage d'énergie (remplacement de piles/batteries)
Avantages• très large capacité par unité de volume• bonne stabilité en T• T d'opération assez large• faible résistance séries Rs• délivrent ou absorbent rapidement le courant (comparativement à une batterie)
Inconvénients• relativement très dispendieux
www.ulaval.ca 37
Inductances (inducteur,auto-inductance,self, solénoïde)
V (t) = L dIdt
V = jωL I ⇒ ZL = jωL
L =Ψ / I = µ N 2 A
• m = perméabilité [H/m] = mrm0 • perméabilité du vide m0=4p*10-7H/m
Considérations • liées au noyau
• saturation • courants de Foucault • bande de fréquences d'opération
• facteur Q • usages
www.ulaval.ca 38
Catégories pour inductances Selon la forme du noyau : • Toroïdal
• enroulement sur un tore• moins sensible aux champs extérieurs• aucun flux dans l’air
• Solénoïdal• enroulement sur un cylindre droit• crée des pôles Sud-Nord
Gyrateur• comportement identique à une inductance de grande valeur fait à partir de capacités et circuits actifs (ampli-op)