Transcript elctronique-analogique

Université de Bretagne Sud
ELCTRONIQUE
ANALOGIQUE
L3-PLURI
J. LAURENT
PLAN DU COURS


Introduction : notations
Chap 1. Les diodes

I. Principe de la diode


1. Semi-conducteurs
2. Dopage



3. Jonction PN - diode






a. type N
b. type P
a. Diode non polarisée
b. Polarisation directe
c. Polarisation inverse
4. Caractéristique d ’une diode
5. Droite de charge
6. Approximations d ’une diode


a. diode idéale
b. diode réelle
J. LAURENT
PLAN DU COURS

II. Redressement et filtrage



1. Alimentation stabilisée
2. Transformateur
3. Redresseur demi-onde



4. Redresseur en pont



a. diode idéale
b. diode réelle
5. Filtrage



a. diode idéale
b. diode réelle
a. signal demi-onde
b. signal pleine onde
III. Régulation de tension


1. Généralités
2. Diode Zener

a. principe
J. LAURENT
PLAN DU COURS




3. Régulateur Zener





b. caractéristique
c. régulation de tension
d. modélisation
a. synoptique
b. conduction de la Zener
c. analyse des performances
4. Filtrage et diagramme de Bode
Chap 2. Le transistor bipolaire

I. Présentation

1. Description et symboles



a. transistor npn
b. transistor pnp
2. Fonctionnement



a. transistor non polarisé
b. transistor polarisé
c. rapport statique a
J. LAURENT
PLAN DU COURS




3. Caractéristiques










a. Transistor interrupteur
b. Régime linéaire
6. Circuits de polarisation


a. collecteur
b. base
c. gain en courant
4. Droite de charge statique
5. Régimes linéaire et NL


d. tension de claquage
e. gain statique b
f. conclusion
a. de base
b. par réaction d ’émetteur
c. par réaction de collecteur
d. par division de tension
7. Polarisation universelle
8. Circuits à transistors pnp
J. LAURENT
PLAN DU COURS




3. Caractéristiques










a. Transistor interrupteur
b. Régime linéaire
6. Circuits de polarisation


a. collecteur
b. base
c. gain en courant
4. Droite de charge statique
5. Régimes linéaire et NL


d. tension de claquage
e. gain statique b
f. conclusion
a. de base
b. par réaction d ’émetteur
c. par réaction de collecteur
d. par division de tension
7. Polarisation universelle
8. Circuits à transistors pnp
J. LAURENT
PLAN DU COURS




3. Montage collecteur commun






c. gain en tension à vide
d. impédance d ’entrée
e. impédance de sortie
a. montage initial
b. schéma équivalent dynamique
c. gain en tension à vide
d. impédance d ’entrée
e. impédance de sortie
4. Montage à base commune





a. montage initial
b. schéma équivalent dynamique
c. gain en tension à vide
d. impédance d ’entrée
e. impédance de sortie
J. LAURENT
PLAN DU COURS

Chap 3. Les transistors à effet de
champ

I. Les JFET

1. Présentation




2. JFET polarisé
3. Caractéristiques



a. caractéristiques de drain
b. transconductance
4. Circuits de polarisation






a. JFET à canal N
b. JFET à canal P
a. de grille
b. automatique
c. par diviseur de tension
d. de source
e. par source de courant
5. Régimes linéaire et non linéaire


a. régime non linéaire
b. comportement dynamique
J. LAURENT
PLAN DU COURS

6. Applications à l ’amplification




a. amplificateur à source commune
b. amplificateur à drain commun
c. amplificateur à grille commune
II. MOSFET

1. MOSFET à appauvrissement






a. présentation
b. régimes
c. caractéristiques
d. polarisation
e. applications
2. MOSFET à enrichissement






a. présentation
b. tension de seuil
c. caractéristiques
d. polarisation
e. polarisations des FET
f. applications
J. LAURENT
Introduction : notations
J. LAURENT
Introduction : notations


V(t) : tension instantanée
composée d ’un terme continu V0
et d ’un terme alternatif pur v(t)
v(t) = Vmax sin (wt + j) dont







Vmax est l ’amplitude crête
Veff = Vmax/Ö2 la valeur efficace
wt + j : angle en radians
w : pulsation en rad/s = 2 p f
f : fréquence en Hz = 1/T
T : période en secondes
j : phase à l ’origine en radians
J. LAURENT
Introduction : notations

Notations en grandeur
complexe

V = (V ; j)





V = V e jj = V (cos j + j sin j)
V=a+jb




V : grandeur complexe
V ou |V| : module (valeur efficace)
j : argument
a : partie réelle
b : partie imaginaire
a = V cos j ; b = V sin j
V = Ö(a² + b²) ; j = atan b/a
J. LAURENT
Chap 1. Les diodes
J. LAURENT
I.1. Semi-conducteurs
J. LAURENT
I.2. Dopage


Semi-conducteur intrinsèque :
cristal de silicium pur
Dopage : ajout d ’atomes d
’impuretés pour augmenter le
nombre de charges à semiconducteur extrinsèque

a. Type N

ajout d ’atomes à 5 électrons sur la
couche périphérique à électrons
porteurs majoritaires


Arsenic (As), Antimoine (Sb),
Phosphore (P)
b. Type P

ajout d ’atomes à 3 électrons sur la
couche périphérique à trous porteurs
majoritaires

Aluminium (Al), Bore (B), Gallium (Ga)
J. LAURENT
I.3. Jonction PN - Diode
J. LAURENT
I.3. Jonction PN - Diode
J. LAURENT
I.3. Jonction PN - Diode
J. LAURENT
I.4. Caractéristiques
J. LAURENT
I.4. Caractéristique
J. LAURENT
I.4. Caractéristique

Polarisation directe :




la diode ne conduit pas tant qu ’on
n ’a pas surmonté la barrière de
potentiel
Au-delà de Vd = 0,7 V, une petite
augmentation de tension implique
une forte augmentation de courant
Polarisation inverse : on obtient
un courant extrêmement petit
diode : conducteur à sens
unique

Ne pas dépasser la tension de
claquageet la puissance limite
J. LAURENT
I.5. Droite de charge
J. LAURENT
I.5. Droite de charge
J. LAURENT
I.6. Approximations
J. LAURENT
I.6. Approximations
J. LAURENT
II. Redressement et filtrage
J. LAURENT
II.2. Transformateur
J. LAURENT
II.3. Redresseur demi-onde
J. LAURENT
II.3. Redresseur demi-onde
J. LAURENT
II.4. Redresseur en pont
J. LAURENT
II.4. Redresseur en pont
J. LAURENT
II.5. Filtrage
J. LAURENT
II.5. Filtrage
J. LAURENT
III. Régulation de tension
J. LAURENT
III.1. Généralités
J. LAURENT
III.2. Diode Zener
J. LAURENT
III.2. Diode Zener
J. LAURENT
III.2. Diode Zener
J. LAURENT
III.3. Régulateur Zener
J. LAURENT
III.3. Régulateur Zener
J. LAURENT
III.3. Régulateur Zener
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de
Bode

Lois de base:

Loi d’ohm générale:

U=ZI
I
Z
U

Loi des nœuds:

i1
i1
i3
Pour 1 nœud, la somme des courants
entrants = somme des courants
sortants: ici

i3 + i2 = i1
i2
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de
Bode

Loi des mailles:


i1
Somme des tension sur une maille =0
On part d’un point et on revient au
même endroit.
Z1
i3
Z3
i2

Z4
Z2

Ici: -V + Z1i1+ Z2i2 = 0
Ou: -V + Z1i1+ Z2i3 + Z4i3=0
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de
Bode

Formule du pont diviseur

I
V2 = V1* (Z2/(Z1+Z2))
Z1
V2
Z2
V1

Association d’impédances

Z1
Série: Zt = Z1+Z2
Z2
Zt
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de
Bode

Parallèle: Zt = (Z1Z2/Z1+Z2)
Z1
Zt
Z2

Impédance des dipôles passifs


Passif: à base de R,L et C ->
pertes, pas d’alimentation.
Actif: il faut fournir une
alimentation continue pour
obtenir une amplification de V ou
I (T, AOP).
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de
Bode

Résistance: Zr=R -> V=ZrI=RI
V et I sont
en phase
I
Zr

V
Caractéristiques d’une résistance:







Valeur en W
Précision en %
Puissance en W
Stabilité (en T°, en temps..)
Potentiomètre: R variable
Thermistance: R varie en fonction de la
température
Photo résistance: R varie en fonction de la
lumière
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de
Bode

Self inductance ou self:
V=Zl*I=jLwI
L
I
V






L: inductance en Henri
Zl est imaginaire pure et dépend de w,
on modélise par approximation le
comportement en fréquence.
BF: f->0 w->0 Zl->0 L=>CC
HF: f->inf
Zl->inf L=>CO
La self laisse passer le continu mais
bloque les HF; elle s’oppose aux
variations rapides.
En fait la self a une résistance interne r
Zl=r+jLw = |Zl|=sqrt(r²+(Lw)²)
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de
Bode
Condensateur: Zc= 1/(jCw)

I
C
V





C: capacité en Farad
On a une influence de la
fréquence qui est l’inverse de la
self
f->0 Zc-> inf => C=CO
f->inf Zc->0 => C=CC
Le temps de charge d’un
condensateur dépend de t
=1/(RC)
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de
Bode

Fonctions de transfert


H = Vsortie/Ventrée
Impédances d’entrée et de sortie


Ze: impédance équivalente vue de l’entrée.
Ze=Ve/Ie
Zs: impédance équivalente vue de la sortie.
Ze=Vs/Is
Zg
Ze
Zs
Zl
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de
Bode

Types de filtre




Actif, passif (T ou RLC)
Passe bas, passe haut, passe
bande ou coupe bande
Ordre du filtre n (relié au nbre
d’éléments C ou L)
Fonction du filtre (Butterworth,
Chebychev, Bessel…)
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de
Bode

Passe bas 1er ordre
R
C
Ve



Passif -> filtre RC
C en // -> passe bas
Fonction de transfert

On regarde la TF à vide



H=Vs/Ve = Zc/(Zc+Zr) =1/(1+jRCw)
On pose w0=1/(RC) ; w0 pulsation propre
D’où H=1/(1+j(w/w0))


Vs
Ordre n=1 -> w puissance 1 et 1 condo
Etude du module


|H|=1/sqrt(1+(w/w0)²)
On exprime en dB |H|=20log|H|
=-10log(1+(w/w0)²)
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de
Bode

De manière générale:



Atténuation de -20dB/dec ou 6dB/octave
La fréquence de coupure est
déterminée à -3dB.
La bande passante va de 0 à fc
|H|dB
fc
BP=[0;fc]
f
-20dB/dec
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de
Bode

De manière générale:
 Phase de H = arctan(w/w0)
 Passe bas phase H= -n(p/2)
FH
fc
f
-p/2

Forme canonique:

H=K/(1+j(w/w0))
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de
Bode

Passe haut du 1er ordre
C
Ve
R

Fonction de transfert


Vs
H=1/(1-j(1/RCw)); H=1/(1-j(w0/w))
Forme canonique

H=K/(1-j(w0/w))
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de
Bode

Diagramme de Bode
|H|dB
fc
f
BP=[f0;inf[
-20dB/dec
FH
+p/2
f
fc
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de
Bode

Passe bande ou coupe bande

P bas
Combinaison d’un passe haut et
d’un passe bas
f1
Si f2<f1 Passe bande
P haut
f2
Si f1<f2 coupe bande
J. LAURENT
Chap 2. : Transistor bipolaire
J. LAURENT
I.1. Description et symboles
J. LAURENT
I.1. Description et symboles
J. LAURENT
I.2. Fonctionnement
J. LAURENT
I.2. Fonctionnement


Diode émetteur : commande par VBE
le nombre d ’électrons libres injectés
dans la base
95% des électrons injectés par l
’émetteur atteignent le collecteur



IC # IE
c. rapport statique 
  = IC /IE souvent  > 0,99
d. tension de claquage
 Breakdown Voltage : dépend du
dopage
 BVBE = 5 à 30 V
 BVCE = 20 à 300 V
J. LAURENT
I.2. Fonctionnement

e. gain statique 



 = hfe = IC /IB
50 <  < 300 (jusqu ’à 1000)
f. conclusion

transistor bipolaire en régime linéaire si :




1. La diode émetteur soit polarisée en direct
2. La diode collecteur soit polarisée en
inverse
3. La tension entre les bornes de la diode
collecteur soit inférieure à BVCE
Tbip = dispositif actif amplificateur

Source de courant IC commandée par IB


IE = IC + IB
IC # IE
J. LAURENT
I.3. Caractéristiques
J. LAURENT
I.3. Caractéristiques
J. LAURENT
I.4. Droite de charge statique
J. LAURENT
I.5. Régimes linéaire et NL
J. LAURENT
I.5. Régimes linéaire et NL
J. LAURENT
I.6. Circuits de polarisation
J. LAURENT
I.6. Circuits de polarisation
J. LAURENT
I.6. Circuits de polarisation
J. LAURENT
I.7. Polarisation universelle



Connus : VCC, R1, R2, RE, RC, T (VBE,
b)
Inconnus : IB, IC, IE, Vbm, Vem, Vcm
Hypo : IB << IR2







alors Vbm # Vcc R2/(R1 + R2)
Vem = Vbm - Vbe
IE = Vem /RE
IC = b IE / (b + 1)
Vcm = VCC - RCIC
IB = IC / b
Vérifier l ’hypo

IBmax = IC / bmin << IR2 = Vbm/R2
J. LAURENT
I.8. Circuits à transistors pnp
J. LAURENT
II. Généralités sur l’amplification
J. LAURENT
II.2. Environnement réel
J. LAURENT
II.3. Régime petit signal
J. LAURENT
II.4. Couplage et découplage
J. LAURENT
II.5. Théorème de superposition

Démarche de l ’étude

1. Etude statique grandeurs continues V0, I0




Schéma équivalent statique

2. Etude dynamique grandeurs alternatives v(t),
i(t)




annuler les sources alternatives (Ve)
ouvrir les condensateurs de couplage
remplacer les transistors par leur modèle statique
annuler les sources continues (Vcc)
court-circuiter les condensateurs de couplage
remplacer les éléments actifs par leur modèle
équivalent dynamique petit signal
Schéma équivalent dynamique

3. Etude globale

Chaque grandeur est la somme de sa
composante continue et de sa composante
alternative
J. LAURENT
III. Régime dynamique
J. LAURENT
III.1. Modèle dynamique
J. LAURENT
III.2. Montage émetteur
commun
J. LAURENT
III.2. Montage émetteur
commun
J. LAURENT
III.2. Montage émetteur
commun

c. Gain en tension à vide G0



si h21 >> 1 alors G0 # - RC/RE

Déphasage de p entre ve et vs
d. Impédance d ’entrée Ze


G0 = vs/ve = - RC h21 /(h11 + RE(
h21+ 1))
Ze = RB//(h11 + RE(h21 + 1))
e. Impédance de sortie Zs




ZS = RC
amplification + déphasage
Ze élevée
Zs moyenne EC =AMPLI de tension
J. LAURENT
III.3. Montage collecteur
commun
J. LAURENT
III.3. Montage collecteur
commun
J. LAURENT
III.3. Montage collecteur
commun

c. Gain en tension à vide G0

G0 = RE (h21 + 1) /(h11 + RE(
h21+ 1))



G0 ≤ 1
d. Impédance d ’entrée Ze


si h21 >> 1 alors G0 # 1
Ze = RB//(h11 + (RE//ZL)(h21 +
1))
e. Impédance de sortie Zs




ZS = RE//((h11 + RB//Zg)/(h21 +
1))
pas d ’amplification ni de déphasage
Ze élevée
Zs faible CC = SUIVEUR
J. LAURENT
III.3. Montage base commune
J. LAURENT
III.3. Montage base commune
J. LAURENT
III.3. Montage base commune

c. Gain en tension à vide G0



d. Impédance d ’entrée Ze


G0 = RC h21 / h11
pas de déphasage
Ze = RE//(h11/ (h21 + 1))
e. Impédance de sortie Zs




ZS = RC
forte amplification sans déphasage
Ze faible
Zs moyenne BC = AMPLI HF
J. LAURENT
Chap.3 : Les TEC


Transistors unipolaires : un seul
type de charge (trou ou électron)
Transistor à Effet de Champ =
TEC

Field Effect Transistor = FET

2 familles :




JFET : Junction FET ou TEC à
jonction
MOSFET : Metal-Oxyde-
Semiconductor FET
commandés par tension
3 électrodes : Drain, Source et
Grille
J. LAURENT
I. JFET
J. LAURENT
I.2. JFET polarisé
J. LAURENT
I.3. Caractéristiques
J. LAURENT
I.3. Caractéristiques
J. LAURENT
I.4. Circuits de polarisation
J. LAURENT
I.4. Circuits de polarisation
J. LAURENT
I.4. Circuits de polarisation
J. LAURENT
I.4. Circuits de polarisation
J. LAURENT
I.5. Régimes linéaire et NL
J. LAURENT
I.5. Régimes linéaire et NL
J. LAURENT
I.5. Régimes linéaire et NL
J. LAURENT
I.6. Applications à l’amplification
J. LAURENT
I.6. Applications à l ’amplification
J. LAURENT
I.6. Applications à l ’amplification
J. LAURENT
I.6. Applications à l ’amplification
J. LAURENT
I.6. Applications à l ’amplification
J. LAURENT
I.6. Applications à l ’amplification
J. LAURENT
II. MOSFET
J. LAURENT
II.1. MOSFET à appauvrissement
J. LAURENT
II.1. MOSFET à appauvrissement
J. LAURENT
II.1. MOSFET à appauvrissement
J. LAURENT
II.1. MOSFET à appauvrissement
J. LAURENT
II.1. MOSFET à appauvrissement
J. LAURENT
II.1. MOSFET à appauvrissement
J. LAURENT
II.2. MOSFET à enrichissement
J. LAURENT
II.2. MOSFET à enrichissement
J. LAURENT
II.2. MOSFET à enrichissement
J. LAURENT
II.2. MOSFET à enrichissement
J. LAURENT
II.2. MOSFET à enrichissement
J. LAURENT
II.2. MOSFET à enrichissement
J. LAURENT
III. AOP


Un des composants les plus utilisés et
un des plus simples à mettre en
œuvre.
Présentation

C’est un CI comportant de nombreux
étages à transistors (20 à 30 T) avec des
caractéristiques quasi idéales:




Ze = 2MW
Zs = 100 W
G0 = 200 000
C’est un ampli différentiel avec 2 entrées et 1
sortie
V+
+
+
V-
e
-
J. LAURENT
III. AOP



e tension différentielle = V+ - VVs = A e avec A: amplification en BO
Modèle et caractéristiques
is
i+=0
V+
e
V-
Ae
Vs
i-=0

En pratique





Is limité à environ 10mA
i- et i+ environ 10-10A
Ze de 106 à 1012 W
A grand mais dépend de BP
Zs de 10W à 100W
J. LAURENT
III. AOP

En régime linéaire e = 0
Vsat+
e
Vsat-

Régime linéaire et NL


La relation i+= i- =0 tjrs vrai.
Régime linéaire e = 0 pour cela il faut une
contre réaction (sortie reliée à V-)
-
Ve
e
+
J. LAURENT
III. AOP


Régime non linéaire alors e≠0 et Vs =+- Vsat
AOP en BO donc pas de CR
V+
+
V-



e
Vs
-
Si e>0 alors Vs= Vsat+
Si e<0 alors Vs= VsatQuand e change de signe, la commutation est
pratiquement instantanée
J. LAURENT
III. AOP

Réaction (liaison entre la sortie et V+)
+
Ve



-
La fraction de Vs réinjectée en entrée est en
phase avec V+ donc si V+ augmente, Vs
augmente jusqu’à Vsat+
Ici encore, si e>0 Vs=Vsat+ et si e<0 Vs=VsatPour étudier le montage en régime NL:


e
On détermine l’évolution de V+ et V- pour en déduire
e
Pour étudier le montage en régime linéaire:



On écrit la loi des mailles pour chaque branche avec e
=0
On écrit la loi des nœuds pour chaque nœud avec i+ =
i- =0
On résout le système d’équations pour exprimer Vs en
fct de Ve
J. LAURENT
III. AOP

AOP en régime linéaire

Exemples de montages

Ampli de tension non inverseur
Z2
Z1
-
e
Ve
+
Vs
G0=1+(z2/z1)
 Ze ->inf
 Zs = 0
Montage suiveur


V+
+
V-
Vs

Vs= Ve (étage tampon)
J. LAURENT
III. AOP

AOP en régime linéaire

Exemples de montages

Ampli de tension inverseur
Z2
Z1
-
e
Ve
+
Vs
G0=-(z2/z1)
 Ze ->z1
 Zs = 0
Montage sommateur


Z4
Z1
-
Z2
Z3
e

+
Vs
Vs= -[(z4/Z1)V1 + (z4/z2)V2 +(z4/z3)V3]
J. LAURENT
III. AOP
AOP en régime linéaire


Exemples de montages

Ampli différentiel
Z2
Z1
-
e
Z3
+
Vs
Z4


Vs = [(z1+z2)/z1]x[z4/(z3+z4)]xV2 – (z2/z1)V1
Dérivateur
R
Vs= -RC dVe/dt
e
+
Vs
On produit en sortie un signal rectangulaire si le signal d’entrée est une
rampe
J. LAURENT
III. AOP

AOP en régime linéaire

Exemples de montages

Intégrateur
R
-
e

+
Vs
Vs = -1/(RC) intégral Ve dt
J. LAURENT
III. AOP

AOP en régime linéaire

Exemples de montages

Filtre actif
R2
R1
C2
C1
e

+
Vs
G0 = K/[(1+j(w/w2))x(1-j(w1/w))]
Passe bas
J. LAURENT
Passe haut
III. AOP

AOP en régime non linéaire

Exemples de montages

Comparateur à 1 seuil
-
e
Ve
+
Vs
Vref
Vsat+
Vref
Vsat-
J. LAURENT
III. AOP

AOP en régime non linéaire

Exemples de montages

Comparateur à hystérésis (ou à 2 seuils)
R2
Ve
R1
e
+
-
Vs
Vref
DV
Vsat+
Vc
Vsat




1 seuil lorsque la grandeur croit Vref+
1 seuil lorsque la grandeur décroît VrefVref- = [(R1+R2)/R2]Vref – (R1/R2)Vsat
DV = Vref+ - Vref- = 2(R1/R2)Vsat
Vc = (Vref+ + Vref-)/2 = [(R1+R2)/R2] Vref
J. LAURENT
BIBLIOGRAPHIE
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Electronique analogique Merat R. Moreau L.Allay J.P. Dubos J.
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Electronique linéaire : exercices résolus Blot Dunod
Université ISBN 2-10-001777-2
Les transistors : Eléments d’intégration des circuits
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Circuits électriques et électroniques Milsant Ed. Ellipses
Micro-électronique Millman - A. Grabel Ed. Mac Graw Hill 4
tomes T1 : Dispositifs à semi-conducteurs T2 : Circuits et systèmes
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Traitement de signaux et saisie de données - Electronique de
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Technique Guide Pratiques Industriels ISBN 2-01-166590-6
Memotech Electronique Composants J.C. Chauveau
G.Chevalier B. Chevalier Coll A. Capliez Educalivre ISBN 2-71351353-7
Guide du technicien en électronique Cimelli R. Bourgeron
Hachette Technique ISBN 2- 01-16-6868-9
Technologie des composants électroniques 3 Tomes Besson
SECF Ed
Radios ISBN 2-7091-0821-6 ISBN 2-7091-0872-0 ISBN 2-70910983-2
Le mémento des fondements de l’électronique Altmann Ed
Fréquences Difffusion Eyrolles ISBN 2-903055-26-2
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J. LAURENT