Cours d’Electronique An ??Trait de l ’lectronique analogique et numrique (Vol.1), Paul Horowitz ...

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  • 1

    Cours dElectronique Analogique

    ENSPS - 1ire anne. Anne universitaire : 2003/2004

    Thomas HeiserLaboratoire PHASE-CNRS

    (Physique et Applications des Semiconducteurs)Campus Cronenbourg

    tel: 03 88 10 62 33mail: heiser@phase.c-strasbourg.fr

    http://www-phase.c-strasbourg.fr/~heiser/EA2004/

  • 2

    Contenu du cours

    1. Quelques rappels utiles

    2. Les Diodes

    3. Applications des diodes

    4. Le Transistor bipolaire

    5. Les Transistors effet de champ

    6. Rtroaction et amplificateur oprationnel

    Bibliographie

    Trait de l lectronique analogique et numrique (Vol.1), Paul Horowitz & Winfield Hill, Elektor,1996 Principes dlectronique, Alberto P. Malvino, McGraw-Hill, 1991 Electronique: composants et systmes d'application, Thomas L. Floyd, Dunod, 2000Microlectronique, Jacob Millman, Arvin Grabel, Ediscience International, 1994

  • 3

    1. Les bases

    1.1 Composants linaires et loi dOhm :

    Le modle linaire ne dcrit le comportement rel du composant que dans un domaine de fonctionnement (linaire) fini.

    I

    V Rsistance lectrique = composant linaire :

    V = R I loi dOhmV

    I

    R

    Gnralisation aux circuits en rgime harmonique (variation sinusodale des tensions et courants) :

    ( ) ( ) ( ) IZV =

    ( )

    jC

    Z 1=

    C L

    ( ) jLZ =composant linaire :

    impdance :

  • 4

    1.2 Source de tension, source de courant :

    1.2.1 Sources idales :

    I

    V

    IoIo V charge

    I

    source de courantidale :

    le courant fourni par la source est indpendant de la charge

    source de tension idale :

    V

    I

    VoVo V charge

    I

    la tension aux bornes de la source est indpendante de la charge

  • 5

    V

    1.2.2 Sources relles :

    IIosource de courant

    relle :

    Le domaine de linarit dfini la plage de fonctionnement du composant en tant que source de courant

    domaine de fonctionnement linaire ou domaine de linarit

    source de courant Ri >> V/I = Ze = impdance dentre de la charge.

    io R

    VII =

    oIcstI =tant que I >> courant dans la rsistance interne

    iRV

    schmaquivalent

    Schma quivalent:

    Io Ri V charge

    I

    Ri = rsistance interne(Gi = 1/Ri = conductance interne)

    hyp : Vdomaine de linarit

  • 6

    V

    I

    Vo

    source de tensionrelle :

    domaine de linarit

    schmaquivalent Vo

    V charge

    I

    source de tension Ri

  • 7

    Transformation de schma :

    selon la valeur de Ze/Ri on parle de source de tension (Ze>>Ri) ou source de courant (Ze

  • 8

    1.3 Thorme de Thvenin :

    Tout circuit deux bornes (ou diple) linaire, constitu de rsistances, de sources de tension et de sources de courant est quivalent une rsistance unique RTh en srie avec une source de tension idale Vth.

    Calcul de Vth: ( )ouvertcircuit !VVth =

    ( )( )( )circuit-court

    ouvertcircuit circuit-court

    !

    IV

    IVR thth ==Calcul de Rth:

    V

    IA

    B

    Vth

    Rth

    V

    I

    = gnrateur de Thvenin

    A

    B

    ou

    [remplacement des sources de tension non-lies par un fil (Vo=0), et des sources de courant non-lies par un circuit ouvert (Io=0)]

    ABth RR = en absence des tensions et courants fournies par les sources non-lies.

  • 9

    Mesure de Rth :

    Au multimtre : exceptionnel puisquil faut remplacer toutes sources non-lies par des court-circuits ou des circuits ouverts tout en sassurant que le domaine de linarit stend jusqu V=0V.

    A partir de la mesure de V(I) :

    I

    V

    mesurespente = - Rth

    gnrateur quivalent de Thvenin

    Vth

    En rgime harmonique le thorme de Thvenin se gnralise aux impdances complexes.

    Gnrateur de Norton = source de courant quivalente au gnrateur de Thvenin

    Rth= impdance de sortie du montage.

    2thV

    mthode de division moitithVVRR

    IV

    th

    !charge

    2

    ===

  • 10

    2. Les Diodes

    2.1 Dfinition

    Caractristique courant-tension dune diode idale :

    Id

    Vd

    Id

    Vdsous polarisation directe (Vd0), la diode = court-circuit(i.e. conducteur parfait)

    sous polarisation inverse (Vd

  • 11

    2.2 Caractristiques dune diode relle base de Siliciumhyp: rgime statique(tension et courant indpendants du temps)

    Vd-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1

    20

    60

    100

    140

    Id

    Is

    Pour Vd > ~0.7, le courant augmente rapidement avec une variation peu prs linaire la diode est dite passante mais Id nest pas proportionnel Vd (il existe une tension seuil~ Vo)

    Vo

  • 12

    Vd-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1

    20

    60

    100

    140

    Id

    1exp

    Td

    sd VVII

    Zone du coude : Vd [0,~ Vo] : augmentation exponentielle du courant

    avec 1 2 (facteur didalit)

    VT = k T/ek = 1,38 10-23 J/K= constante de Boltzmanne= 1.6 10-19Coulomb, T la temprature en KelvinIs = courant inverse

    le comportement est fortement non-linaire forte variation avec la temprature

    Vo

    VT (300K) = 26 mV

  • 13

    Zone de claquage inverse

    Ordre de grandeur :

    Vmax = quelques dizaines de Volts

    peut conduire la destruction pour une diode non conue pour fonctionner dans cette zone.

    Vmax = P.I. V (Peak Inverse Voltage) ou P.R.V (Peak Reverse Voltage)

    Id

    Vd

    Vmax

    claquage par effet Zener ou Avalanche

    Vo

    Limites de fonctionnement :

    Il faut que VdId=Pmax

    Limitation en puissance

    VdId=Pmax

    Influence de T :

    Vd ( Id constant) diminue de ~2mV/C

    diode bloque : Id = IS double tous les 10C

    diode passante :

    (diode en Si)

  • 14

    2.3 Diode dans un circuit et droite de charge

    Id et Vd respectent les Lois de Kirchhoff

    2.3.1 Point de fonctionnement

    Id et Vd sont sur la caractristique I(V) du composant

    Val RL VR

    Id

    Id , Vd, ?

    Comment dterminer la tension aux bornes dune diode insre dans un circuit et le courant qui la traverse?

    Vd

    Au point de fonctionnement de la diode, (Id,Vd) remplissent ces deux conditions

  • 15

    Val/RL

    Val

    Droite de charge

    Id

    Vd

    Caractristique I(V)

    2.3.2 Droite de charge

    Loi de Kirchoff :L

    dald R

    VVI =L = Droite de charge de la diode dans le circuit

    Connaissant Id(Vd) on peut dterminer graphiquement le point de fonctionnement procdure valable quelque soit la caractristique I(V) du composant !

    On peut calculer le point de fonctionnement en dcrivant la diode par un modle simplifi.

    Q= Point de fonctionnementIQ

    VQ

    Q

  • 16

    2.4 Modles Statiques segments linaires

    2.4.1. Premire approximation: Diode idale

    On nglige lcart entre les caractristiques relle et idale

    Val >0

    Id

    VdVal

    pente=1/Ri

    Val< 0

    Id

    VdVal

    Val

    Ri

    Id

    VdId

    Vd

    pas de tension seuil conducteur parfait sous polarisation directe Vd

  • 17

    2.4.2 Seconde approximation

    Id

    Vd

    IdVd

    tension seuil Vo non nulle caractristique directe verticale

    (pas de rsistance srie) Vd

  • 18

    2.4.3 3ime Approximation

    IdVd

    tension seuil Vo non nulle rsistance directe Rf non nulle Vd Vo :

    Val

    Ri

    Id

    VdVal Rr

    diode bloqueVal M,

  • 19

    Remarques :

    dd

    f IVR

    Le choix du modle dpend de la prcision requise.

    Les effets secondaires (influence de la temprature, non-linarit de la caractristique inverse, .) sont pris en compte par des modles plus volus(modles utiliss dans les simulateurs de circuit de type SPICE).

  • 20

    2.4.4 Calcul du point de fonctionnement via lutilisation des schmas quivalents :

    Problme: le schma dpend de ltat (passante ou bloque) de la diode.

    Dmarche (pour dbutant...):

    a) choisir un schma (ou tat) en vous aidant de la droite de charge

    b) trouver le point de fonctionnement Q de la diode

    c) vrifier la cohrence du rsultat avec lhypothse de dpart

    Sil y a contradiction, il y a eu erreur sur ltat suppos de la diode. Recommencer le calcul avec lautre schma.

    Dmarche pour tudiants confirms...

    Un coup dil attentif suffit pour trouver ltat (passant/bloqu) de la diode !Le calcul de Q se fait tout de suite avec le bon schma quivalent...

  • 21

    Exemple : Calcul de Q du circuit suivant, en utilisant la 3ime approximation pour la diode.

    Val = 5V RL=1k

    >

    5V 1k

    Vo Rf

    Vd

    >Id mA

    RRVVI

    Lfoal

    d 33,4=+=L

    VIRVV dfod 66,0et =+=

    hypothse initiale : diode passante

    Informations sur la diode:Vo = 0.6V ( Si)Rf = 15 Rr =1M

    [Vd >Vo , (Id>0)]

    OK!

    En partant de lhypothse dune diode bloque: Kod VVV > 5

    En utilisant la 2ime approximation: (Rf = 0, Rr = ) VVmAI dd 6,0et 4,4 ==L

    La 2ime approx. est souvent suffisante pour une tude rapide du fonctionnemnt dun circuit

  • 22

    Autres exemples :

    vsortieventre

    R1 = 1k

    Vref=2V

    avec ventre signal basse frquence telque le modle statique restevalable (priode du signal < temps de rponse de la diode pas deffet capacitif ou )

    Etude du signal de sortie en fonction de lamplitude du signal dentre :

    frquence nulle : ventre = Ve (constant)

    2)

    1)

    Val

    50

    1M

    Calcul de Id et Vd

    pour :a)Val = -5Vb) Val =