cours electronique 2011

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 ----------------------------------- ------------- ------------- ------------------------ ------------ -------------------------------------  CHELLY_ Nizar 1 ISET_Zaghouan 1 Physique des semi-conducteurs Physique des semi-conducteur s Chapitre 1 : Physique des semi-conducteurs CHAPITRE 

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1Physique des semi-conducteurs

Physique des semi-conducteurs

Chapitre 1 Physique des semi-conducteurs

CHAPITRE

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2Le mateacuteriau de base

I Le mateacuteriau de baseLe mateacuteriau principalement employeacute actuellement dans la technologie des semi-

conducteurs est le SILICIUM Il est issu du sable que lon purifie Le silicium pur (on

admet apregraves purification 1 atome eacutetranger pour 109

atomes)a une importante

resistance 23 sdot 107

Ωsdotm

En comparaison le cuivre agrave une reacutesistiviteacute de 1710 Ωsdotm On peut donc consideacuterer

silicium pur comme un isolant Sa couche peacuteripheacuterique comprend 4 eacutelectrons ce qui est

en particulier des semi-conducteurs

Le silicium pur (symbole chimique Si) aussi appeleacute agrave conductibiliteacute intrinsegraveque ne

peut ecirctre utiliseacute directement Pour quil devienne conducteur il faut diminuer sa

reacutesistiviteacute Il faut donc faire apparaicirctre des eacutelectrons libres ou des lacunes pour avoir

un terrain propice au passage du courant eacutelectrique

II Le dopageOn va meacutelanger des corps ayant 3 ou 5 eacutelectrons en couche peacuteripheacuterique avec le

silicium Ce meacutelange apregraves fusion donne un alliage avec de nouvelles caracteacuteristiques

II1 Le dopage POn meacutelange au silicium des atomes avec 3 eacutelectrons en couche peacuteripheacuterique (Indium

Gallium Aluminium) A chaque endroit ougrave sest glisseacute un atome trivalent dans

lalliage il manque une liaison cristalline Cette lacune ou ce trou repreacutesente unecharge eacutelectrique positive Un eacutelectron libre (ayant laisseacute un trou en quittant son

orbite) peut combler ce trou Le pheacutenomegravene se repetant on assiste agrave un mouvement

de trous donc agrave un courant eacutelectrique

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3Le dopage

Le cristal de silicium dopeacute de cette maniegravere a nettement baisseacute sa resistiviteacute ( de

l(ordre de 10-3Ωsdotm) Cette baisse est due agrave ladjonction de matiegravere creacuteant des trous

Ces trous repreacutesentent des charges POSITIVES On a obtenu du silicium dopeacute P ou Si P

II2 Le dopage NOn meacutelange au silicium des atomes avec 5 eacutelectrons en couche peacuteripheacuterique

(phosphore arsenic antimoine) Lalliage reacutesultant laisse apparaicirctre 1 eacutelectron libre

pour chaque atome pentavalent dans la structure cristalline Cet eacutelectron est libre

comme dans le cas preacuteceacutedent il abaisse la reacutesistiviteacute du cristal et participe agrave la

conduction eacutelectrique

Le cristal ainsi obtenu sil est soumis agrave une tension va laisser circuler le courant en

fonction de sa reacutesistiviteacute

Les eacutelectrons libres sont attireacutes par le pocircle + Les trous sont attireacutes par le pocircle -

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4La jonction

III La jonction

III1 La jonction eacuteleacutementaireSi lon eacutetablit un contact parfait entre un cristal Si P et un cristal Si N il y a

immeacutediatement mariage entre les eacutelectrons libres de la zone N et les trous de la zone Pet ce sur une largeur de1 microm agrave la zone de contact Les charges eacutelectriques mobiles

sannulent Il reste les charges eacutelectriques des noyaux datomes deacuteseacutequilibreacutes par cette

opeacuteration les atomes sont immobiles Dans la zone de 1 microm on voit apparaicirctre un

potentiel positif du cocircteacute Si N (dominante des protons) et un potentiel neacutegatif du cocircteacute

P (dominante des trous combleacutes)

Cette zone agrave la jonction sappelle BARRIERE DE POTENTIEL Sur une distance de 1microm

il ny a plus de porteurs de charges rArr zone isoleacutee plus de conduction possible Labarriegravere de potentiel repousse les eacutelectrons de la zone N et les trous de la zone P

III2 La jonction polariseacutee en inverse

Le pocircle - de la source attire les trous (+) et le pocircle + attire les eacutelectrons La barriegravere de

potentiel seacutelargit Toute conduction devient impossible le systegraveme est bloqueacute

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5La jonction

III3 La jonction polariseacutee en direct

Le pocircle + de la source attire les eacutelectrons et apporte des trous dans le circuit

Le pocircle - de la source attire les trous et apporte des eacutelectrons dans le circuit

Au fur et agrave mesure que la tension seacutelegraveve la barriegravere de potentiel se reacutetreacutecit Elle

finit par disparaicirctre et le courant peut circuler

On constate dans le silicium

Deacutebut de la conduction vers 05 V (fin barriegravere)

Nette augmentation de la conduction vers 06 V

Conduction admise normale agrave 07 V

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6Chapitre2 Redressement monphaseacute

Chapitre2 Redressement monphaseacute

Redressement monophaseacute

CHAPITRE

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7Objectif

I Objectif Le redressement est la conversion dune tension alternative en une tension continue

On utilise un convertisseur alternatif-continu pour alimenter un reacutecepteur en continu agrave

partir du reacuteseau de distribution alternatif

II La diode

La diode est un dipocircle passif polariseacute

En eacutelectrotechnique la diode est eacutequivalente agrave un interrupteur

unidirectionnel non commandeacute

Symbole

A anode

K cathode

Aspect

Caracteacuteristique drsquoune diode parfaite Remarque

cette caracteacuteristique

parfaite est utiliseacutee pourcomprendre le

fonctionnement de

principe des convertisseurs

statiques en

eacutelectrotechnique Elle ne

convient pas en

eacutelectronique

Nous allons eacutetudier le redressement double alternance avec un pont agrave quatre diodes

(pont de Graeumltz)

On trouve ce montage dans les dappareils eacutelectromeacutenagers chaicircne HiFi ordinateur hellip

Les petits boicirctiers noirs qui deacutelivrent une tension entre 5 et 12 V continue et que lon

branche directement sur le secteur 220 V contiennent un transformateur suivi dun pont

redresseur et dun condensateur de lissage

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8Redressement double alternance

III Redressement double alternance

III1 Principe de fonctionnement

III11 MontagePour comprendre le

fonctionnement drsquoun pont

de Graeumltz on peut le

reacutealiser avec des LED qui

srsquoilluminent lorsqursquoelles

sont traverseacutees par un

courant et un GBF tregraves

basse freacutequence (05 Hz)

Alternance positive Alternance neacutegative Commentaires

Alternance positive v gt 0

Alternance neacutegative v lt 0

En suivant le sens de

parcours du courant on voit

les led qui sont allumeacutees et celles qui sont eacuteteintes

On constate

- en entreacutee les led

srsquoallument

alternativement

- dans le pont elles

fonctionnement

alternativement par paires

- en sortie seul la led rouge

est allumeacutee

Scheacutemas eacutequivalents

sur ces scheacutemas les

branches dans lesquelles il

nrsquoy a pas de courant ont eacuteteacute

supprimeacutees

Loi des mailles v = u

v gt 0

u gt 0

Loi des mailles v = -u

v lt 0

u gt 0

On constate que la tension

u de sortie reste toujours

positive

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9Redressement double alternance

III2 Pont de Graeumltz

III21 Scheacutema

Le pont de Graeumltz est constitueacute

de 4 diodesDans lrsquoeacutetude de ce chapitre les

diodes sont supposeacutees parfaites

et donc assimileacutees agrave des

interrupteurs

v est la tension drsquoentreacutee du

pont

u est la tension de sortie

R est la charge reacutesistive4

III22 Analyse du fonctionnement

Alternance positive

D1 et D3 sont passantes uD1 = 0 et uD3 = 0

(interrupteurs fermeacutes)

Loi des mailles v - uD1 ndash u ndash uD3 = 0

v ndash u = 0

u = v gt 0

Loi des noeuds

Alternance neacutegative

D2 et D4 sont passantes uD2 = 0 et uD4 = 0(interrupteurs fermeacutes)

Loi des mailles v + uD2 + u + uD3 = 0

v + u = 0

u = -v gt 0

Loi des noeuds

Loi des mailles pour D1 uD1 + uD4 + u = 0

uD1 = -u = v lt0

III3 Grandeurs caracteacuteristiques

bullPeacuteriode

bullValeurs instantaneacutees

i i D1 j u

R

i j u

R

T T

2 10 ms f 2 f 100 Hz

u V sin( t ) i V

Rsin( t )

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10Filtrage par condensateur lissage de la tension

bullValeurs moyennes

Pour trouver ce reacutesultat il faut inteacutegrer

La valeur moyenne se mesure avec un voltmegravetre numeacuterique sur la position DC

(continue =)

bull Valeurs efficaces

Pour trouver ce reacutesultat il faut inteacutegrer

- un voltmegravetre numeacuterique dit RMS capable de mesurer la valeur efficace drsquoune tension

de forme quelconque RMS Root (racine carreacute) Mean (valeur moyenne) Square (carreacute)

Ce qui veut dire que lrsquoappareil mesure la vraie valeur efficace en utilisant sa deacutefinit ion

matheacutematique

bullPuissance absorbeacutee par la charge

IV Filtrage par condensateur lissage de la tensionOn place en parallegravele avec la charge un condensateur de capaciteacute C

Avantages

On constate que la preacutesence dun

condensateur diminue londulation ∆u de la

tension redresseacutee

avec et

u 2V

i

u

R2V

R

u 1

T

V sin0

T

( t )dt

U V

2 V I

U

R

V

R 2

U 2

1

T

V 2

0

T

sin2( t )dt

U u2

P RI 2 U 2

RV 2

R

u U U U U max

U U min

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11Deacutebit sur charge active R E

La valeur moyenne ltugt est augmenteacutee Elle se

rapproche de

Inconveacutenients

Lapparition de pointes de courant fait que le

transformateur et les diodes fonctionnent

dans de mauvaises conditions

Pour cette raison ce mode de fonctionnement

nest utiliseacute quavec des montages fournissant

des courants faibles tels que le petit

eacutelectromeacutenager

Remarque si la capaciteacute du condensateur est

suffisante (RCgtgtT) londulation ∆u devient neacutegligeable et

V Deacutebit sur charge active R EConsideacuterons une charge RE Il peut srsquoagir par exemple drsquoun moteur courant continu ou

drsquoune batterie recharger Observons lrsquooscilloscope le courant i et la tension u

Loi des mailles

Analyse du la loi des mailles

Si u lt E0 nous trouvons i lt 0 Cette situation est impossible car les diodes se bloquent

Finalement

si u gt E0 alors les diodes conduisent (i gt 0)

si u lt E0 alors les diodes sont bloqueacutees ce qui entraicircne i = 0

V

u V

u E 0 Ri i u E 0 R

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12Exemple drsquoapplication du redressement

Exemple drsquoapplication du redressement

bull Reacutealisation drsquoune alimentation continue stabiliseacutee avec un transformateur un pont de

diode et un condensateur de lissage de la tension et reacutegulateur inteacutegreacute

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CHELLY_ Nizar 13 ISET_Zaghouan

13Chapitre 3 Les transistors bipolaires

Chapitre 3 Les transistors bipolaires

CHAPITRE

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CHELLY_ Nizar 14 ISET_Zaghouan

14Introduction

I Introduction

En eacutelectronique un tel composant est inteacuteressant car il va permettre damplifier un signal et

de commander des actionneurs requeacuterant de la puissance (haut parleurs moteurs etc ) avec

des signaux de faible niveau issus de capteurs (microphone sonde de tempeacuterature depression )

Le transistor agrave jonction va permettre de remplir (entre autres) cette fonction en eacutelectronique

II Principe et caracteacuteristique

II1 Introduction agrave leffet transistor

Nous avons deacutejagrave vu agrave propos de la diode que si celle-ci est polariseacutee en inverse les porteurs

minoritaires (eacutelectrons de la zone P et trous de la zone N creacuteeacutes par lagitation thermique)traversent sans problegravemes la jonction et sont acceacuteleacutereacutes par le champ exteacuterieur

On a vu aussi que lorsque les porteurs majoritaires dune zone franchissent la jonction ils

deviennent minoritaires dans lautre zone et quils mettent un certain temps agrave se recombineravec les porteurs opposeacutes

Partant des deux remarques preacuteceacutedentes on peut deacuteduire que si on injecte dans la zone N

dune jonction NP polariseacutee en inverse beaucoup de trous (qui seront dans cette zone des

porteurs minoritaires) en faisant en sorte quils ne se recombinent pas avec les eacutelectrons de

la zone N ils vont traverser la jonction et creacuteer un courant dans le circuit exteacuterieur

Fig 1 Injection de trous dans une zone N

La figure 1 illustre ce propos il y aura des recombinaisons (charges + et - encercleacutees) mais

limiteacutees et la plupart des trous iront dans la zone P et formeront le courant I2 A noter que les

recombinaisons correspondent au courant I1-I2

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CHELLY_ Nizar 15 ISET_Zaghouan

15Principe et caracteacuteristique

II2 Le transistor reacuteel

Ce que nous venons de deacutecrire nest ni plus ni moins que leffet transistor il ne manque que

le moyen dinjecter des trous dans la zone N et de faire en sorte que les recombinaisons

soient faibles pour que la majoriteacute des trous passent dans la zone P

II21 Principe de fonctionnement

Dans le transistor reacuteel on va apporter les trous en creacuteant une jonction PN que lon va

polariser en direct On rajoute pour ce faire une zone P sur la zone N du montage Fig 1 Cette

zone P qui injecte les trous est alors leacutemetteur et la zone N faiblement dopeacutee est la base

Comme dans le scheacutema de la Fig 1 la jonction NP est polariseacutee en inverse La deuxiegraveme zone

P est le collecteur (voir Fig 2)

Fig 2 Scheacutema de principe dun transistor

Les trous injecteacutes dans la base par leacutemetteur ont une faible probabiliteacute de se recombiner

avec les eacutelectrons de la base pour deux raisons

- la base est faiblement dopeacutee donc les porteurs majoritaires (eacutelectrons) seront peu

nombreux

- la base est eacutetroite et donc les trous eacutemis sont happeacutes par le champ eacutelectrique collecteur-

base avant davoir pu se recombiner (la largeur de la base est petite devant la longueur de

diffusion des porteurs minoritaires injecteacutes par leacutemetteur qui sont ici les trous)

On peut observer le pheacutenomegravene dun point de vue diffeacuterent quand on injecte un eacutelectron

dans la base leacutemetteur devra envoyer plusieurs trous dans la base pour quil y en ait un qui

se recombine avec leacutelectron eacutemis Les autres trous vont passer directement dans lecollecteur

En premiegravere approximation le nombre de trous passant dans le collecteur est proportionnelau nombre deacutelectrons injecteacutes dans la base

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CHELLY_ Nizar 16 ISET_Zaghouan

16Principe et caracteacuteristique

Ce rapport de proportionnaliteacute est un paramegravetre intrinsegraveque au transistor et sappelle le gain

en courant

Il ne deacutepend que des caracteacuteristiques physiques du transistor il ne deacutepend ni de la tension

inverse collecteur base ni du courant circulant dans le collecteur (ceci nest quune

approximation mais dans les hypothegraveses de petits signaux cest assez bien veacuterifieacute)

On a les relations suivantes

= (13) = ( + 1) (23) = minus (33)

II22 Constitution et caracteacuteristiques physiques dun transistor

Un transistor bipolaire est donc constitueacute de trois zones de silicium alternativement dopeacutees N

et P formant deux jonctions PN

Le transistor deacutecrit au paragraphe preacuteceacutedent comporte deux zones P et une zone N Cest une

des deux faccedilons dagencer les jonctions pour fabriquer un transistor

- soit une zone P une N et une P le transistor est dit PNP

- soit une zone N une P et une N le transistor est dit NPN

Dans les deux cas la zone centrale (base) est tregraves eacutetroite vis agrave vis de la longueur de diffusiondes porteurs minoritaires issus de la zone adjacente (leacutemetteur)

La base possegravede en outre la caracteacuteristique decirctre tregraves faiblement dopeacutee en comparaison de

leacutemetteur

II3 Symboles tensions et courants

Dans le symbole du transistor (figures 3 et 4) une flegraveche deacutesigne leacutemetteur ainsi que le sensde circulation du courant deacutemetteur cest le sens de cette flegraveche qui va repeacuterer le type de

transistor NPN pour un courant deacutemetteur sortant du transistor et PNP dans le cas inverse

La base est repreacutesenteacutee par une barre parallegravele agrave laxe collecteur-eacutemetteur Dautres

symboles existent mais celui-ci est le plus usiteacute

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CHELLY_ Nizar 17 ISET_Zaghouan

17Caracteacuteristiques eacutelectriques

Les transistors sont des composants polariseacutes les courants indiqueacutes sont les seuls possibles

pour un fonctionnement correct En conseacutequence il faudra choisir le type de transistor

adapteacute au besoin (NPN ou PNP) et faire attention au sens de branchement

Transistor NPN

Fig 3 Courants et tensions sur un NPN

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont rentrants et le courant deacutemetteur est sortant Les tensions VBE et VCE sont ici positives

Transistor PNP

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont sortants et le courant

deacutemetteur est rentrant Les tensions VBE et VCE sont ici neacutegatives

Fig 4 Courants et tensions sur un PNP

III Caracteacuteristiques eacutelectriques

Pour ce paragraphe nous allons eacutetudier les caracteacuteristiques des transistors NPN Celles destransistors PNP sont les mecircmes aux reacuteserves de signes deacutecrites au paragraphe preacuteceacutedent

III1 Montages de base

Quand on branche un transistor si on sarrange pour quil y ait une patte commune agrave lentreacuteeet agrave la sortie du montage il y a 3 maniegraveres fondamentales de proceacuteder

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CHELLY_ Nizar 18 ISET_Zaghouan

18Caracteacuteristiques eacutelectriques

- la patte commune est leacutemetteur on parle de montage eacutemetteur commun Lentreacutee est la

base et la sortie le collecteur

- La patte commune est la base on parle de montage base commune Lentreacutee est leacutemetteur

et la sortie le collecteur

- La patte commune est le collecteur on parle de montage collecteur commun Lentreacutee est labase et la sortie leacutemetteur

III2 Scheacutema de mesure des caracteacuteristiques

Les caracteacuteristiques qui suivent sont donneacutees pour un montage eacutemetteur commun Le

scheacutema le plus simple est le suivant

Fig 5 Montage de base eacutemetteur commun

Dans ce scheacutema la base est polariseacutee en direct par la reacutesistance de base R b le potentiel de la

base est alors de 07V environ car leacutemetteur est agrave la masse et la jonction base eacutemetteur est

leacutequivalent dune diode passante

Le collecteur est lui polariseacute par la reacutesistance de collecteur Rc de telle maniegravere que la tension

du collecteur soit supeacuterieure agrave la tension de la base la jonction base collecteur est alors

polariseacutee en inverse

On polarise donc convenablement le transistor avec une simple alimentation et deux

reacutesistances Dans ce montage lentreacutee est la base et la sortie est le collecteur

Lentreacutee est caracteacuteriseacutee par les deux grandeurs IB et VBE et la sortie par les grandeurs IC et VCE soit 4 variables

III21 Caracteacuteristique dentreacutee

La caracteacuteristique dentreacutee du transistor est donneacutee par la relation IB = f (VBE) VCE = cte

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CHELLY_ Nizar 19 ISET_Zaghouan

19Caracteacuteristiques eacutelectriques

En fait le circuit dentreacutee est la jonction base eacutemetteur du transistor soit une jonction diode

Cette caracteacuteristique va deacutependre tregraves peu de la tension collecteur eacutemetteur on la donne engeacuteneacuteral pour une seule valeur de VCE La courbe est la suivante

Fig 6 Caracteacuteristique dentreacutee du transistor

La tension VBE est denviron 07V pour une polarisation normale du transistor (courant de

base infeacuterieur au mA) Cette valeur est donc leacutegegraverement supeacuterieure agrave celle dune jonction de

diode

III22 Caracteacuteristique de transfert

La caracteacuteristique de transfert est deacutefinie par la relation IC = f (IB) VCE = cte

Nous avons deacutejagrave dit que le courant deacutemetteur est proportionnel au courant de base

Fig 7 Caracteacuteristique de transfert du transistor

La caracteacuteristique de transfert est donc une droite le transistor est un geacuteneacuterateur de courant

commandeacute par un courant

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CHELLY_ Nizar 20 ISET_Zaghouan

20Caracteacuteristiques eacutelectriques

Si on considegravere le courant de fuite ICEO la caracteacuteristique ne passe pas par lorigine car IC =

ICEO pour IB = 0

Le β du transistor va varier grandement en fonction du type de transistor 5 agrave 10 pour des

transistors de grosse puissance 30 agrave 80 pour des transistors de moyenne puissance et de

100 agrave 500 pour des transistors de signal

III23 Caracteacuteristique de sortie

La caracteacuteristique de sortie du transistor est deacutefinie par la relation IC = f (VCE) IB = cte En

pratique on donne un reacuteseau de caracteacuteristiques pour plusieurs valeurs de IB

Fig 8 Caracteacuteristiques de sortie du transistor

Sur ces caracteacuteristiques (Fig 8) on distingue deux zones

- une zone importante ougrave le courant IC deacutepend tregraves peu de VCE agrave IB donneacute cette

caracteacuteristique est celle dun geacuteneacuterateur de courant agrave reacutesistance interne utiliseacute en reacutecepteur

Dans le cas des transistors petits signaux cette reacutesistance est tregraves grande en premiegravere

approche on consideacuterera que la sortie de ce montage agrave transistor est un geacuteneacuterateur de

courant parfait

- La zone des faibles tensions VCE (0 agrave quelques volts en fonction du transistor) est diffeacuterente

Cest la zone de saturation Quand la tension collecteur-eacutemetteur diminue pour devenir tregraves

faible la jonction collecteur-base cesse decirctre polariseacutee en inverse et leffet transistor deacutecroicirct

alors tregraves rapidement A la limite la jonction collecteur-base devient aussi polariseacutee endirect on na plus un transistor mais leacutequivalent de deux diodes en parallegravele On a une

caracteacuteristique ohmique deacutetermineacutee principalement par la reacutesistiviteacute du silicium du

collecteur Les tensions de saturation sont toujours deacutefinies agrave un courant collecteur donneacute

elles varient de 50mV pour des transistors de signal agrave des courants denviron 10mA agrave 500mV

pour les mecircmes transistors utiliseacutes au maximum de leurs possibiliteacutes (100 agrave 300 mA) et

atteignent 1 agrave 3V pour des transistors de puissance agrave des courants de lordre de 10A

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CHELLY_ Nizar 21 ISET_Zaghouan

21Montage de base

En bref

Ce quil faut retenir dessentiel dans le transistor cest que cest un amplificateur de

courant

Cest un geacuteneacuterateur de (fort) courant (en sortie) piloteacute par un (faible) courant (en

entreacutee)

IV Montage de base

IV1 Preacuteliminaire

IV11 Mise en œuvre du transistor

On a vu que le transistor eacutetait un amplificateur de courant on va donc lutiliser pour

amplifier des signaux issus de sources diverses

Il va falloir pour cela mettre en œuvre tout un montage autour du transistor pour plusieurs

raisons

Alimentation

Le transistor tout en eacutetant classifieacute dans les composants actifs ne fournit pas deacutenergie il

faudra donc que cette eacutenergie vienne de quelque part Cest le rocircle de lalimentation qui va

servir agrave apporter les tensions de polarisation et leacutenergie que le montage sera susceptible de

fournir en sortie

Polarisation

Le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens il va donc falloir le polariser

pour pouvoir y faire passer du courant alternatif cest agrave dire superposer au courant alternatif

un courant continu suffisamment grand pour que le courant total (continu + alternatif)

circule toujours dans le mecircme sens Il faudra en plus que la composante alternative du

courant soit suffisamment petite devant la composante continue pour que la lineacutearisation

faite dans le cadre de lhypothegravese des petits signaux soit justifieacutee

Conversion couranttension

Le transistor est un geacuteneacuterateur de courant Comme il est plus commode de manipuler des

tensions il va falloir convertir ces courants en tensions on va le faire simplement en mettant

des reacutesistances dans des endroits judicieusement choisis du montage

Liaisons

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 2: cours electronique 2011

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2Le mateacuteriau de base

I Le mateacuteriau de baseLe mateacuteriau principalement employeacute actuellement dans la technologie des semi-

conducteurs est le SILICIUM Il est issu du sable que lon purifie Le silicium pur (on

admet apregraves purification 1 atome eacutetranger pour 109

atomes)a une importante

resistance 23 sdot 107

Ωsdotm

En comparaison le cuivre agrave une reacutesistiviteacute de 1710 Ωsdotm On peut donc consideacuterer

silicium pur comme un isolant Sa couche peacuteripheacuterique comprend 4 eacutelectrons ce qui est

en particulier des semi-conducteurs

Le silicium pur (symbole chimique Si) aussi appeleacute agrave conductibiliteacute intrinsegraveque ne

peut ecirctre utiliseacute directement Pour quil devienne conducteur il faut diminuer sa

reacutesistiviteacute Il faut donc faire apparaicirctre des eacutelectrons libres ou des lacunes pour avoir

un terrain propice au passage du courant eacutelectrique

II Le dopageOn va meacutelanger des corps ayant 3 ou 5 eacutelectrons en couche peacuteripheacuterique avec le

silicium Ce meacutelange apregraves fusion donne un alliage avec de nouvelles caracteacuteristiques

II1 Le dopage POn meacutelange au silicium des atomes avec 3 eacutelectrons en couche peacuteripheacuterique (Indium

Gallium Aluminium) A chaque endroit ougrave sest glisseacute un atome trivalent dans

lalliage il manque une liaison cristalline Cette lacune ou ce trou repreacutesente unecharge eacutelectrique positive Un eacutelectron libre (ayant laisseacute un trou en quittant son

orbite) peut combler ce trou Le pheacutenomegravene se repetant on assiste agrave un mouvement

de trous donc agrave un courant eacutelectrique

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3Le dopage

Le cristal de silicium dopeacute de cette maniegravere a nettement baisseacute sa resistiviteacute ( de

l(ordre de 10-3Ωsdotm) Cette baisse est due agrave ladjonction de matiegravere creacuteant des trous

Ces trous repreacutesentent des charges POSITIVES On a obtenu du silicium dopeacute P ou Si P

II2 Le dopage NOn meacutelange au silicium des atomes avec 5 eacutelectrons en couche peacuteripheacuterique

(phosphore arsenic antimoine) Lalliage reacutesultant laisse apparaicirctre 1 eacutelectron libre

pour chaque atome pentavalent dans la structure cristalline Cet eacutelectron est libre

comme dans le cas preacuteceacutedent il abaisse la reacutesistiviteacute du cristal et participe agrave la

conduction eacutelectrique

Le cristal ainsi obtenu sil est soumis agrave une tension va laisser circuler le courant en

fonction de sa reacutesistiviteacute

Les eacutelectrons libres sont attireacutes par le pocircle + Les trous sont attireacutes par le pocircle -

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4La jonction

III La jonction

III1 La jonction eacuteleacutementaireSi lon eacutetablit un contact parfait entre un cristal Si P et un cristal Si N il y a

immeacutediatement mariage entre les eacutelectrons libres de la zone N et les trous de la zone Pet ce sur une largeur de1 microm agrave la zone de contact Les charges eacutelectriques mobiles

sannulent Il reste les charges eacutelectriques des noyaux datomes deacuteseacutequilibreacutes par cette

opeacuteration les atomes sont immobiles Dans la zone de 1 microm on voit apparaicirctre un

potentiel positif du cocircteacute Si N (dominante des protons) et un potentiel neacutegatif du cocircteacute

P (dominante des trous combleacutes)

Cette zone agrave la jonction sappelle BARRIERE DE POTENTIEL Sur une distance de 1microm

il ny a plus de porteurs de charges rArr zone isoleacutee plus de conduction possible Labarriegravere de potentiel repousse les eacutelectrons de la zone N et les trous de la zone P

III2 La jonction polariseacutee en inverse

Le pocircle - de la source attire les trous (+) et le pocircle + attire les eacutelectrons La barriegravere de

potentiel seacutelargit Toute conduction devient impossible le systegraveme est bloqueacute

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5La jonction

III3 La jonction polariseacutee en direct

Le pocircle + de la source attire les eacutelectrons et apporte des trous dans le circuit

Le pocircle - de la source attire les trous et apporte des eacutelectrons dans le circuit

Au fur et agrave mesure que la tension seacutelegraveve la barriegravere de potentiel se reacutetreacutecit Elle

finit par disparaicirctre et le courant peut circuler

On constate dans le silicium

Deacutebut de la conduction vers 05 V (fin barriegravere)

Nette augmentation de la conduction vers 06 V

Conduction admise normale agrave 07 V

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6Chapitre2 Redressement monphaseacute

Chapitre2 Redressement monphaseacute

Redressement monophaseacute

CHAPITRE

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7Objectif

I Objectif Le redressement est la conversion dune tension alternative en une tension continue

On utilise un convertisseur alternatif-continu pour alimenter un reacutecepteur en continu agrave

partir du reacuteseau de distribution alternatif

II La diode

La diode est un dipocircle passif polariseacute

En eacutelectrotechnique la diode est eacutequivalente agrave un interrupteur

unidirectionnel non commandeacute

Symbole

A anode

K cathode

Aspect

Caracteacuteristique drsquoune diode parfaite Remarque

cette caracteacuteristique

parfaite est utiliseacutee pourcomprendre le

fonctionnement de

principe des convertisseurs

statiques en

eacutelectrotechnique Elle ne

convient pas en

eacutelectronique

Nous allons eacutetudier le redressement double alternance avec un pont agrave quatre diodes

(pont de Graeumltz)

On trouve ce montage dans les dappareils eacutelectromeacutenagers chaicircne HiFi ordinateur hellip

Les petits boicirctiers noirs qui deacutelivrent une tension entre 5 et 12 V continue et que lon

branche directement sur le secteur 220 V contiennent un transformateur suivi dun pont

redresseur et dun condensateur de lissage

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8Redressement double alternance

III Redressement double alternance

III1 Principe de fonctionnement

III11 MontagePour comprendre le

fonctionnement drsquoun pont

de Graeumltz on peut le

reacutealiser avec des LED qui

srsquoilluminent lorsqursquoelles

sont traverseacutees par un

courant et un GBF tregraves

basse freacutequence (05 Hz)

Alternance positive Alternance neacutegative Commentaires

Alternance positive v gt 0

Alternance neacutegative v lt 0

En suivant le sens de

parcours du courant on voit

les led qui sont allumeacutees et celles qui sont eacuteteintes

On constate

- en entreacutee les led

srsquoallument

alternativement

- dans le pont elles

fonctionnement

alternativement par paires

- en sortie seul la led rouge

est allumeacutee

Scheacutemas eacutequivalents

sur ces scheacutemas les

branches dans lesquelles il

nrsquoy a pas de courant ont eacuteteacute

supprimeacutees

Loi des mailles v = u

v gt 0

u gt 0

Loi des mailles v = -u

v lt 0

u gt 0

On constate que la tension

u de sortie reste toujours

positive

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9Redressement double alternance

III2 Pont de Graeumltz

III21 Scheacutema

Le pont de Graeumltz est constitueacute

de 4 diodesDans lrsquoeacutetude de ce chapitre les

diodes sont supposeacutees parfaites

et donc assimileacutees agrave des

interrupteurs

v est la tension drsquoentreacutee du

pont

u est la tension de sortie

R est la charge reacutesistive4

III22 Analyse du fonctionnement

Alternance positive

D1 et D3 sont passantes uD1 = 0 et uD3 = 0

(interrupteurs fermeacutes)

Loi des mailles v - uD1 ndash u ndash uD3 = 0

v ndash u = 0

u = v gt 0

Loi des noeuds

Alternance neacutegative

D2 et D4 sont passantes uD2 = 0 et uD4 = 0(interrupteurs fermeacutes)

Loi des mailles v + uD2 + u + uD3 = 0

v + u = 0

u = -v gt 0

Loi des noeuds

Loi des mailles pour D1 uD1 + uD4 + u = 0

uD1 = -u = v lt0

III3 Grandeurs caracteacuteristiques

bullPeacuteriode

bullValeurs instantaneacutees

i i D1 j u

R

i j u

R

T T

2 10 ms f 2 f 100 Hz

u V sin( t ) i V

Rsin( t )

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10Filtrage par condensateur lissage de la tension

bullValeurs moyennes

Pour trouver ce reacutesultat il faut inteacutegrer

La valeur moyenne se mesure avec un voltmegravetre numeacuterique sur la position DC

(continue =)

bull Valeurs efficaces

Pour trouver ce reacutesultat il faut inteacutegrer

- un voltmegravetre numeacuterique dit RMS capable de mesurer la valeur efficace drsquoune tension

de forme quelconque RMS Root (racine carreacute) Mean (valeur moyenne) Square (carreacute)

Ce qui veut dire que lrsquoappareil mesure la vraie valeur efficace en utilisant sa deacutefinit ion

matheacutematique

bullPuissance absorbeacutee par la charge

IV Filtrage par condensateur lissage de la tensionOn place en parallegravele avec la charge un condensateur de capaciteacute C

Avantages

On constate que la preacutesence dun

condensateur diminue londulation ∆u de la

tension redresseacutee

avec et

u 2V

i

u

R2V

R

u 1

T

V sin0

T

( t )dt

U V

2 V I

U

R

V

R 2

U 2

1

T

V 2

0

T

sin2( t )dt

U u2

P RI 2 U 2

RV 2

R

u U U U U max

U U min

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11Deacutebit sur charge active R E

La valeur moyenne ltugt est augmenteacutee Elle se

rapproche de

Inconveacutenients

Lapparition de pointes de courant fait que le

transformateur et les diodes fonctionnent

dans de mauvaises conditions

Pour cette raison ce mode de fonctionnement

nest utiliseacute quavec des montages fournissant

des courants faibles tels que le petit

eacutelectromeacutenager

Remarque si la capaciteacute du condensateur est

suffisante (RCgtgtT) londulation ∆u devient neacutegligeable et

V Deacutebit sur charge active R EConsideacuterons une charge RE Il peut srsquoagir par exemple drsquoun moteur courant continu ou

drsquoune batterie recharger Observons lrsquooscilloscope le courant i et la tension u

Loi des mailles

Analyse du la loi des mailles

Si u lt E0 nous trouvons i lt 0 Cette situation est impossible car les diodes se bloquent

Finalement

si u gt E0 alors les diodes conduisent (i gt 0)

si u lt E0 alors les diodes sont bloqueacutees ce qui entraicircne i = 0

V

u V

u E 0 Ri i u E 0 R

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12Exemple drsquoapplication du redressement

Exemple drsquoapplication du redressement

bull Reacutealisation drsquoune alimentation continue stabiliseacutee avec un transformateur un pont de

diode et un condensateur de lissage de la tension et reacutegulateur inteacutegreacute

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CHELLY_ Nizar 13 ISET_Zaghouan

13Chapitre 3 Les transistors bipolaires

Chapitre 3 Les transistors bipolaires

CHAPITRE

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CHELLY_ Nizar 14 ISET_Zaghouan

14Introduction

I Introduction

En eacutelectronique un tel composant est inteacuteressant car il va permettre damplifier un signal et

de commander des actionneurs requeacuterant de la puissance (haut parleurs moteurs etc ) avec

des signaux de faible niveau issus de capteurs (microphone sonde de tempeacuterature depression )

Le transistor agrave jonction va permettre de remplir (entre autres) cette fonction en eacutelectronique

II Principe et caracteacuteristique

II1 Introduction agrave leffet transistor

Nous avons deacutejagrave vu agrave propos de la diode que si celle-ci est polariseacutee en inverse les porteurs

minoritaires (eacutelectrons de la zone P et trous de la zone N creacuteeacutes par lagitation thermique)traversent sans problegravemes la jonction et sont acceacuteleacutereacutes par le champ exteacuterieur

On a vu aussi que lorsque les porteurs majoritaires dune zone franchissent la jonction ils

deviennent minoritaires dans lautre zone et quils mettent un certain temps agrave se recombineravec les porteurs opposeacutes

Partant des deux remarques preacuteceacutedentes on peut deacuteduire que si on injecte dans la zone N

dune jonction NP polariseacutee en inverse beaucoup de trous (qui seront dans cette zone des

porteurs minoritaires) en faisant en sorte quils ne se recombinent pas avec les eacutelectrons de

la zone N ils vont traverser la jonction et creacuteer un courant dans le circuit exteacuterieur

Fig 1 Injection de trous dans une zone N

La figure 1 illustre ce propos il y aura des recombinaisons (charges + et - encercleacutees) mais

limiteacutees et la plupart des trous iront dans la zone P et formeront le courant I2 A noter que les

recombinaisons correspondent au courant I1-I2

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CHELLY_ Nizar 15 ISET_Zaghouan

15Principe et caracteacuteristique

II2 Le transistor reacuteel

Ce que nous venons de deacutecrire nest ni plus ni moins que leffet transistor il ne manque que

le moyen dinjecter des trous dans la zone N et de faire en sorte que les recombinaisons

soient faibles pour que la majoriteacute des trous passent dans la zone P

II21 Principe de fonctionnement

Dans le transistor reacuteel on va apporter les trous en creacuteant une jonction PN que lon va

polariser en direct On rajoute pour ce faire une zone P sur la zone N du montage Fig 1 Cette

zone P qui injecte les trous est alors leacutemetteur et la zone N faiblement dopeacutee est la base

Comme dans le scheacutema de la Fig 1 la jonction NP est polariseacutee en inverse La deuxiegraveme zone

P est le collecteur (voir Fig 2)

Fig 2 Scheacutema de principe dun transistor

Les trous injecteacutes dans la base par leacutemetteur ont une faible probabiliteacute de se recombiner

avec les eacutelectrons de la base pour deux raisons

- la base est faiblement dopeacutee donc les porteurs majoritaires (eacutelectrons) seront peu

nombreux

- la base est eacutetroite et donc les trous eacutemis sont happeacutes par le champ eacutelectrique collecteur-

base avant davoir pu se recombiner (la largeur de la base est petite devant la longueur de

diffusion des porteurs minoritaires injecteacutes par leacutemetteur qui sont ici les trous)

On peut observer le pheacutenomegravene dun point de vue diffeacuterent quand on injecte un eacutelectron

dans la base leacutemetteur devra envoyer plusieurs trous dans la base pour quil y en ait un qui

se recombine avec leacutelectron eacutemis Les autres trous vont passer directement dans lecollecteur

En premiegravere approximation le nombre de trous passant dans le collecteur est proportionnelau nombre deacutelectrons injecteacutes dans la base

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CHELLY_ Nizar 16 ISET_Zaghouan

16Principe et caracteacuteristique

Ce rapport de proportionnaliteacute est un paramegravetre intrinsegraveque au transistor et sappelle le gain

en courant

Il ne deacutepend que des caracteacuteristiques physiques du transistor il ne deacutepend ni de la tension

inverse collecteur base ni du courant circulant dans le collecteur (ceci nest quune

approximation mais dans les hypothegraveses de petits signaux cest assez bien veacuterifieacute)

On a les relations suivantes

= (13) = ( + 1) (23) = minus (33)

II22 Constitution et caracteacuteristiques physiques dun transistor

Un transistor bipolaire est donc constitueacute de trois zones de silicium alternativement dopeacutees N

et P formant deux jonctions PN

Le transistor deacutecrit au paragraphe preacuteceacutedent comporte deux zones P et une zone N Cest une

des deux faccedilons dagencer les jonctions pour fabriquer un transistor

- soit une zone P une N et une P le transistor est dit PNP

- soit une zone N une P et une N le transistor est dit NPN

Dans les deux cas la zone centrale (base) est tregraves eacutetroite vis agrave vis de la longueur de diffusiondes porteurs minoritaires issus de la zone adjacente (leacutemetteur)

La base possegravede en outre la caracteacuteristique decirctre tregraves faiblement dopeacutee en comparaison de

leacutemetteur

II3 Symboles tensions et courants

Dans le symbole du transistor (figures 3 et 4) une flegraveche deacutesigne leacutemetteur ainsi que le sensde circulation du courant deacutemetteur cest le sens de cette flegraveche qui va repeacuterer le type de

transistor NPN pour un courant deacutemetteur sortant du transistor et PNP dans le cas inverse

La base est repreacutesenteacutee par une barre parallegravele agrave laxe collecteur-eacutemetteur Dautres

symboles existent mais celui-ci est le plus usiteacute

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CHELLY_ Nizar 17 ISET_Zaghouan

17Caracteacuteristiques eacutelectriques

Les transistors sont des composants polariseacutes les courants indiqueacutes sont les seuls possibles

pour un fonctionnement correct En conseacutequence il faudra choisir le type de transistor

adapteacute au besoin (NPN ou PNP) et faire attention au sens de branchement

Transistor NPN

Fig 3 Courants et tensions sur un NPN

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont rentrants et le courant deacutemetteur est sortant Les tensions VBE et VCE sont ici positives

Transistor PNP

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont sortants et le courant

deacutemetteur est rentrant Les tensions VBE et VCE sont ici neacutegatives

Fig 4 Courants et tensions sur un PNP

III Caracteacuteristiques eacutelectriques

Pour ce paragraphe nous allons eacutetudier les caracteacuteristiques des transistors NPN Celles destransistors PNP sont les mecircmes aux reacuteserves de signes deacutecrites au paragraphe preacuteceacutedent

III1 Montages de base

Quand on branche un transistor si on sarrange pour quil y ait une patte commune agrave lentreacuteeet agrave la sortie du montage il y a 3 maniegraveres fondamentales de proceacuteder

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CHELLY_ Nizar 18 ISET_Zaghouan

18Caracteacuteristiques eacutelectriques

- la patte commune est leacutemetteur on parle de montage eacutemetteur commun Lentreacutee est la

base et la sortie le collecteur

- La patte commune est la base on parle de montage base commune Lentreacutee est leacutemetteur

et la sortie le collecteur

- La patte commune est le collecteur on parle de montage collecteur commun Lentreacutee est labase et la sortie leacutemetteur

III2 Scheacutema de mesure des caracteacuteristiques

Les caracteacuteristiques qui suivent sont donneacutees pour un montage eacutemetteur commun Le

scheacutema le plus simple est le suivant

Fig 5 Montage de base eacutemetteur commun

Dans ce scheacutema la base est polariseacutee en direct par la reacutesistance de base R b le potentiel de la

base est alors de 07V environ car leacutemetteur est agrave la masse et la jonction base eacutemetteur est

leacutequivalent dune diode passante

Le collecteur est lui polariseacute par la reacutesistance de collecteur Rc de telle maniegravere que la tension

du collecteur soit supeacuterieure agrave la tension de la base la jonction base collecteur est alors

polariseacutee en inverse

On polarise donc convenablement le transistor avec une simple alimentation et deux

reacutesistances Dans ce montage lentreacutee est la base et la sortie est le collecteur

Lentreacutee est caracteacuteriseacutee par les deux grandeurs IB et VBE et la sortie par les grandeurs IC et VCE soit 4 variables

III21 Caracteacuteristique dentreacutee

La caracteacuteristique dentreacutee du transistor est donneacutee par la relation IB = f (VBE) VCE = cte

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CHELLY_ Nizar 19 ISET_Zaghouan

19Caracteacuteristiques eacutelectriques

En fait le circuit dentreacutee est la jonction base eacutemetteur du transistor soit une jonction diode

Cette caracteacuteristique va deacutependre tregraves peu de la tension collecteur eacutemetteur on la donne engeacuteneacuteral pour une seule valeur de VCE La courbe est la suivante

Fig 6 Caracteacuteristique dentreacutee du transistor

La tension VBE est denviron 07V pour une polarisation normale du transistor (courant de

base infeacuterieur au mA) Cette valeur est donc leacutegegraverement supeacuterieure agrave celle dune jonction de

diode

III22 Caracteacuteristique de transfert

La caracteacuteristique de transfert est deacutefinie par la relation IC = f (IB) VCE = cte

Nous avons deacutejagrave dit que le courant deacutemetteur est proportionnel au courant de base

Fig 7 Caracteacuteristique de transfert du transistor

La caracteacuteristique de transfert est donc une droite le transistor est un geacuteneacuterateur de courant

commandeacute par un courant

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CHELLY_ Nizar 20 ISET_Zaghouan

20Caracteacuteristiques eacutelectriques

Si on considegravere le courant de fuite ICEO la caracteacuteristique ne passe pas par lorigine car IC =

ICEO pour IB = 0

Le β du transistor va varier grandement en fonction du type de transistor 5 agrave 10 pour des

transistors de grosse puissance 30 agrave 80 pour des transistors de moyenne puissance et de

100 agrave 500 pour des transistors de signal

III23 Caracteacuteristique de sortie

La caracteacuteristique de sortie du transistor est deacutefinie par la relation IC = f (VCE) IB = cte En

pratique on donne un reacuteseau de caracteacuteristiques pour plusieurs valeurs de IB

Fig 8 Caracteacuteristiques de sortie du transistor

Sur ces caracteacuteristiques (Fig 8) on distingue deux zones

- une zone importante ougrave le courant IC deacutepend tregraves peu de VCE agrave IB donneacute cette

caracteacuteristique est celle dun geacuteneacuterateur de courant agrave reacutesistance interne utiliseacute en reacutecepteur

Dans le cas des transistors petits signaux cette reacutesistance est tregraves grande en premiegravere

approche on consideacuterera que la sortie de ce montage agrave transistor est un geacuteneacuterateur de

courant parfait

- La zone des faibles tensions VCE (0 agrave quelques volts en fonction du transistor) est diffeacuterente

Cest la zone de saturation Quand la tension collecteur-eacutemetteur diminue pour devenir tregraves

faible la jonction collecteur-base cesse decirctre polariseacutee en inverse et leffet transistor deacutecroicirct

alors tregraves rapidement A la limite la jonction collecteur-base devient aussi polariseacutee endirect on na plus un transistor mais leacutequivalent de deux diodes en parallegravele On a une

caracteacuteristique ohmique deacutetermineacutee principalement par la reacutesistiviteacute du silicium du

collecteur Les tensions de saturation sont toujours deacutefinies agrave un courant collecteur donneacute

elles varient de 50mV pour des transistors de signal agrave des courants denviron 10mA agrave 500mV

pour les mecircmes transistors utiliseacutes au maximum de leurs possibiliteacutes (100 agrave 300 mA) et

atteignent 1 agrave 3V pour des transistors de puissance agrave des courants de lordre de 10A

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CHELLY_ Nizar 21 ISET_Zaghouan

21Montage de base

En bref

Ce quil faut retenir dessentiel dans le transistor cest que cest un amplificateur de

courant

Cest un geacuteneacuterateur de (fort) courant (en sortie) piloteacute par un (faible) courant (en

entreacutee)

IV Montage de base

IV1 Preacuteliminaire

IV11 Mise en œuvre du transistor

On a vu que le transistor eacutetait un amplificateur de courant on va donc lutiliser pour

amplifier des signaux issus de sources diverses

Il va falloir pour cela mettre en œuvre tout un montage autour du transistor pour plusieurs

raisons

Alimentation

Le transistor tout en eacutetant classifieacute dans les composants actifs ne fournit pas deacutenergie il

faudra donc que cette eacutenergie vienne de quelque part Cest le rocircle de lalimentation qui va

servir agrave apporter les tensions de polarisation et leacutenergie que le montage sera susceptible de

fournir en sortie

Polarisation

Le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens il va donc falloir le polariser

pour pouvoir y faire passer du courant alternatif cest agrave dire superposer au courant alternatif

un courant continu suffisamment grand pour que le courant total (continu + alternatif)

circule toujours dans le mecircme sens Il faudra en plus que la composante alternative du

courant soit suffisamment petite devant la composante continue pour que la lineacutearisation

faite dans le cadre de lhypothegravese des petits signaux soit justifieacutee

Conversion couranttension

Le transistor est un geacuteneacuterateur de courant Comme il est plus commode de manipuler des

tensions il va falloir convertir ces courants en tensions on va le faire simplement en mettant

des reacutesistances dans des endroits judicieusement choisis du montage

Liaisons

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 3: cours electronique 2011

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3Le dopage

Le cristal de silicium dopeacute de cette maniegravere a nettement baisseacute sa resistiviteacute ( de

l(ordre de 10-3Ωsdotm) Cette baisse est due agrave ladjonction de matiegravere creacuteant des trous

Ces trous repreacutesentent des charges POSITIVES On a obtenu du silicium dopeacute P ou Si P

II2 Le dopage NOn meacutelange au silicium des atomes avec 5 eacutelectrons en couche peacuteripheacuterique

(phosphore arsenic antimoine) Lalliage reacutesultant laisse apparaicirctre 1 eacutelectron libre

pour chaque atome pentavalent dans la structure cristalline Cet eacutelectron est libre

comme dans le cas preacuteceacutedent il abaisse la reacutesistiviteacute du cristal et participe agrave la

conduction eacutelectrique

Le cristal ainsi obtenu sil est soumis agrave une tension va laisser circuler le courant en

fonction de sa reacutesistiviteacute

Les eacutelectrons libres sont attireacutes par le pocircle + Les trous sont attireacutes par le pocircle -

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4La jonction

III La jonction

III1 La jonction eacuteleacutementaireSi lon eacutetablit un contact parfait entre un cristal Si P et un cristal Si N il y a

immeacutediatement mariage entre les eacutelectrons libres de la zone N et les trous de la zone Pet ce sur une largeur de1 microm agrave la zone de contact Les charges eacutelectriques mobiles

sannulent Il reste les charges eacutelectriques des noyaux datomes deacuteseacutequilibreacutes par cette

opeacuteration les atomes sont immobiles Dans la zone de 1 microm on voit apparaicirctre un

potentiel positif du cocircteacute Si N (dominante des protons) et un potentiel neacutegatif du cocircteacute

P (dominante des trous combleacutes)

Cette zone agrave la jonction sappelle BARRIERE DE POTENTIEL Sur une distance de 1microm

il ny a plus de porteurs de charges rArr zone isoleacutee plus de conduction possible Labarriegravere de potentiel repousse les eacutelectrons de la zone N et les trous de la zone P

III2 La jonction polariseacutee en inverse

Le pocircle - de la source attire les trous (+) et le pocircle + attire les eacutelectrons La barriegravere de

potentiel seacutelargit Toute conduction devient impossible le systegraveme est bloqueacute

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5La jonction

III3 La jonction polariseacutee en direct

Le pocircle + de la source attire les eacutelectrons et apporte des trous dans le circuit

Le pocircle - de la source attire les trous et apporte des eacutelectrons dans le circuit

Au fur et agrave mesure que la tension seacutelegraveve la barriegravere de potentiel se reacutetreacutecit Elle

finit par disparaicirctre et le courant peut circuler

On constate dans le silicium

Deacutebut de la conduction vers 05 V (fin barriegravere)

Nette augmentation de la conduction vers 06 V

Conduction admise normale agrave 07 V

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6Chapitre2 Redressement monphaseacute

Chapitre2 Redressement monphaseacute

Redressement monophaseacute

CHAPITRE

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7Objectif

I Objectif Le redressement est la conversion dune tension alternative en une tension continue

On utilise un convertisseur alternatif-continu pour alimenter un reacutecepteur en continu agrave

partir du reacuteseau de distribution alternatif

II La diode

La diode est un dipocircle passif polariseacute

En eacutelectrotechnique la diode est eacutequivalente agrave un interrupteur

unidirectionnel non commandeacute

Symbole

A anode

K cathode

Aspect

Caracteacuteristique drsquoune diode parfaite Remarque

cette caracteacuteristique

parfaite est utiliseacutee pourcomprendre le

fonctionnement de

principe des convertisseurs

statiques en

eacutelectrotechnique Elle ne

convient pas en

eacutelectronique

Nous allons eacutetudier le redressement double alternance avec un pont agrave quatre diodes

(pont de Graeumltz)

On trouve ce montage dans les dappareils eacutelectromeacutenagers chaicircne HiFi ordinateur hellip

Les petits boicirctiers noirs qui deacutelivrent une tension entre 5 et 12 V continue et que lon

branche directement sur le secteur 220 V contiennent un transformateur suivi dun pont

redresseur et dun condensateur de lissage

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8Redressement double alternance

III Redressement double alternance

III1 Principe de fonctionnement

III11 MontagePour comprendre le

fonctionnement drsquoun pont

de Graeumltz on peut le

reacutealiser avec des LED qui

srsquoilluminent lorsqursquoelles

sont traverseacutees par un

courant et un GBF tregraves

basse freacutequence (05 Hz)

Alternance positive Alternance neacutegative Commentaires

Alternance positive v gt 0

Alternance neacutegative v lt 0

En suivant le sens de

parcours du courant on voit

les led qui sont allumeacutees et celles qui sont eacuteteintes

On constate

- en entreacutee les led

srsquoallument

alternativement

- dans le pont elles

fonctionnement

alternativement par paires

- en sortie seul la led rouge

est allumeacutee

Scheacutemas eacutequivalents

sur ces scheacutemas les

branches dans lesquelles il

nrsquoy a pas de courant ont eacuteteacute

supprimeacutees

Loi des mailles v = u

v gt 0

u gt 0

Loi des mailles v = -u

v lt 0

u gt 0

On constate que la tension

u de sortie reste toujours

positive

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9Redressement double alternance

III2 Pont de Graeumltz

III21 Scheacutema

Le pont de Graeumltz est constitueacute

de 4 diodesDans lrsquoeacutetude de ce chapitre les

diodes sont supposeacutees parfaites

et donc assimileacutees agrave des

interrupteurs

v est la tension drsquoentreacutee du

pont

u est la tension de sortie

R est la charge reacutesistive4

III22 Analyse du fonctionnement

Alternance positive

D1 et D3 sont passantes uD1 = 0 et uD3 = 0

(interrupteurs fermeacutes)

Loi des mailles v - uD1 ndash u ndash uD3 = 0

v ndash u = 0

u = v gt 0

Loi des noeuds

Alternance neacutegative

D2 et D4 sont passantes uD2 = 0 et uD4 = 0(interrupteurs fermeacutes)

Loi des mailles v + uD2 + u + uD3 = 0

v + u = 0

u = -v gt 0

Loi des noeuds

Loi des mailles pour D1 uD1 + uD4 + u = 0

uD1 = -u = v lt0

III3 Grandeurs caracteacuteristiques

bullPeacuteriode

bullValeurs instantaneacutees

i i D1 j u

R

i j u

R

T T

2 10 ms f 2 f 100 Hz

u V sin( t ) i V

Rsin( t )

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10Filtrage par condensateur lissage de la tension

bullValeurs moyennes

Pour trouver ce reacutesultat il faut inteacutegrer

La valeur moyenne se mesure avec un voltmegravetre numeacuterique sur la position DC

(continue =)

bull Valeurs efficaces

Pour trouver ce reacutesultat il faut inteacutegrer

- un voltmegravetre numeacuterique dit RMS capable de mesurer la valeur efficace drsquoune tension

de forme quelconque RMS Root (racine carreacute) Mean (valeur moyenne) Square (carreacute)

Ce qui veut dire que lrsquoappareil mesure la vraie valeur efficace en utilisant sa deacutefinit ion

matheacutematique

bullPuissance absorbeacutee par la charge

IV Filtrage par condensateur lissage de la tensionOn place en parallegravele avec la charge un condensateur de capaciteacute C

Avantages

On constate que la preacutesence dun

condensateur diminue londulation ∆u de la

tension redresseacutee

avec et

u 2V

i

u

R2V

R

u 1

T

V sin0

T

( t )dt

U V

2 V I

U

R

V

R 2

U 2

1

T

V 2

0

T

sin2( t )dt

U u2

P RI 2 U 2

RV 2

R

u U U U U max

U U min

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11Deacutebit sur charge active R E

La valeur moyenne ltugt est augmenteacutee Elle se

rapproche de

Inconveacutenients

Lapparition de pointes de courant fait que le

transformateur et les diodes fonctionnent

dans de mauvaises conditions

Pour cette raison ce mode de fonctionnement

nest utiliseacute quavec des montages fournissant

des courants faibles tels que le petit

eacutelectromeacutenager

Remarque si la capaciteacute du condensateur est

suffisante (RCgtgtT) londulation ∆u devient neacutegligeable et

V Deacutebit sur charge active R EConsideacuterons une charge RE Il peut srsquoagir par exemple drsquoun moteur courant continu ou

drsquoune batterie recharger Observons lrsquooscilloscope le courant i et la tension u

Loi des mailles

Analyse du la loi des mailles

Si u lt E0 nous trouvons i lt 0 Cette situation est impossible car les diodes se bloquent

Finalement

si u gt E0 alors les diodes conduisent (i gt 0)

si u lt E0 alors les diodes sont bloqueacutees ce qui entraicircne i = 0

V

u V

u E 0 Ri i u E 0 R

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12Exemple drsquoapplication du redressement

Exemple drsquoapplication du redressement

bull Reacutealisation drsquoune alimentation continue stabiliseacutee avec un transformateur un pont de

diode et un condensateur de lissage de la tension et reacutegulateur inteacutegreacute

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CHELLY_ Nizar 13 ISET_Zaghouan

13Chapitre 3 Les transistors bipolaires

Chapitre 3 Les transistors bipolaires

CHAPITRE

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CHELLY_ Nizar 14 ISET_Zaghouan

14Introduction

I Introduction

En eacutelectronique un tel composant est inteacuteressant car il va permettre damplifier un signal et

de commander des actionneurs requeacuterant de la puissance (haut parleurs moteurs etc ) avec

des signaux de faible niveau issus de capteurs (microphone sonde de tempeacuterature depression )

Le transistor agrave jonction va permettre de remplir (entre autres) cette fonction en eacutelectronique

II Principe et caracteacuteristique

II1 Introduction agrave leffet transistor

Nous avons deacutejagrave vu agrave propos de la diode que si celle-ci est polariseacutee en inverse les porteurs

minoritaires (eacutelectrons de la zone P et trous de la zone N creacuteeacutes par lagitation thermique)traversent sans problegravemes la jonction et sont acceacuteleacutereacutes par le champ exteacuterieur

On a vu aussi que lorsque les porteurs majoritaires dune zone franchissent la jonction ils

deviennent minoritaires dans lautre zone et quils mettent un certain temps agrave se recombineravec les porteurs opposeacutes

Partant des deux remarques preacuteceacutedentes on peut deacuteduire que si on injecte dans la zone N

dune jonction NP polariseacutee en inverse beaucoup de trous (qui seront dans cette zone des

porteurs minoritaires) en faisant en sorte quils ne se recombinent pas avec les eacutelectrons de

la zone N ils vont traverser la jonction et creacuteer un courant dans le circuit exteacuterieur

Fig 1 Injection de trous dans une zone N

La figure 1 illustre ce propos il y aura des recombinaisons (charges + et - encercleacutees) mais

limiteacutees et la plupart des trous iront dans la zone P et formeront le courant I2 A noter que les

recombinaisons correspondent au courant I1-I2

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CHELLY_ Nizar 15 ISET_Zaghouan

15Principe et caracteacuteristique

II2 Le transistor reacuteel

Ce que nous venons de deacutecrire nest ni plus ni moins que leffet transistor il ne manque que

le moyen dinjecter des trous dans la zone N et de faire en sorte que les recombinaisons

soient faibles pour que la majoriteacute des trous passent dans la zone P

II21 Principe de fonctionnement

Dans le transistor reacuteel on va apporter les trous en creacuteant une jonction PN que lon va

polariser en direct On rajoute pour ce faire une zone P sur la zone N du montage Fig 1 Cette

zone P qui injecte les trous est alors leacutemetteur et la zone N faiblement dopeacutee est la base

Comme dans le scheacutema de la Fig 1 la jonction NP est polariseacutee en inverse La deuxiegraveme zone

P est le collecteur (voir Fig 2)

Fig 2 Scheacutema de principe dun transistor

Les trous injecteacutes dans la base par leacutemetteur ont une faible probabiliteacute de se recombiner

avec les eacutelectrons de la base pour deux raisons

- la base est faiblement dopeacutee donc les porteurs majoritaires (eacutelectrons) seront peu

nombreux

- la base est eacutetroite et donc les trous eacutemis sont happeacutes par le champ eacutelectrique collecteur-

base avant davoir pu se recombiner (la largeur de la base est petite devant la longueur de

diffusion des porteurs minoritaires injecteacutes par leacutemetteur qui sont ici les trous)

On peut observer le pheacutenomegravene dun point de vue diffeacuterent quand on injecte un eacutelectron

dans la base leacutemetteur devra envoyer plusieurs trous dans la base pour quil y en ait un qui

se recombine avec leacutelectron eacutemis Les autres trous vont passer directement dans lecollecteur

En premiegravere approximation le nombre de trous passant dans le collecteur est proportionnelau nombre deacutelectrons injecteacutes dans la base

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CHELLY_ Nizar 16 ISET_Zaghouan

16Principe et caracteacuteristique

Ce rapport de proportionnaliteacute est un paramegravetre intrinsegraveque au transistor et sappelle le gain

en courant

Il ne deacutepend que des caracteacuteristiques physiques du transistor il ne deacutepend ni de la tension

inverse collecteur base ni du courant circulant dans le collecteur (ceci nest quune

approximation mais dans les hypothegraveses de petits signaux cest assez bien veacuterifieacute)

On a les relations suivantes

= (13) = ( + 1) (23) = minus (33)

II22 Constitution et caracteacuteristiques physiques dun transistor

Un transistor bipolaire est donc constitueacute de trois zones de silicium alternativement dopeacutees N

et P formant deux jonctions PN

Le transistor deacutecrit au paragraphe preacuteceacutedent comporte deux zones P et une zone N Cest une

des deux faccedilons dagencer les jonctions pour fabriquer un transistor

- soit une zone P une N et une P le transistor est dit PNP

- soit une zone N une P et une N le transistor est dit NPN

Dans les deux cas la zone centrale (base) est tregraves eacutetroite vis agrave vis de la longueur de diffusiondes porteurs minoritaires issus de la zone adjacente (leacutemetteur)

La base possegravede en outre la caracteacuteristique decirctre tregraves faiblement dopeacutee en comparaison de

leacutemetteur

II3 Symboles tensions et courants

Dans le symbole du transistor (figures 3 et 4) une flegraveche deacutesigne leacutemetteur ainsi que le sensde circulation du courant deacutemetteur cest le sens de cette flegraveche qui va repeacuterer le type de

transistor NPN pour un courant deacutemetteur sortant du transistor et PNP dans le cas inverse

La base est repreacutesenteacutee par une barre parallegravele agrave laxe collecteur-eacutemetteur Dautres

symboles existent mais celui-ci est le plus usiteacute

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CHELLY_ Nizar 17 ISET_Zaghouan

17Caracteacuteristiques eacutelectriques

Les transistors sont des composants polariseacutes les courants indiqueacutes sont les seuls possibles

pour un fonctionnement correct En conseacutequence il faudra choisir le type de transistor

adapteacute au besoin (NPN ou PNP) et faire attention au sens de branchement

Transistor NPN

Fig 3 Courants et tensions sur un NPN

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont rentrants et le courant deacutemetteur est sortant Les tensions VBE et VCE sont ici positives

Transistor PNP

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont sortants et le courant

deacutemetteur est rentrant Les tensions VBE et VCE sont ici neacutegatives

Fig 4 Courants et tensions sur un PNP

III Caracteacuteristiques eacutelectriques

Pour ce paragraphe nous allons eacutetudier les caracteacuteristiques des transistors NPN Celles destransistors PNP sont les mecircmes aux reacuteserves de signes deacutecrites au paragraphe preacuteceacutedent

III1 Montages de base

Quand on branche un transistor si on sarrange pour quil y ait une patte commune agrave lentreacuteeet agrave la sortie du montage il y a 3 maniegraveres fondamentales de proceacuteder

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CHELLY_ Nizar 18 ISET_Zaghouan

18Caracteacuteristiques eacutelectriques

- la patte commune est leacutemetteur on parle de montage eacutemetteur commun Lentreacutee est la

base et la sortie le collecteur

- La patte commune est la base on parle de montage base commune Lentreacutee est leacutemetteur

et la sortie le collecteur

- La patte commune est le collecteur on parle de montage collecteur commun Lentreacutee est labase et la sortie leacutemetteur

III2 Scheacutema de mesure des caracteacuteristiques

Les caracteacuteristiques qui suivent sont donneacutees pour un montage eacutemetteur commun Le

scheacutema le plus simple est le suivant

Fig 5 Montage de base eacutemetteur commun

Dans ce scheacutema la base est polariseacutee en direct par la reacutesistance de base R b le potentiel de la

base est alors de 07V environ car leacutemetteur est agrave la masse et la jonction base eacutemetteur est

leacutequivalent dune diode passante

Le collecteur est lui polariseacute par la reacutesistance de collecteur Rc de telle maniegravere que la tension

du collecteur soit supeacuterieure agrave la tension de la base la jonction base collecteur est alors

polariseacutee en inverse

On polarise donc convenablement le transistor avec une simple alimentation et deux

reacutesistances Dans ce montage lentreacutee est la base et la sortie est le collecteur

Lentreacutee est caracteacuteriseacutee par les deux grandeurs IB et VBE et la sortie par les grandeurs IC et VCE soit 4 variables

III21 Caracteacuteristique dentreacutee

La caracteacuteristique dentreacutee du transistor est donneacutee par la relation IB = f (VBE) VCE = cte

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CHELLY_ Nizar 19 ISET_Zaghouan

19Caracteacuteristiques eacutelectriques

En fait le circuit dentreacutee est la jonction base eacutemetteur du transistor soit une jonction diode

Cette caracteacuteristique va deacutependre tregraves peu de la tension collecteur eacutemetteur on la donne engeacuteneacuteral pour une seule valeur de VCE La courbe est la suivante

Fig 6 Caracteacuteristique dentreacutee du transistor

La tension VBE est denviron 07V pour une polarisation normale du transistor (courant de

base infeacuterieur au mA) Cette valeur est donc leacutegegraverement supeacuterieure agrave celle dune jonction de

diode

III22 Caracteacuteristique de transfert

La caracteacuteristique de transfert est deacutefinie par la relation IC = f (IB) VCE = cte

Nous avons deacutejagrave dit que le courant deacutemetteur est proportionnel au courant de base

Fig 7 Caracteacuteristique de transfert du transistor

La caracteacuteristique de transfert est donc une droite le transistor est un geacuteneacuterateur de courant

commandeacute par un courant

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CHELLY_ Nizar 20 ISET_Zaghouan

20Caracteacuteristiques eacutelectriques

Si on considegravere le courant de fuite ICEO la caracteacuteristique ne passe pas par lorigine car IC =

ICEO pour IB = 0

Le β du transistor va varier grandement en fonction du type de transistor 5 agrave 10 pour des

transistors de grosse puissance 30 agrave 80 pour des transistors de moyenne puissance et de

100 agrave 500 pour des transistors de signal

III23 Caracteacuteristique de sortie

La caracteacuteristique de sortie du transistor est deacutefinie par la relation IC = f (VCE) IB = cte En

pratique on donne un reacuteseau de caracteacuteristiques pour plusieurs valeurs de IB

Fig 8 Caracteacuteristiques de sortie du transistor

Sur ces caracteacuteristiques (Fig 8) on distingue deux zones

- une zone importante ougrave le courant IC deacutepend tregraves peu de VCE agrave IB donneacute cette

caracteacuteristique est celle dun geacuteneacuterateur de courant agrave reacutesistance interne utiliseacute en reacutecepteur

Dans le cas des transistors petits signaux cette reacutesistance est tregraves grande en premiegravere

approche on consideacuterera que la sortie de ce montage agrave transistor est un geacuteneacuterateur de

courant parfait

- La zone des faibles tensions VCE (0 agrave quelques volts en fonction du transistor) est diffeacuterente

Cest la zone de saturation Quand la tension collecteur-eacutemetteur diminue pour devenir tregraves

faible la jonction collecteur-base cesse decirctre polariseacutee en inverse et leffet transistor deacutecroicirct

alors tregraves rapidement A la limite la jonction collecteur-base devient aussi polariseacutee endirect on na plus un transistor mais leacutequivalent de deux diodes en parallegravele On a une

caracteacuteristique ohmique deacutetermineacutee principalement par la reacutesistiviteacute du silicium du

collecteur Les tensions de saturation sont toujours deacutefinies agrave un courant collecteur donneacute

elles varient de 50mV pour des transistors de signal agrave des courants denviron 10mA agrave 500mV

pour les mecircmes transistors utiliseacutes au maximum de leurs possibiliteacutes (100 agrave 300 mA) et

atteignent 1 agrave 3V pour des transistors de puissance agrave des courants de lordre de 10A

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CHELLY_ Nizar 21 ISET_Zaghouan

21Montage de base

En bref

Ce quil faut retenir dessentiel dans le transistor cest que cest un amplificateur de

courant

Cest un geacuteneacuterateur de (fort) courant (en sortie) piloteacute par un (faible) courant (en

entreacutee)

IV Montage de base

IV1 Preacuteliminaire

IV11 Mise en œuvre du transistor

On a vu que le transistor eacutetait un amplificateur de courant on va donc lutiliser pour

amplifier des signaux issus de sources diverses

Il va falloir pour cela mettre en œuvre tout un montage autour du transistor pour plusieurs

raisons

Alimentation

Le transistor tout en eacutetant classifieacute dans les composants actifs ne fournit pas deacutenergie il

faudra donc que cette eacutenergie vienne de quelque part Cest le rocircle de lalimentation qui va

servir agrave apporter les tensions de polarisation et leacutenergie que le montage sera susceptible de

fournir en sortie

Polarisation

Le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens il va donc falloir le polariser

pour pouvoir y faire passer du courant alternatif cest agrave dire superposer au courant alternatif

un courant continu suffisamment grand pour que le courant total (continu + alternatif)

circule toujours dans le mecircme sens Il faudra en plus que la composante alternative du

courant soit suffisamment petite devant la composante continue pour que la lineacutearisation

faite dans le cadre de lhypothegravese des petits signaux soit justifieacutee

Conversion couranttension

Le transistor est un geacuteneacuterateur de courant Comme il est plus commode de manipuler des

tensions il va falloir convertir ces courants en tensions on va le faire simplement en mettant

des reacutesistances dans des endroits judicieusement choisis du montage

Liaisons

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 4: cours electronique 2011

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4La jonction

III La jonction

III1 La jonction eacuteleacutementaireSi lon eacutetablit un contact parfait entre un cristal Si P et un cristal Si N il y a

immeacutediatement mariage entre les eacutelectrons libres de la zone N et les trous de la zone Pet ce sur une largeur de1 microm agrave la zone de contact Les charges eacutelectriques mobiles

sannulent Il reste les charges eacutelectriques des noyaux datomes deacuteseacutequilibreacutes par cette

opeacuteration les atomes sont immobiles Dans la zone de 1 microm on voit apparaicirctre un

potentiel positif du cocircteacute Si N (dominante des protons) et un potentiel neacutegatif du cocircteacute

P (dominante des trous combleacutes)

Cette zone agrave la jonction sappelle BARRIERE DE POTENTIEL Sur une distance de 1microm

il ny a plus de porteurs de charges rArr zone isoleacutee plus de conduction possible Labarriegravere de potentiel repousse les eacutelectrons de la zone N et les trous de la zone P

III2 La jonction polariseacutee en inverse

Le pocircle - de la source attire les trous (+) et le pocircle + attire les eacutelectrons La barriegravere de

potentiel seacutelargit Toute conduction devient impossible le systegraveme est bloqueacute

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5La jonction

III3 La jonction polariseacutee en direct

Le pocircle + de la source attire les eacutelectrons et apporte des trous dans le circuit

Le pocircle - de la source attire les trous et apporte des eacutelectrons dans le circuit

Au fur et agrave mesure que la tension seacutelegraveve la barriegravere de potentiel se reacutetreacutecit Elle

finit par disparaicirctre et le courant peut circuler

On constate dans le silicium

Deacutebut de la conduction vers 05 V (fin barriegravere)

Nette augmentation de la conduction vers 06 V

Conduction admise normale agrave 07 V

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6Chapitre2 Redressement monphaseacute

Chapitre2 Redressement monphaseacute

Redressement monophaseacute

CHAPITRE

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7Objectif

I Objectif Le redressement est la conversion dune tension alternative en une tension continue

On utilise un convertisseur alternatif-continu pour alimenter un reacutecepteur en continu agrave

partir du reacuteseau de distribution alternatif

II La diode

La diode est un dipocircle passif polariseacute

En eacutelectrotechnique la diode est eacutequivalente agrave un interrupteur

unidirectionnel non commandeacute

Symbole

A anode

K cathode

Aspect

Caracteacuteristique drsquoune diode parfaite Remarque

cette caracteacuteristique

parfaite est utiliseacutee pourcomprendre le

fonctionnement de

principe des convertisseurs

statiques en

eacutelectrotechnique Elle ne

convient pas en

eacutelectronique

Nous allons eacutetudier le redressement double alternance avec un pont agrave quatre diodes

(pont de Graeumltz)

On trouve ce montage dans les dappareils eacutelectromeacutenagers chaicircne HiFi ordinateur hellip

Les petits boicirctiers noirs qui deacutelivrent une tension entre 5 et 12 V continue et que lon

branche directement sur le secteur 220 V contiennent un transformateur suivi dun pont

redresseur et dun condensateur de lissage

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8Redressement double alternance

III Redressement double alternance

III1 Principe de fonctionnement

III11 MontagePour comprendre le

fonctionnement drsquoun pont

de Graeumltz on peut le

reacutealiser avec des LED qui

srsquoilluminent lorsqursquoelles

sont traverseacutees par un

courant et un GBF tregraves

basse freacutequence (05 Hz)

Alternance positive Alternance neacutegative Commentaires

Alternance positive v gt 0

Alternance neacutegative v lt 0

En suivant le sens de

parcours du courant on voit

les led qui sont allumeacutees et celles qui sont eacuteteintes

On constate

- en entreacutee les led

srsquoallument

alternativement

- dans le pont elles

fonctionnement

alternativement par paires

- en sortie seul la led rouge

est allumeacutee

Scheacutemas eacutequivalents

sur ces scheacutemas les

branches dans lesquelles il

nrsquoy a pas de courant ont eacuteteacute

supprimeacutees

Loi des mailles v = u

v gt 0

u gt 0

Loi des mailles v = -u

v lt 0

u gt 0

On constate que la tension

u de sortie reste toujours

positive

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9Redressement double alternance

III2 Pont de Graeumltz

III21 Scheacutema

Le pont de Graeumltz est constitueacute

de 4 diodesDans lrsquoeacutetude de ce chapitre les

diodes sont supposeacutees parfaites

et donc assimileacutees agrave des

interrupteurs

v est la tension drsquoentreacutee du

pont

u est la tension de sortie

R est la charge reacutesistive4

III22 Analyse du fonctionnement

Alternance positive

D1 et D3 sont passantes uD1 = 0 et uD3 = 0

(interrupteurs fermeacutes)

Loi des mailles v - uD1 ndash u ndash uD3 = 0

v ndash u = 0

u = v gt 0

Loi des noeuds

Alternance neacutegative

D2 et D4 sont passantes uD2 = 0 et uD4 = 0(interrupteurs fermeacutes)

Loi des mailles v + uD2 + u + uD3 = 0

v + u = 0

u = -v gt 0

Loi des noeuds

Loi des mailles pour D1 uD1 + uD4 + u = 0

uD1 = -u = v lt0

III3 Grandeurs caracteacuteristiques

bullPeacuteriode

bullValeurs instantaneacutees

i i D1 j u

R

i j u

R

T T

2 10 ms f 2 f 100 Hz

u V sin( t ) i V

Rsin( t )

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10Filtrage par condensateur lissage de la tension

bullValeurs moyennes

Pour trouver ce reacutesultat il faut inteacutegrer

La valeur moyenne se mesure avec un voltmegravetre numeacuterique sur la position DC

(continue =)

bull Valeurs efficaces

Pour trouver ce reacutesultat il faut inteacutegrer

- un voltmegravetre numeacuterique dit RMS capable de mesurer la valeur efficace drsquoune tension

de forme quelconque RMS Root (racine carreacute) Mean (valeur moyenne) Square (carreacute)

Ce qui veut dire que lrsquoappareil mesure la vraie valeur efficace en utilisant sa deacutefinit ion

matheacutematique

bullPuissance absorbeacutee par la charge

IV Filtrage par condensateur lissage de la tensionOn place en parallegravele avec la charge un condensateur de capaciteacute C

Avantages

On constate que la preacutesence dun

condensateur diminue londulation ∆u de la

tension redresseacutee

avec et

u 2V

i

u

R2V

R

u 1

T

V sin0

T

( t )dt

U V

2 V I

U

R

V

R 2

U 2

1

T

V 2

0

T

sin2( t )dt

U u2

P RI 2 U 2

RV 2

R

u U U U U max

U U min

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11Deacutebit sur charge active R E

La valeur moyenne ltugt est augmenteacutee Elle se

rapproche de

Inconveacutenients

Lapparition de pointes de courant fait que le

transformateur et les diodes fonctionnent

dans de mauvaises conditions

Pour cette raison ce mode de fonctionnement

nest utiliseacute quavec des montages fournissant

des courants faibles tels que le petit

eacutelectromeacutenager

Remarque si la capaciteacute du condensateur est

suffisante (RCgtgtT) londulation ∆u devient neacutegligeable et

V Deacutebit sur charge active R EConsideacuterons une charge RE Il peut srsquoagir par exemple drsquoun moteur courant continu ou

drsquoune batterie recharger Observons lrsquooscilloscope le courant i et la tension u

Loi des mailles

Analyse du la loi des mailles

Si u lt E0 nous trouvons i lt 0 Cette situation est impossible car les diodes se bloquent

Finalement

si u gt E0 alors les diodes conduisent (i gt 0)

si u lt E0 alors les diodes sont bloqueacutees ce qui entraicircne i = 0

V

u V

u E 0 Ri i u E 0 R

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12Exemple drsquoapplication du redressement

Exemple drsquoapplication du redressement

bull Reacutealisation drsquoune alimentation continue stabiliseacutee avec un transformateur un pont de

diode et un condensateur de lissage de la tension et reacutegulateur inteacutegreacute

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CHELLY_ Nizar 13 ISET_Zaghouan

13Chapitre 3 Les transistors bipolaires

Chapitre 3 Les transistors bipolaires

CHAPITRE

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CHELLY_ Nizar 14 ISET_Zaghouan

14Introduction

I Introduction

En eacutelectronique un tel composant est inteacuteressant car il va permettre damplifier un signal et

de commander des actionneurs requeacuterant de la puissance (haut parleurs moteurs etc ) avec

des signaux de faible niveau issus de capteurs (microphone sonde de tempeacuterature depression )

Le transistor agrave jonction va permettre de remplir (entre autres) cette fonction en eacutelectronique

II Principe et caracteacuteristique

II1 Introduction agrave leffet transistor

Nous avons deacutejagrave vu agrave propos de la diode que si celle-ci est polariseacutee en inverse les porteurs

minoritaires (eacutelectrons de la zone P et trous de la zone N creacuteeacutes par lagitation thermique)traversent sans problegravemes la jonction et sont acceacuteleacutereacutes par le champ exteacuterieur

On a vu aussi que lorsque les porteurs majoritaires dune zone franchissent la jonction ils

deviennent minoritaires dans lautre zone et quils mettent un certain temps agrave se recombineravec les porteurs opposeacutes

Partant des deux remarques preacuteceacutedentes on peut deacuteduire que si on injecte dans la zone N

dune jonction NP polariseacutee en inverse beaucoup de trous (qui seront dans cette zone des

porteurs minoritaires) en faisant en sorte quils ne se recombinent pas avec les eacutelectrons de

la zone N ils vont traverser la jonction et creacuteer un courant dans le circuit exteacuterieur

Fig 1 Injection de trous dans une zone N

La figure 1 illustre ce propos il y aura des recombinaisons (charges + et - encercleacutees) mais

limiteacutees et la plupart des trous iront dans la zone P et formeront le courant I2 A noter que les

recombinaisons correspondent au courant I1-I2

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CHELLY_ Nizar 15 ISET_Zaghouan

15Principe et caracteacuteristique

II2 Le transistor reacuteel

Ce que nous venons de deacutecrire nest ni plus ni moins que leffet transistor il ne manque que

le moyen dinjecter des trous dans la zone N et de faire en sorte que les recombinaisons

soient faibles pour que la majoriteacute des trous passent dans la zone P

II21 Principe de fonctionnement

Dans le transistor reacuteel on va apporter les trous en creacuteant une jonction PN que lon va

polariser en direct On rajoute pour ce faire une zone P sur la zone N du montage Fig 1 Cette

zone P qui injecte les trous est alors leacutemetteur et la zone N faiblement dopeacutee est la base

Comme dans le scheacutema de la Fig 1 la jonction NP est polariseacutee en inverse La deuxiegraveme zone

P est le collecteur (voir Fig 2)

Fig 2 Scheacutema de principe dun transistor

Les trous injecteacutes dans la base par leacutemetteur ont une faible probabiliteacute de se recombiner

avec les eacutelectrons de la base pour deux raisons

- la base est faiblement dopeacutee donc les porteurs majoritaires (eacutelectrons) seront peu

nombreux

- la base est eacutetroite et donc les trous eacutemis sont happeacutes par le champ eacutelectrique collecteur-

base avant davoir pu se recombiner (la largeur de la base est petite devant la longueur de

diffusion des porteurs minoritaires injecteacutes par leacutemetteur qui sont ici les trous)

On peut observer le pheacutenomegravene dun point de vue diffeacuterent quand on injecte un eacutelectron

dans la base leacutemetteur devra envoyer plusieurs trous dans la base pour quil y en ait un qui

se recombine avec leacutelectron eacutemis Les autres trous vont passer directement dans lecollecteur

En premiegravere approximation le nombre de trous passant dans le collecteur est proportionnelau nombre deacutelectrons injecteacutes dans la base

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CHELLY_ Nizar 16 ISET_Zaghouan

16Principe et caracteacuteristique

Ce rapport de proportionnaliteacute est un paramegravetre intrinsegraveque au transistor et sappelle le gain

en courant

Il ne deacutepend que des caracteacuteristiques physiques du transistor il ne deacutepend ni de la tension

inverse collecteur base ni du courant circulant dans le collecteur (ceci nest quune

approximation mais dans les hypothegraveses de petits signaux cest assez bien veacuterifieacute)

On a les relations suivantes

= (13) = ( + 1) (23) = minus (33)

II22 Constitution et caracteacuteristiques physiques dun transistor

Un transistor bipolaire est donc constitueacute de trois zones de silicium alternativement dopeacutees N

et P formant deux jonctions PN

Le transistor deacutecrit au paragraphe preacuteceacutedent comporte deux zones P et une zone N Cest une

des deux faccedilons dagencer les jonctions pour fabriquer un transistor

- soit une zone P une N et une P le transistor est dit PNP

- soit une zone N une P et une N le transistor est dit NPN

Dans les deux cas la zone centrale (base) est tregraves eacutetroite vis agrave vis de la longueur de diffusiondes porteurs minoritaires issus de la zone adjacente (leacutemetteur)

La base possegravede en outre la caracteacuteristique decirctre tregraves faiblement dopeacutee en comparaison de

leacutemetteur

II3 Symboles tensions et courants

Dans le symbole du transistor (figures 3 et 4) une flegraveche deacutesigne leacutemetteur ainsi que le sensde circulation du courant deacutemetteur cest le sens de cette flegraveche qui va repeacuterer le type de

transistor NPN pour un courant deacutemetteur sortant du transistor et PNP dans le cas inverse

La base est repreacutesenteacutee par une barre parallegravele agrave laxe collecteur-eacutemetteur Dautres

symboles existent mais celui-ci est le plus usiteacute

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CHELLY_ Nizar 17 ISET_Zaghouan

17Caracteacuteristiques eacutelectriques

Les transistors sont des composants polariseacutes les courants indiqueacutes sont les seuls possibles

pour un fonctionnement correct En conseacutequence il faudra choisir le type de transistor

adapteacute au besoin (NPN ou PNP) et faire attention au sens de branchement

Transistor NPN

Fig 3 Courants et tensions sur un NPN

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont rentrants et le courant deacutemetteur est sortant Les tensions VBE et VCE sont ici positives

Transistor PNP

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont sortants et le courant

deacutemetteur est rentrant Les tensions VBE et VCE sont ici neacutegatives

Fig 4 Courants et tensions sur un PNP

III Caracteacuteristiques eacutelectriques

Pour ce paragraphe nous allons eacutetudier les caracteacuteristiques des transistors NPN Celles destransistors PNP sont les mecircmes aux reacuteserves de signes deacutecrites au paragraphe preacuteceacutedent

III1 Montages de base

Quand on branche un transistor si on sarrange pour quil y ait une patte commune agrave lentreacuteeet agrave la sortie du montage il y a 3 maniegraveres fondamentales de proceacuteder

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CHELLY_ Nizar 18 ISET_Zaghouan

18Caracteacuteristiques eacutelectriques

- la patte commune est leacutemetteur on parle de montage eacutemetteur commun Lentreacutee est la

base et la sortie le collecteur

- La patte commune est la base on parle de montage base commune Lentreacutee est leacutemetteur

et la sortie le collecteur

- La patte commune est le collecteur on parle de montage collecteur commun Lentreacutee est labase et la sortie leacutemetteur

III2 Scheacutema de mesure des caracteacuteristiques

Les caracteacuteristiques qui suivent sont donneacutees pour un montage eacutemetteur commun Le

scheacutema le plus simple est le suivant

Fig 5 Montage de base eacutemetteur commun

Dans ce scheacutema la base est polariseacutee en direct par la reacutesistance de base R b le potentiel de la

base est alors de 07V environ car leacutemetteur est agrave la masse et la jonction base eacutemetteur est

leacutequivalent dune diode passante

Le collecteur est lui polariseacute par la reacutesistance de collecteur Rc de telle maniegravere que la tension

du collecteur soit supeacuterieure agrave la tension de la base la jonction base collecteur est alors

polariseacutee en inverse

On polarise donc convenablement le transistor avec une simple alimentation et deux

reacutesistances Dans ce montage lentreacutee est la base et la sortie est le collecteur

Lentreacutee est caracteacuteriseacutee par les deux grandeurs IB et VBE et la sortie par les grandeurs IC et VCE soit 4 variables

III21 Caracteacuteristique dentreacutee

La caracteacuteristique dentreacutee du transistor est donneacutee par la relation IB = f (VBE) VCE = cte

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CHELLY_ Nizar 19 ISET_Zaghouan

19Caracteacuteristiques eacutelectriques

En fait le circuit dentreacutee est la jonction base eacutemetteur du transistor soit une jonction diode

Cette caracteacuteristique va deacutependre tregraves peu de la tension collecteur eacutemetteur on la donne engeacuteneacuteral pour une seule valeur de VCE La courbe est la suivante

Fig 6 Caracteacuteristique dentreacutee du transistor

La tension VBE est denviron 07V pour une polarisation normale du transistor (courant de

base infeacuterieur au mA) Cette valeur est donc leacutegegraverement supeacuterieure agrave celle dune jonction de

diode

III22 Caracteacuteristique de transfert

La caracteacuteristique de transfert est deacutefinie par la relation IC = f (IB) VCE = cte

Nous avons deacutejagrave dit que le courant deacutemetteur est proportionnel au courant de base

Fig 7 Caracteacuteristique de transfert du transistor

La caracteacuteristique de transfert est donc une droite le transistor est un geacuteneacuterateur de courant

commandeacute par un courant

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CHELLY_ Nizar 20 ISET_Zaghouan

20Caracteacuteristiques eacutelectriques

Si on considegravere le courant de fuite ICEO la caracteacuteristique ne passe pas par lorigine car IC =

ICEO pour IB = 0

Le β du transistor va varier grandement en fonction du type de transistor 5 agrave 10 pour des

transistors de grosse puissance 30 agrave 80 pour des transistors de moyenne puissance et de

100 agrave 500 pour des transistors de signal

III23 Caracteacuteristique de sortie

La caracteacuteristique de sortie du transistor est deacutefinie par la relation IC = f (VCE) IB = cte En

pratique on donne un reacuteseau de caracteacuteristiques pour plusieurs valeurs de IB

Fig 8 Caracteacuteristiques de sortie du transistor

Sur ces caracteacuteristiques (Fig 8) on distingue deux zones

- une zone importante ougrave le courant IC deacutepend tregraves peu de VCE agrave IB donneacute cette

caracteacuteristique est celle dun geacuteneacuterateur de courant agrave reacutesistance interne utiliseacute en reacutecepteur

Dans le cas des transistors petits signaux cette reacutesistance est tregraves grande en premiegravere

approche on consideacuterera que la sortie de ce montage agrave transistor est un geacuteneacuterateur de

courant parfait

- La zone des faibles tensions VCE (0 agrave quelques volts en fonction du transistor) est diffeacuterente

Cest la zone de saturation Quand la tension collecteur-eacutemetteur diminue pour devenir tregraves

faible la jonction collecteur-base cesse decirctre polariseacutee en inverse et leffet transistor deacutecroicirct

alors tregraves rapidement A la limite la jonction collecteur-base devient aussi polariseacutee endirect on na plus un transistor mais leacutequivalent de deux diodes en parallegravele On a une

caracteacuteristique ohmique deacutetermineacutee principalement par la reacutesistiviteacute du silicium du

collecteur Les tensions de saturation sont toujours deacutefinies agrave un courant collecteur donneacute

elles varient de 50mV pour des transistors de signal agrave des courants denviron 10mA agrave 500mV

pour les mecircmes transistors utiliseacutes au maximum de leurs possibiliteacutes (100 agrave 300 mA) et

atteignent 1 agrave 3V pour des transistors de puissance agrave des courants de lordre de 10A

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CHELLY_ Nizar 21 ISET_Zaghouan

21Montage de base

En bref

Ce quil faut retenir dessentiel dans le transistor cest que cest un amplificateur de

courant

Cest un geacuteneacuterateur de (fort) courant (en sortie) piloteacute par un (faible) courant (en

entreacutee)

IV Montage de base

IV1 Preacuteliminaire

IV11 Mise en œuvre du transistor

On a vu que le transistor eacutetait un amplificateur de courant on va donc lutiliser pour

amplifier des signaux issus de sources diverses

Il va falloir pour cela mettre en œuvre tout un montage autour du transistor pour plusieurs

raisons

Alimentation

Le transistor tout en eacutetant classifieacute dans les composants actifs ne fournit pas deacutenergie il

faudra donc que cette eacutenergie vienne de quelque part Cest le rocircle de lalimentation qui va

servir agrave apporter les tensions de polarisation et leacutenergie que le montage sera susceptible de

fournir en sortie

Polarisation

Le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens il va donc falloir le polariser

pour pouvoir y faire passer du courant alternatif cest agrave dire superposer au courant alternatif

un courant continu suffisamment grand pour que le courant total (continu + alternatif)

circule toujours dans le mecircme sens Il faudra en plus que la composante alternative du

courant soit suffisamment petite devant la composante continue pour que la lineacutearisation

faite dans le cadre de lhypothegravese des petits signaux soit justifieacutee

Conversion couranttension

Le transistor est un geacuteneacuterateur de courant Comme il est plus commode de manipuler des

tensions il va falloir convertir ces courants en tensions on va le faire simplement en mettant

des reacutesistances dans des endroits judicieusement choisis du montage

Liaisons

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 5: cours electronique 2011

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5La jonction

III3 La jonction polariseacutee en direct

Le pocircle + de la source attire les eacutelectrons et apporte des trous dans le circuit

Le pocircle - de la source attire les trous et apporte des eacutelectrons dans le circuit

Au fur et agrave mesure que la tension seacutelegraveve la barriegravere de potentiel se reacutetreacutecit Elle

finit par disparaicirctre et le courant peut circuler

On constate dans le silicium

Deacutebut de la conduction vers 05 V (fin barriegravere)

Nette augmentation de la conduction vers 06 V

Conduction admise normale agrave 07 V

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6Chapitre2 Redressement monphaseacute

Chapitre2 Redressement monphaseacute

Redressement monophaseacute

CHAPITRE

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7Objectif

I Objectif Le redressement est la conversion dune tension alternative en une tension continue

On utilise un convertisseur alternatif-continu pour alimenter un reacutecepteur en continu agrave

partir du reacuteseau de distribution alternatif

II La diode

La diode est un dipocircle passif polariseacute

En eacutelectrotechnique la diode est eacutequivalente agrave un interrupteur

unidirectionnel non commandeacute

Symbole

A anode

K cathode

Aspect

Caracteacuteristique drsquoune diode parfaite Remarque

cette caracteacuteristique

parfaite est utiliseacutee pourcomprendre le

fonctionnement de

principe des convertisseurs

statiques en

eacutelectrotechnique Elle ne

convient pas en

eacutelectronique

Nous allons eacutetudier le redressement double alternance avec un pont agrave quatre diodes

(pont de Graeumltz)

On trouve ce montage dans les dappareils eacutelectromeacutenagers chaicircne HiFi ordinateur hellip

Les petits boicirctiers noirs qui deacutelivrent une tension entre 5 et 12 V continue et que lon

branche directement sur le secteur 220 V contiennent un transformateur suivi dun pont

redresseur et dun condensateur de lissage

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8Redressement double alternance

III Redressement double alternance

III1 Principe de fonctionnement

III11 MontagePour comprendre le

fonctionnement drsquoun pont

de Graeumltz on peut le

reacutealiser avec des LED qui

srsquoilluminent lorsqursquoelles

sont traverseacutees par un

courant et un GBF tregraves

basse freacutequence (05 Hz)

Alternance positive Alternance neacutegative Commentaires

Alternance positive v gt 0

Alternance neacutegative v lt 0

En suivant le sens de

parcours du courant on voit

les led qui sont allumeacutees et celles qui sont eacuteteintes

On constate

- en entreacutee les led

srsquoallument

alternativement

- dans le pont elles

fonctionnement

alternativement par paires

- en sortie seul la led rouge

est allumeacutee

Scheacutemas eacutequivalents

sur ces scheacutemas les

branches dans lesquelles il

nrsquoy a pas de courant ont eacuteteacute

supprimeacutees

Loi des mailles v = u

v gt 0

u gt 0

Loi des mailles v = -u

v lt 0

u gt 0

On constate que la tension

u de sortie reste toujours

positive

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9Redressement double alternance

III2 Pont de Graeumltz

III21 Scheacutema

Le pont de Graeumltz est constitueacute

de 4 diodesDans lrsquoeacutetude de ce chapitre les

diodes sont supposeacutees parfaites

et donc assimileacutees agrave des

interrupteurs

v est la tension drsquoentreacutee du

pont

u est la tension de sortie

R est la charge reacutesistive4

III22 Analyse du fonctionnement

Alternance positive

D1 et D3 sont passantes uD1 = 0 et uD3 = 0

(interrupteurs fermeacutes)

Loi des mailles v - uD1 ndash u ndash uD3 = 0

v ndash u = 0

u = v gt 0

Loi des noeuds

Alternance neacutegative

D2 et D4 sont passantes uD2 = 0 et uD4 = 0(interrupteurs fermeacutes)

Loi des mailles v + uD2 + u + uD3 = 0

v + u = 0

u = -v gt 0

Loi des noeuds

Loi des mailles pour D1 uD1 + uD4 + u = 0

uD1 = -u = v lt0

III3 Grandeurs caracteacuteristiques

bullPeacuteriode

bullValeurs instantaneacutees

i i D1 j u

R

i j u

R

T T

2 10 ms f 2 f 100 Hz

u V sin( t ) i V

Rsin( t )

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10Filtrage par condensateur lissage de la tension

bullValeurs moyennes

Pour trouver ce reacutesultat il faut inteacutegrer

La valeur moyenne se mesure avec un voltmegravetre numeacuterique sur la position DC

(continue =)

bull Valeurs efficaces

Pour trouver ce reacutesultat il faut inteacutegrer

- un voltmegravetre numeacuterique dit RMS capable de mesurer la valeur efficace drsquoune tension

de forme quelconque RMS Root (racine carreacute) Mean (valeur moyenne) Square (carreacute)

Ce qui veut dire que lrsquoappareil mesure la vraie valeur efficace en utilisant sa deacutefinit ion

matheacutematique

bullPuissance absorbeacutee par la charge

IV Filtrage par condensateur lissage de la tensionOn place en parallegravele avec la charge un condensateur de capaciteacute C

Avantages

On constate que la preacutesence dun

condensateur diminue londulation ∆u de la

tension redresseacutee

avec et

u 2V

i

u

R2V

R

u 1

T

V sin0

T

( t )dt

U V

2 V I

U

R

V

R 2

U 2

1

T

V 2

0

T

sin2( t )dt

U u2

P RI 2 U 2

RV 2

R

u U U U U max

U U min

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11Deacutebit sur charge active R E

La valeur moyenne ltugt est augmenteacutee Elle se

rapproche de

Inconveacutenients

Lapparition de pointes de courant fait que le

transformateur et les diodes fonctionnent

dans de mauvaises conditions

Pour cette raison ce mode de fonctionnement

nest utiliseacute quavec des montages fournissant

des courants faibles tels que le petit

eacutelectromeacutenager

Remarque si la capaciteacute du condensateur est

suffisante (RCgtgtT) londulation ∆u devient neacutegligeable et

V Deacutebit sur charge active R EConsideacuterons une charge RE Il peut srsquoagir par exemple drsquoun moteur courant continu ou

drsquoune batterie recharger Observons lrsquooscilloscope le courant i et la tension u

Loi des mailles

Analyse du la loi des mailles

Si u lt E0 nous trouvons i lt 0 Cette situation est impossible car les diodes se bloquent

Finalement

si u gt E0 alors les diodes conduisent (i gt 0)

si u lt E0 alors les diodes sont bloqueacutees ce qui entraicircne i = 0

V

u V

u E 0 Ri i u E 0 R

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12Exemple drsquoapplication du redressement

Exemple drsquoapplication du redressement

bull Reacutealisation drsquoune alimentation continue stabiliseacutee avec un transformateur un pont de

diode et un condensateur de lissage de la tension et reacutegulateur inteacutegreacute

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CHELLY_ Nizar 13 ISET_Zaghouan

13Chapitre 3 Les transistors bipolaires

Chapitre 3 Les transistors bipolaires

CHAPITRE

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CHELLY_ Nizar 14 ISET_Zaghouan

14Introduction

I Introduction

En eacutelectronique un tel composant est inteacuteressant car il va permettre damplifier un signal et

de commander des actionneurs requeacuterant de la puissance (haut parleurs moteurs etc ) avec

des signaux de faible niveau issus de capteurs (microphone sonde de tempeacuterature depression )

Le transistor agrave jonction va permettre de remplir (entre autres) cette fonction en eacutelectronique

II Principe et caracteacuteristique

II1 Introduction agrave leffet transistor

Nous avons deacutejagrave vu agrave propos de la diode que si celle-ci est polariseacutee en inverse les porteurs

minoritaires (eacutelectrons de la zone P et trous de la zone N creacuteeacutes par lagitation thermique)traversent sans problegravemes la jonction et sont acceacuteleacutereacutes par le champ exteacuterieur

On a vu aussi que lorsque les porteurs majoritaires dune zone franchissent la jonction ils

deviennent minoritaires dans lautre zone et quils mettent un certain temps agrave se recombineravec les porteurs opposeacutes

Partant des deux remarques preacuteceacutedentes on peut deacuteduire que si on injecte dans la zone N

dune jonction NP polariseacutee en inverse beaucoup de trous (qui seront dans cette zone des

porteurs minoritaires) en faisant en sorte quils ne se recombinent pas avec les eacutelectrons de

la zone N ils vont traverser la jonction et creacuteer un courant dans le circuit exteacuterieur

Fig 1 Injection de trous dans une zone N

La figure 1 illustre ce propos il y aura des recombinaisons (charges + et - encercleacutees) mais

limiteacutees et la plupart des trous iront dans la zone P et formeront le courant I2 A noter que les

recombinaisons correspondent au courant I1-I2

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CHELLY_ Nizar 15 ISET_Zaghouan

15Principe et caracteacuteristique

II2 Le transistor reacuteel

Ce que nous venons de deacutecrire nest ni plus ni moins que leffet transistor il ne manque que

le moyen dinjecter des trous dans la zone N et de faire en sorte que les recombinaisons

soient faibles pour que la majoriteacute des trous passent dans la zone P

II21 Principe de fonctionnement

Dans le transistor reacuteel on va apporter les trous en creacuteant une jonction PN que lon va

polariser en direct On rajoute pour ce faire une zone P sur la zone N du montage Fig 1 Cette

zone P qui injecte les trous est alors leacutemetteur et la zone N faiblement dopeacutee est la base

Comme dans le scheacutema de la Fig 1 la jonction NP est polariseacutee en inverse La deuxiegraveme zone

P est le collecteur (voir Fig 2)

Fig 2 Scheacutema de principe dun transistor

Les trous injecteacutes dans la base par leacutemetteur ont une faible probabiliteacute de se recombiner

avec les eacutelectrons de la base pour deux raisons

- la base est faiblement dopeacutee donc les porteurs majoritaires (eacutelectrons) seront peu

nombreux

- la base est eacutetroite et donc les trous eacutemis sont happeacutes par le champ eacutelectrique collecteur-

base avant davoir pu se recombiner (la largeur de la base est petite devant la longueur de

diffusion des porteurs minoritaires injecteacutes par leacutemetteur qui sont ici les trous)

On peut observer le pheacutenomegravene dun point de vue diffeacuterent quand on injecte un eacutelectron

dans la base leacutemetteur devra envoyer plusieurs trous dans la base pour quil y en ait un qui

se recombine avec leacutelectron eacutemis Les autres trous vont passer directement dans lecollecteur

En premiegravere approximation le nombre de trous passant dans le collecteur est proportionnelau nombre deacutelectrons injecteacutes dans la base

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CHELLY_ Nizar 16 ISET_Zaghouan

16Principe et caracteacuteristique

Ce rapport de proportionnaliteacute est un paramegravetre intrinsegraveque au transistor et sappelle le gain

en courant

Il ne deacutepend que des caracteacuteristiques physiques du transistor il ne deacutepend ni de la tension

inverse collecteur base ni du courant circulant dans le collecteur (ceci nest quune

approximation mais dans les hypothegraveses de petits signaux cest assez bien veacuterifieacute)

On a les relations suivantes

= (13) = ( + 1) (23) = minus (33)

II22 Constitution et caracteacuteristiques physiques dun transistor

Un transistor bipolaire est donc constitueacute de trois zones de silicium alternativement dopeacutees N

et P formant deux jonctions PN

Le transistor deacutecrit au paragraphe preacuteceacutedent comporte deux zones P et une zone N Cest une

des deux faccedilons dagencer les jonctions pour fabriquer un transistor

- soit une zone P une N et une P le transistor est dit PNP

- soit une zone N une P et une N le transistor est dit NPN

Dans les deux cas la zone centrale (base) est tregraves eacutetroite vis agrave vis de la longueur de diffusiondes porteurs minoritaires issus de la zone adjacente (leacutemetteur)

La base possegravede en outre la caracteacuteristique decirctre tregraves faiblement dopeacutee en comparaison de

leacutemetteur

II3 Symboles tensions et courants

Dans le symbole du transistor (figures 3 et 4) une flegraveche deacutesigne leacutemetteur ainsi que le sensde circulation du courant deacutemetteur cest le sens de cette flegraveche qui va repeacuterer le type de

transistor NPN pour un courant deacutemetteur sortant du transistor et PNP dans le cas inverse

La base est repreacutesenteacutee par une barre parallegravele agrave laxe collecteur-eacutemetteur Dautres

symboles existent mais celui-ci est le plus usiteacute

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CHELLY_ Nizar 17 ISET_Zaghouan

17Caracteacuteristiques eacutelectriques

Les transistors sont des composants polariseacutes les courants indiqueacutes sont les seuls possibles

pour un fonctionnement correct En conseacutequence il faudra choisir le type de transistor

adapteacute au besoin (NPN ou PNP) et faire attention au sens de branchement

Transistor NPN

Fig 3 Courants et tensions sur un NPN

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont rentrants et le courant deacutemetteur est sortant Les tensions VBE et VCE sont ici positives

Transistor PNP

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont sortants et le courant

deacutemetteur est rentrant Les tensions VBE et VCE sont ici neacutegatives

Fig 4 Courants et tensions sur un PNP

III Caracteacuteristiques eacutelectriques

Pour ce paragraphe nous allons eacutetudier les caracteacuteristiques des transistors NPN Celles destransistors PNP sont les mecircmes aux reacuteserves de signes deacutecrites au paragraphe preacuteceacutedent

III1 Montages de base

Quand on branche un transistor si on sarrange pour quil y ait une patte commune agrave lentreacuteeet agrave la sortie du montage il y a 3 maniegraveres fondamentales de proceacuteder

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CHELLY_ Nizar 18 ISET_Zaghouan

18Caracteacuteristiques eacutelectriques

- la patte commune est leacutemetteur on parle de montage eacutemetteur commun Lentreacutee est la

base et la sortie le collecteur

- La patte commune est la base on parle de montage base commune Lentreacutee est leacutemetteur

et la sortie le collecteur

- La patte commune est le collecteur on parle de montage collecteur commun Lentreacutee est labase et la sortie leacutemetteur

III2 Scheacutema de mesure des caracteacuteristiques

Les caracteacuteristiques qui suivent sont donneacutees pour un montage eacutemetteur commun Le

scheacutema le plus simple est le suivant

Fig 5 Montage de base eacutemetteur commun

Dans ce scheacutema la base est polariseacutee en direct par la reacutesistance de base R b le potentiel de la

base est alors de 07V environ car leacutemetteur est agrave la masse et la jonction base eacutemetteur est

leacutequivalent dune diode passante

Le collecteur est lui polariseacute par la reacutesistance de collecteur Rc de telle maniegravere que la tension

du collecteur soit supeacuterieure agrave la tension de la base la jonction base collecteur est alors

polariseacutee en inverse

On polarise donc convenablement le transistor avec une simple alimentation et deux

reacutesistances Dans ce montage lentreacutee est la base et la sortie est le collecteur

Lentreacutee est caracteacuteriseacutee par les deux grandeurs IB et VBE et la sortie par les grandeurs IC et VCE soit 4 variables

III21 Caracteacuteristique dentreacutee

La caracteacuteristique dentreacutee du transistor est donneacutee par la relation IB = f (VBE) VCE = cte

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CHELLY_ Nizar 19 ISET_Zaghouan

19Caracteacuteristiques eacutelectriques

En fait le circuit dentreacutee est la jonction base eacutemetteur du transistor soit une jonction diode

Cette caracteacuteristique va deacutependre tregraves peu de la tension collecteur eacutemetteur on la donne engeacuteneacuteral pour une seule valeur de VCE La courbe est la suivante

Fig 6 Caracteacuteristique dentreacutee du transistor

La tension VBE est denviron 07V pour une polarisation normale du transistor (courant de

base infeacuterieur au mA) Cette valeur est donc leacutegegraverement supeacuterieure agrave celle dune jonction de

diode

III22 Caracteacuteristique de transfert

La caracteacuteristique de transfert est deacutefinie par la relation IC = f (IB) VCE = cte

Nous avons deacutejagrave dit que le courant deacutemetteur est proportionnel au courant de base

Fig 7 Caracteacuteristique de transfert du transistor

La caracteacuteristique de transfert est donc une droite le transistor est un geacuteneacuterateur de courant

commandeacute par un courant

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CHELLY_ Nizar 20 ISET_Zaghouan

20Caracteacuteristiques eacutelectriques

Si on considegravere le courant de fuite ICEO la caracteacuteristique ne passe pas par lorigine car IC =

ICEO pour IB = 0

Le β du transistor va varier grandement en fonction du type de transistor 5 agrave 10 pour des

transistors de grosse puissance 30 agrave 80 pour des transistors de moyenne puissance et de

100 agrave 500 pour des transistors de signal

III23 Caracteacuteristique de sortie

La caracteacuteristique de sortie du transistor est deacutefinie par la relation IC = f (VCE) IB = cte En

pratique on donne un reacuteseau de caracteacuteristiques pour plusieurs valeurs de IB

Fig 8 Caracteacuteristiques de sortie du transistor

Sur ces caracteacuteristiques (Fig 8) on distingue deux zones

- une zone importante ougrave le courant IC deacutepend tregraves peu de VCE agrave IB donneacute cette

caracteacuteristique est celle dun geacuteneacuterateur de courant agrave reacutesistance interne utiliseacute en reacutecepteur

Dans le cas des transistors petits signaux cette reacutesistance est tregraves grande en premiegravere

approche on consideacuterera que la sortie de ce montage agrave transistor est un geacuteneacuterateur de

courant parfait

- La zone des faibles tensions VCE (0 agrave quelques volts en fonction du transistor) est diffeacuterente

Cest la zone de saturation Quand la tension collecteur-eacutemetteur diminue pour devenir tregraves

faible la jonction collecteur-base cesse decirctre polariseacutee en inverse et leffet transistor deacutecroicirct

alors tregraves rapidement A la limite la jonction collecteur-base devient aussi polariseacutee endirect on na plus un transistor mais leacutequivalent de deux diodes en parallegravele On a une

caracteacuteristique ohmique deacutetermineacutee principalement par la reacutesistiviteacute du silicium du

collecteur Les tensions de saturation sont toujours deacutefinies agrave un courant collecteur donneacute

elles varient de 50mV pour des transistors de signal agrave des courants denviron 10mA agrave 500mV

pour les mecircmes transistors utiliseacutes au maximum de leurs possibiliteacutes (100 agrave 300 mA) et

atteignent 1 agrave 3V pour des transistors de puissance agrave des courants de lordre de 10A

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CHELLY_ Nizar 21 ISET_Zaghouan

21Montage de base

En bref

Ce quil faut retenir dessentiel dans le transistor cest que cest un amplificateur de

courant

Cest un geacuteneacuterateur de (fort) courant (en sortie) piloteacute par un (faible) courant (en

entreacutee)

IV Montage de base

IV1 Preacuteliminaire

IV11 Mise en œuvre du transistor

On a vu que le transistor eacutetait un amplificateur de courant on va donc lutiliser pour

amplifier des signaux issus de sources diverses

Il va falloir pour cela mettre en œuvre tout un montage autour du transistor pour plusieurs

raisons

Alimentation

Le transistor tout en eacutetant classifieacute dans les composants actifs ne fournit pas deacutenergie il

faudra donc que cette eacutenergie vienne de quelque part Cest le rocircle de lalimentation qui va

servir agrave apporter les tensions de polarisation et leacutenergie que le montage sera susceptible de

fournir en sortie

Polarisation

Le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens il va donc falloir le polariser

pour pouvoir y faire passer du courant alternatif cest agrave dire superposer au courant alternatif

un courant continu suffisamment grand pour que le courant total (continu + alternatif)

circule toujours dans le mecircme sens Il faudra en plus que la composante alternative du

courant soit suffisamment petite devant la composante continue pour que la lineacutearisation

faite dans le cadre de lhypothegravese des petits signaux soit justifieacutee

Conversion couranttension

Le transistor est un geacuteneacuterateur de courant Comme il est plus commode de manipuler des

tensions il va falloir convertir ces courants en tensions on va le faire simplement en mettant

des reacutesistances dans des endroits judicieusement choisis du montage

Liaisons

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 6: cours electronique 2011

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6Chapitre2 Redressement monphaseacute

Chapitre2 Redressement monphaseacute

Redressement monophaseacute

CHAPITRE

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7Objectif

I Objectif Le redressement est la conversion dune tension alternative en une tension continue

On utilise un convertisseur alternatif-continu pour alimenter un reacutecepteur en continu agrave

partir du reacuteseau de distribution alternatif

II La diode

La diode est un dipocircle passif polariseacute

En eacutelectrotechnique la diode est eacutequivalente agrave un interrupteur

unidirectionnel non commandeacute

Symbole

A anode

K cathode

Aspect

Caracteacuteristique drsquoune diode parfaite Remarque

cette caracteacuteristique

parfaite est utiliseacutee pourcomprendre le

fonctionnement de

principe des convertisseurs

statiques en

eacutelectrotechnique Elle ne

convient pas en

eacutelectronique

Nous allons eacutetudier le redressement double alternance avec un pont agrave quatre diodes

(pont de Graeumltz)

On trouve ce montage dans les dappareils eacutelectromeacutenagers chaicircne HiFi ordinateur hellip

Les petits boicirctiers noirs qui deacutelivrent une tension entre 5 et 12 V continue et que lon

branche directement sur le secteur 220 V contiennent un transformateur suivi dun pont

redresseur et dun condensateur de lissage

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8Redressement double alternance

III Redressement double alternance

III1 Principe de fonctionnement

III11 MontagePour comprendre le

fonctionnement drsquoun pont

de Graeumltz on peut le

reacutealiser avec des LED qui

srsquoilluminent lorsqursquoelles

sont traverseacutees par un

courant et un GBF tregraves

basse freacutequence (05 Hz)

Alternance positive Alternance neacutegative Commentaires

Alternance positive v gt 0

Alternance neacutegative v lt 0

En suivant le sens de

parcours du courant on voit

les led qui sont allumeacutees et celles qui sont eacuteteintes

On constate

- en entreacutee les led

srsquoallument

alternativement

- dans le pont elles

fonctionnement

alternativement par paires

- en sortie seul la led rouge

est allumeacutee

Scheacutemas eacutequivalents

sur ces scheacutemas les

branches dans lesquelles il

nrsquoy a pas de courant ont eacuteteacute

supprimeacutees

Loi des mailles v = u

v gt 0

u gt 0

Loi des mailles v = -u

v lt 0

u gt 0

On constate que la tension

u de sortie reste toujours

positive

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9Redressement double alternance

III2 Pont de Graeumltz

III21 Scheacutema

Le pont de Graeumltz est constitueacute

de 4 diodesDans lrsquoeacutetude de ce chapitre les

diodes sont supposeacutees parfaites

et donc assimileacutees agrave des

interrupteurs

v est la tension drsquoentreacutee du

pont

u est la tension de sortie

R est la charge reacutesistive4

III22 Analyse du fonctionnement

Alternance positive

D1 et D3 sont passantes uD1 = 0 et uD3 = 0

(interrupteurs fermeacutes)

Loi des mailles v - uD1 ndash u ndash uD3 = 0

v ndash u = 0

u = v gt 0

Loi des noeuds

Alternance neacutegative

D2 et D4 sont passantes uD2 = 0 et uD4 = 0(interrupteurs fermeacutes)

Loi des mailles v + uD2 + u + uD3 = 0

v + u = 0

u = -v gt 0

Loi des noeuds

Loi des mailles pour D1 uD1 + uD4 + u = 0

uD1 = -u = v lt0

III3 Grandeurs caracteacuteristiques

bullPeacuteriode

bullValeurs instantaneacutees

i i D1 j u

R

i j u

R

T T

2 10 ms f 2 f 100 Hz

u V sin( t ) i V

Rsin( t )

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10Filtrage par condensateur lissage de la tension

bullValeurs moyennes

Pour trouver ce reacutesultat il faut inteacutegrer

La valeur moyenne se mesure avec un voltmegravetre numeacuterique sur la position DC

(continue =)

bull Valeurs efficaces

Pour trouver ce reacutesultat il faut inteacutegrer

- un voltmegravetre numeacuterique dit RMS capable de mesurer la valeur efficace drsquoune tension

de forme quelconque RMS Root (racine carreacute) Mean (valeur moyenne) Square (carreacute)

Ce qui veut dire que lrsquoappareil mesure la vraie valeur efficace en utilisant sa deacutefinit ion

matheacutematique

bullPuissance absorbeacutee par la charge

IV Filtrage par condensateur lissage de la tensionOn place en parallegravele avec la charge un condensateur de capaciteacute C

Avantages

On constate que la preacutesence dun

condensateur diminue londulation ∆u de la

tension redresseacutee

avec et

u 2V

i

u

R2V

R

u 1

T

V sin0

T

( t )dt

U V

2 V I

U

R

V

R 2

U 2

1

T

V 2

0

T

sin2( t )dt

U u2

P RI 2 U 2

RV 2

R

u U U U U max

U U min

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11Deacutebit sur charge active R E

La valeur moyenne ltugt est augmenteacutee Elle se

rapproche de

Inconveacutenients

Lapparition de pointes de courant fait que le

transformateur et les diodes fonctionnent

dans de mauvaises conditions

Pour cette raison ce mode de fonctionnement

nest utiliseacute quavec des montages fournissant

des courants faibles tels que le petit

eacutelectromeacutenager

Remarque si la capaciteacute du condensateur est

suffisante (RCgtgtT) londulation ∆u devient neacutegligeable et

V Deacutebit sur charge active R EConsideacuterons une charge RE Il peut srsquoagir par exemple drsquoun moteur courant continu ou

drsquoune batterie recharger Observons lrsquooscilloscope le courant i et la tension u

Loi des mailles

Analyse du la loi des mailles

Si u lt E0 nous trouvons i lt 0 Cette situation est impossible car les diodes se bloquent

Finalement

si u gt E0 alors les diodes conduisent (i gt 0)

si u lt E0 alors les diodes sont bloqueacutees ce qui entraicircne i = 0

V

u V

u E 0 Ri i u E 0 R

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12Exemple drsquoapplication du redressement

Exemple drsquoapplication du redressement

bull Reacutealisation drsquoune alimentation continue stabiliseacutee avec un transformateur un pont de

diode et un condensateur de lissage de la tension et reacutegulateur inteacutegreacute

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CHELLY_ Nizar 13 ISET_Zaghouan

13Chapitre 3 Les transistors bipolaires

Chapitre 3 Les transistors bipolaires

CHAPITRE

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CHELLY_ Nizar 14 ISET_Zaghouan

14Introduction

I Introduction

En eacutelectronique un tel composant est inteacuteressant car il va permettre damplifier un signal et

de commander des actionneurs requeacuterant de la puissance (haut parleurs moteurs etc ) avec

des signaux de faible niveau issus de capteurs (microphone sonde de tempeacuterature depression )

Le transistor agrave jonction va permettre de remplir (entre autres) cette fonction en eacutelectronique

II Principe et caracteacuteristique

II1 Introduction agrave leffet transistor

Nous avons deacutejagrave vu agrave propos de la diode que si celle-ci est polariseacutee en inverse les porteurs

minoritaires (eacutelectrons de la zone P et trous de la zone N creacuteeacutes par lagitation thermique)traversent sans problegravemes la jonction et sont acceacuteleacutereacutes par le champ exteacuterieur

On a vu aussi que lorsque les porteurs majoritaires dune zone franchissent la jonction ils

deviennent minoritaires dans lautre zone et quils mettent un certain temps agrave se recombineravec les porteurs opposeacutes

Partant des deux remarques preacuteceacutedentes on peut deacuteduire que si on injecte dans la zone N

dune jonction NP polariseacutee en inverse beaucoup de trous (qui seront dans cette zone des

porteurs minoritaires) en faisant en sorte quils ne se recombinent pas avec les eacutelectrons de

la zone N ils vont traverser la jonction et creacuteer un courant dans le circuit exteacuterieur

Fig 1 Injection de trous dans une zone N

La figure 1 illustre ce propos il y aura des recombinaisons (charges + et - encercleacutees) mais

limiteacutees et la plupart des trous iront dans la zone P et formeront le courant I2 A noter que les

recombinaisons correspondent au courant I1-I2

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CHELLY_ Nizar 15 ISET_Zaghouan

15Principe et caracteacuteristique

II2 Le transistor reacuteel

Ce que nous venons de deacutecrire nest ni plus ni moins que leffet transistor il ne manque que

le moyen dinjecter des trous dans la zone N et de faire en sorte que les recombinaisons

soient faibles pour que la majoriteacute des trous passent dans la zone P

II21 Principe de fonctionnement

Dans le transistor reacuteel on va apporter les trous en creacuteant une jonction PN que lon va

polariser en direct On rajoute pour ce faire une zone P sur la zone N du montage Fig 1 Cette

zone P qui injecte les trous est alors leacutemetteur et la zone N faiblement dopeacutee est la base

Comme dans le scheacutema de la Fig 1 la jonction NP est polariseacutee en inverse La deuxiegraveme zone

P est le collecteur (voir Fig 2)

Fig 2 Scheacutema de principe dun transistor

Les trous injecteacutes dans la base par leacutemetteur ont une faible probabiliteacute de se recombiner

avec les eacutelectrons de la base pour deux raisons

- la base est faiblement dopeacutee donc les porteurs majoritaires (eacutelectrons) seront peu

nombreux

- la base est eacutetroite et donc les trous eacutemis sont happeacutes par le champ eacutelectrique collecteur-

base avant davoir pu se recombiner (la largeur de la base est petite devant la longueur de

diffusion des porteurs minoritaires injecteacutes par leacutemetteur qui sont ici les trous)

On peut observer le pheacutenomegravene dun point de vue diffeacuterent quand on injecte un eacutelectron

dans la base leacutemetteur devra envoyer plusieurs trous dans la base pour quil y en ait un qui

se recombine avec leacutelectron eacutemis Les autres trous vont passer directement dans lecollecteur

En premiegravere approximation le nombre de trous passant dans le collecteur est proportionnelau nombre deacutelectrons injecteacutes dans la base

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CHELLY_ Nizar 16 ISET_Zaghouan

16Principe et caracteacuteristique

Ce rapport de proportionnaliteacute est un paramegravetre intrinsegraveque au transistor et sappelle le gain

en courant

Il ne deacutepend que des caracteacuteristiques physiques du transistor il ne deacutepend ni de la tension

inverse collecteur base ni du courant circulant dans le collecteur (ceci nest quune

approximation mais dans les hypothegraveses de petits signaux cest assez bien veacuterifieacute)

On a les relations suivantes

= (13) = ( + 1) (23) = minus (33)

II22 Constitution et caracteacuteristiques physiques dun transistor

Un transistor bipolaire est donc constitueacute de trois zones de silicium alternativement dopeacutees N

et P formant deux jonctions PN

Le transistor deacutecrit au paragraphe preacuteceacutedent comporte deux zones P et une zone N Cest une

des deux faccedilons dagencer les jonctions pour fabriquer un transistor

- soit une zone P une N et une P le transistor est dit PNP

- soit une zone N une P et une N le transistor est dit NPN

Dans les deux cas la zone centrale (base) est tregraves eacutetroite vis agrave vis de la longueur de diffusiondes porteurs minoritaires issus de la zone adjacente (leacutemetteur)

La base possegravede en outre la caracteacuteristique decirctre tregraves faiblement dopeacutee en comparaison de

leacutemetteur

II3 Symboles tensions et courants

Dans le symbole du transistor (figures 3 et 4) une flegraveche deacutesigne leacutemetteur ainsi que le sensde circulation du courant deacutemetteur cest le sens de cette flegraveche qui va repeacuterer le type de

transistor NPN pour un courant deacutemetteur sortant du transistor et PNP dans le cas inverse

La base est repreacutesenteacutee par une barre parallegravele agrave laxe collecteur-eacutemetteur Dautres

symboles existent mais celui-ci est le plus usiteacute

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CHELLY_ Nizar 17 ISET_Zaghouan

17Caracteacuteristiques eacutelectriques

Les transistors sont des composants polariseacutes les courants indiqueacutes sont les seuls possibles

pour un fonctionnement correct En conseacutequence il faudra choisir le type de transistor

adapteacute au besoin (NPN ou PNP) et faire attention au sens de branchement

Transistor NPN

Fig 3 Courants et tensions sur un NPN

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont rentrants et le courant deacutemetteur est sortant Les tensions VBE et VCE sont ici positives

Transistor PNP

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont sortants et le courant

deacutemetteur est rentrant Les tensions VBE et VCE sont ici neacutegatives

Fig 4 Courants et tensions sur un PNP

III Caracteacuteristiques eacutelectriques

Pour ce paragraphe nous allons eacutetudier les caracteacuteristiques des transistors NPN Celles destransistors PNP sont les mecircmes aux reacuteserves de signes deacutecrites au paragraphe preacuteceacutedent

III1 Montages de base

Quand on branche un transistor si on sarrange pour quil y ait une patte commune agrave lentreacuteeet agrave la sortie du montage il y a 3 maniegraveres fondamentales de proceacuteder

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CHELLY_ Nizar 18 ISET_Zaghouan

18Caracteacuteristiques eacutelectriques

- la patte commune est leacutemetteur on parle de montage eacutemetteur commun Lentreacutee est la

base et la sortie le collecteur

- La patte commune est la base on parle de montage base commune Lentreacutee est leacutemetteur

et la sortie le collecteur

- La patte commune est le collecteur on parle de montage collecteur commun Lentreacutee est labase et la sortie leacutemetteur

III2 Scheacutema de mesure des caracteacuteristiques

Les caracteacuteristiques qui suivent sont donneacutees pour un montage eacutemetteur commun Le

scheacutema le plus simple est le suivant

Fig 5 Montage de base eacutemetteur commun

Dans ce scheacutema la base est polariseacutee en direct par la reacutesistance de base R b le potentiel de la

base est alors de 07V environ car leacutemetteur est agrave la masse et la jonction base eacutemetteur est

leacutequivalent dune diode passante

Le collecteur est lui polariseacute par la reacutesistance de collecteur Rc de telle maniegravere que la tension

du collecteur soit supeacuterieure agrave la tension de la base la jonction base collecteur est alors

polariseacutee en inverse

On polarise donc convenablement le transistor avec une simple alimentation et deux

reacutesistances Dans ce montage lentreacutee est la base et la sortie est le collecteur

Lentreacutee est caracteacuteriseacutee par les deux grandeurs IB et VBE et la sortie par les grandeurs IC et VCE soit 4 variables

III21 Caracteacuteristique dentreacutee

La caracteacuteristique dentreacutee du transistor est donneacutee par la relation IB = f (VBE) VCE = cte

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CHELLY_ Nizar 19 ISET_Zaghouan

19Caracteacuteristiques eacutelectriques

En fait le circuit dentreacutee est la jonction base eacutemetteur du transistor soit une jonction diode

Cette caracteacuteristique va deacutependre tregraves peu de la tension collecteur eacutemetteur on la donne engeacuteneacuteral pour une seule valeur de VCE La courbe est la suivante

Fig 6 Caracteacuteristique dentreacutee du transistor

La tension VBE est denviron 07V pour une polarisation normale du transistor (courant de

base infeacuterieur au mA) Cette valeur est donc leacutegegraverement supeacuterieure agrave celle dune jonction de

diode

III22 Caracteacuteristique de transfert

La caracteacuteristique de transfert est deacutefinie par la relation IC = f (IB) VCE = cte

Nous avons deacutejagrave dit que le courant deacutemetteur est proportionnel au courant de base

Fig 7 Caracteacuteristique de transfert du transistor

La caracteacuteristique de transfert est donc une droite le transistor est un geacuteneacuterateur de courant

commandeacute par un courant

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CHELLY_ Nizar 20 ISET_Zaghouan

20Caracteacuteristiques eacutelectriques

Si on considegravere le courant de fuite ICEO la caracteacuteristique ne passe pas par lorigine car IC =

ICEO pour IB = 0

Le β du transistor va varier grandement en fonction du type de transistor 5 agrave 10 pour des

transistors de grosse puissance 30 agrave 80 pour des transistors de moyenne puissance et de

100 agrave 500 pour des transistors de signal

III23 Caracteacuteristique de sortie

La caracteacuteristique de sortie du transistor est deacutefinie par la relation IC = f (VCE) IB = cte En

pratique on donne un reacuteseau de caracteacuteristiques pour plusieurs valeurs de IB

Fig 8 Caracteacuteristiques de sortie du transistor

Sur ces caracteacuteristiques (Fig 8) on distingue deux zones

- une zone importante ougrave le courant IC deacutepend tregraves peu de VCE agrave IB donneacute cette

caracteacuteristique est celle dun geacuteneacuterateur de courant agrave reacutesistance interne utiliseacute en reacutecepteur

Dans le cas des transistors petits signaux cette reacutesistance est tregraves grande en premiegravere

approche on consideacuterera que la sortie de ce montage agrave transistor est un geacuteneacuterateur de

courant parfait

- La zone des faibles tensions VCE (0 agrave quelques volts en fonction du transistor) est diffeacuterente

Cest la zone de saturation Quand la tension collecteur-eacutemetteur diminue pour devenir tregraves

faible la jonction collecteur-base cesse decirctre polariseacutee en inverse et leffet transistor deacutecroicirct

alors tregraves rapidement A la limite la jonction collecteur-base devient aussi polariseacutee endirect on na plus un transistor mais leacutequivalent de deux diodes en parallegravele On a une

caracteacuteristique ohmique deacutetermineacutee principalement par la reacutesistiviteacute du silicium du

collecteur Les tensions de saturation sont toujours deacutefinies agrave un courant collecteur donneacute

elles varient de 50mV pour des transistors de signal agrave des courants denviron 10mA agrave 500mV

pour les mecircmes transistors utiliseacutes au maximum de leurs possibiliteacutes (100 agrave 300 mA) et

atteignent 1 agrave 3V pour des transistors de puissance agrave des courants de lordre de 10A

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CHELLY_ Nizar 21 ISET_Zaghouan

21Montage de base

En bref

Ce quil faut retenir dessentiel dans le transistor cest que cest un amplificateur de

courant

Cest un geacuteneacuterateur de (fort) courant (en sortie) piloteacute par un (faible) courant (en

entreacutee)

IV Montage de base

IV1 Preacuteliminaire

IV11 Mise en œuvre du transistor

On a vu que le transistor eacutetait un amplificateur de courant on va donc lutiliser pour

amplifier des signaux issus de sources diverses

Il va falloir pour cela mettre en œuvre tout un montage autour du transistor pour plusieurs

raisons

Alimentation

Le transistor tout en eacutetant classifieacute dans les composants actifs ne fournit pas deacutenergie il

faudra donc que cette eacutenergie vienne de quelque part Cest le rocircle de lalimentation qui va

servir agrave apporter les tensions de polarisation et leacutenergie que le montage sera susceptible de

fournir en sortie

Polarisation

Le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens il va donc falloir le polariser

pour pouvoir y faire passer du courant alternatif cest agrave dire superposer au courant alternatif

un courant continu suffisamment grand pour que le courant total (continu + alternatif)

circule toujours dans le mecircme sens Il faudra en plus que la composante alternative du

courant soit suffisamment petite devant la composante continue pour que la lineacutearisation

faite dans le cadre de lhypothegravese des petits signaux soit justifieacutee

Conversion couranttension

Le transistor est un geacuteneacuterateur de courant Comme il est plus commode de manipuler des

tensions il va falloir convertir ces courants en tensions on va le faire simplement en mettant

des reacutesistances dans des endroits judicieusement choisis du montage

Liaisons

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 7: cours electronique 2011

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7Objectif

I Objectif Le redressement est la conversion dune tension alternative en une tension continue

On utilise un convertisseur alternatif-continu pour alimenter un reacutecepteur en continu agrave

partir du reacuteseau de distribution alternatif

II La diode

La diode est un dipocircle passif polariseacute

En eacutelectrotechnique la diode est eacutequivalente agrave un interrupteur

unidirectionnel non commandeacute

Symbole

A anode

K cathode

Aspect

Caracteacuteristique drsquoune diode parfaite Remarque

cette caracteacuteristique

parfaite est utiliseacutee pourcomprendre le

fonctionnement de

principe des convertisseurs

statiques en

eacutelectrotechnique Elle ne

convient pas en

eacutelectronique

Nous allons eacutetudier le redressement double alternance avec un pont agrave quatre diodes

(pont de Graeumltz)

On trouve ce montage dans les dappareils eacutelectromeacutenagers chaicircne HiFi ordinateur hellip

Les petits boicirctiers noirs qui deacutelivrent une tension entre 5 et 12 V continue et que lon

branche directement sur le secteur 220 V contiennent un transformateur suivi dun pont

redresseur et dun condensateur de lissage

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8Redressement double alternance

III Redressement double alternance

III1 Principe de fonctionnement

III11 MontagePour comprendre le

fonctionnement drsquoun pont

de Graeumltz on peut le

reacutealiser avec des LED qui

srsquoilluminent lorsqursquoelles

sont traverseacutees par un

courant et un GBF tregraves

basse freacutequence (05 Hz)

Alternance positive Alternance neacutegative Commentaires

Alternance positive v gt 0

Alternance neacutegative v lt 0

En suivant le sens de

parcours du courant on voit

les led qui sont allumeacutees et celles qui sont eacuteteintes

On constate

- en entreacutee les led

srsquoallument

alternativement

- dans le pont elles

fonctionnement

alternativement par paires

- en sortie seul la led rouge

est allumeacutee

Scheacutemas eacutequivalents

sur ces scheacutemas les

branches dans lesquelles il

nrsquoy a pas de courant ont eacuteteacute

supprimeacutees

Loi des mailles v = u

v gt 0

u gt 0

Loi des mailles v = -u

v lt 0

u gt 0

On constate que la tension

u de sortie reste toujours

positive

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9Redressement double alternance

III2 Pont de Graeumltz

III21 Scheacutema

Le pont de Graeumltz est constitueacute

de 4 diodesDans lrsquoeacutetude de ce chapitre les

diodes sont supposeacutees parfaites

et donc assimileacutees agrave des

interrupteurs

v est la tension drsquoentreacutee du

pont

u est la tension de sortie

R est la charge reacutesistive4

III22 Analyse du fonctionnement

Alternance positive

D1 et D3 sont passantes uD1 = 0 et uD3 = 0

(interrupteurs fermeacutes)

Loi des mailles v - uD1 ndash u ndash uD3 = 0

v ndash u = 0

u = v gt 0

Loi des noeuds

Alternance neacutegative

D2 et D4 sont passantes uD2 = 0 et uD4 = 0(interrupteurs fermeacutes)

Loi des mailles v + uD2 + u + uD3 = 0

v + u = 0

u = -v gt 0

Loi des noeuds

Loi des mailles pour D1 uD1 + uD4 + u = 0

uD1 = -u = v lt0

III3 Grandeurs caracteacuteristiques

bullPeacuteriode

bullValeurs instantaneacutees

i i D1 j u

R

i j u

R

T T

2 10 ms f 2 f 100 Hz

u V sin( t ) i V

Rsin( t )

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10Filtrage par condensateur lissage de la tension

bullValeurs moyennes

Pour trouver ce reacutesultat il faut inteacutegrer

La valeur moyenne se mesure avec un voltmegravetre numeacuterique sur la position DC

(continue =)

bull Valeurs efficaces

Pour trouver ce reacutesultat il faut inteacutegrer

- un voltmegravetre numeacuterique dit RMS capable de mesurer la valeur efficace drsquoune tension

de forme quelconque RMS Root (racine carreacute) Mean (valeur moyenne) Square (carreacute)

Ce qui veut dire que lrsquoappareil mesure la vraie valeur efficace en utilisant sa deacutefinit ion

matheacutematique

bullPuissance absorbeacutee par la charge

IV Filtrage par condensateur lissage de la tensionOn place en parallegravele avec la charge un condensateur de capaciteacute C

Avantages

On constate que la preacutesence dun

condensateur diminue londulation ∆u de la

tension redresseacutee

avec et

u 2V

i

u

R2V

R

u 1

T

V sin0

T

( t )dt

U V

2 V I

U

R

V

R 2

U 2

1

T

V 2

0

T

sin2( t )dt

U u2

P RI 2 U 2

RV 2

R

u U U U U max

U U min

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11Deacutebit sur charge active R E

La valeur moyenne ltugt est augmenteacutee Elle se

rapproche de

Inconveacutenients

Lapparition de pointes de courant fait que le

transformateur et les diodes fonctionnent

dans de mauvaises conditions

Pour cette raison ce mode de fonctionnement

nest utiliseacute quavec des montages fournissant

des courants faibles tels que le petit

eacutelectromeacutenager

Remarque si la capaciteacute du condensateur est

suffisante (RCgtgtT) londulation ∆u devient neacutegligeable et

V Deacutebit sur charge active R EConsideacuterons une charge RE Il peut srsquoagir par exemple drsquoun moteur courant continu ou

drsquoune batterie recharger Observons lrsquooscilloscope le courant i et la tension u

Loi des mailles

Analyse du la loi des mailles

Si u lt E0 nous trouvons i lt 0 Cette situation est impossible car les diodes se bloquent

Finalement

si u gt E0 alors les diodes conduisent (i gt 0)

si u lt E0 alors les diodes sont bloqueacutees ce qui entraicircne i = 0

V

u V

u E 0 Ri i u E 0 R

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12Exemple drsquoapplication du redressement

Exemple drsquoapplication du redressement

bull Reacutealisation drsquoune alimentation continue stabiliseacutee avec un transformateur un pont de

diode et un condensateur de lissage de la tension et reacutegulateur inteacutegreacute

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CHELLY_ Nizar 13 ISET_Zaghouan

13Chapitre 3 Les transistors bipolaires

Chapitre 3 Les transistors bipolaires

CHAPITRE

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CHELLY_ Nizar 14 ISET_Zaghouan

14Introduction

I Introduction

En eacutelectronique un tel composant est inteacuteressant car il va permettre damplifier un signal et

de commander des actionneurs requeacuterant de la puissance (haut parleurs moteurs etc ) avec

des signaux de faible niveau issus de capteurs (microphone sonde de tempeacuterature depression )

Le transistor agrave jonction va permettre de remplir (entre autres) cette fonction en eacutelectronique

II Principe et caracteacuteristique

II1 Introduction agrave leffet transistor

Nous avons deacutejagrave vu agrave propos de la diode que si celle-ci est polariseacutee en inverse les porteurs

minoritaires (eacutelectrons de la zone P et trous de la zone N creacuteeacutes par lagitation thermique)traversent sans problegravemes la jonction et sont acceacuteleacutereacutes par le champ exteacuterieur

On a vu aussi que lorsque les porteurs majoritaires dune zone franchissent la jonction ils

deviennent minoritaires dans lautre zone et quils mettent un certain temps agrave se recombineravec les porteurs opposeacutes

Partant des deux remarques preacuteceacutedentes on peut deacuteduire que si on injecte dans la zone N

dune jonction NP polariseacutee en inverse beaucoup de trous (qui seront dans cette zone des

porteurs minoritaires) en faisant en sorte quils ne se recombinent pas avec les eacutelectrons de

la zone N ils vont traverser la jonction et creacuteer un courant dans le circuit exteacuterieur

Fig 1 Injection de trous dans une zone N

La figure 1 illustre ce propos il y aura des recombinaisons (charges + et - encercleacutees) mais

limiteacutees et la plupart des trous iront dans la zone P et formeront le courant I2 A noter que les

recombinaisons correspondent au courant I1-I2

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CHELLY_ Nizar 15 ISET_Zaghouan

15Principe et caracteacuteristique

II2 Le transistor reacuteel

Ce que nous venons de deacutecrire nest ni plus ni moins que leffet transistor il ne manque que

le moyen dinjecter des trous dans la zone N et de faire en sorte que les recombinaisons

soient faibles pour que la majoriteacute des trous passent dans la zone P

II21 Principe de fonctionnement

Dans le transistor reacuteel on va apporter les trous en creacuteant une jonction PN que lon va

polariser en direct On rajoute pour ce faire une zone P sur la zone N du montage Fig 1 Cette

zone P qui injecte les trous est alors leacutemetteur et la zone N faiblement dopeacutee est la base

Comme dans le scheacutema de la Fig 1 la jonction NP est polariseacutee en inverse La deuxiegraveme zone

P est le collecteur (voir Fig 2)

Fig 2 Scheacutema de principe dun transistor

Les trous injecteacutes dans la base par leacutemetteur ont une faible probabiliteacute de se recombiner

avec les eacutelectrons de la base pour deux raisons

- la base est faiblement dopeacutee donc les porteurs majoritaires (eacutelectrons) seront peu

nombreux

- la base est eacutetroite et donc les trous eacutemis sont happeacutes par le champ eacutelectrique collecteur-

base avant davoir pu se recombiner (la largeur de la base est petite devant la longueur de

diffusion des porteurs minoritaires injecteacutes par leacutemetteur qui sont ici les trous)

On peut observer le pheacutenomegravene dun point de vue diffeacuterent quand on injecte un eacutelectron

dans la base leacutemetteur devra envoyer plusieurs trous dans la base pour quil y en ait un qui

se recombine avec leacutelectron eacutemis Les autres trous vont passer directement dans lecollecteur

En premiegravere approximation le nombre de trous passant dans le collecteur est proportionnelau nombre deacutelectrons injecteacutes dans la base

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CHELLY_ Nizar 16 ISET_Zaghouan

16Principe et caracteacuteristique

Ce rapport de proportionnaliteacute est un paramegravetre intrinsegraveque au transistor et sappelle le gain

en courant

Il ne deacutepend que des caracteacuteristiques physiques du transistor il ne deacutepend ni de la tension

inverse collecteur base ni du courant circulant dans le collecteur (ceci nest quune

approximation mais dans les hypothegraveses de petits signaux cest assez bien veacuterifieacute)

On a les relations suivantes

= (13) = ( + 1) (23) = minus (33)

II22 Constitution et caracteacuteristiques physiques dun transistor

Un transistor bipolaire est donc constitueacute de trois zones de silicium alternativement dopeacutees N

et P formant deux jonctions PN

Le transistor deacutecrit au paragraphe preacuteceacutedent comporte deux zones P et une zone N Cest une

des deux faccedilons dagencer les jonctions pour fabriquer un transistor

- soit une zone P une N et une P le transistor est dit PNP

- soit une zone N une P et une N le transistor est dit NPN

Dans les deux cas la zone centrale (base) est tregraves eacutetroite vis agrave vis de la longueur de diffusiondes porteurs minoritaires issus de la zone adjacente (leacutemetteur)

La base possegravede en outre la caracteacuteristique decirctre tregraves faiblement dopeacutee en comparaison de

leacutemetteur

II3 Symboles tensions et courants

Dans le symbole du transistor (figures 3 et 4) une flegraveche deacutesigne leacutemetteur ainsi que le sensde circulation du courant deacutemetteur cest le sens de cette flegraveche qui va repeacuterer le type de

transistor NPN pour un courant deacutemetteur sortant du transistor et PNP dans le cas inverse

La base est repreacutesenteacutee par une barre parallegravele agrave laxe collecteur-eacutemetteur Dautres

symboles existent mais celui-ci est le plus usiteacute

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CHELLY_ Nizar 17 ISET_Zaghouan

17Caracteacuteristiques eacutelectriques

Les transistors sont des composants polariseacutes les courants indiqueacutes sont les seuls possibles

pour un fonctionnement correct En conseacutequence il faudra choisir le type de transistor

adapteacute au besoin (NPN ou PNP) et faire attention au sens de branchement

Transistor NPN

Fig 3 Courants et tensions sur un NPN

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont rentrants et le courant deacutemetteur est sortant Les tensions VBE et VCE sont ici positives

Transistor PNP

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont sortants et le courant

deacutemetteur est rentrant Les tensions VBE et VCE sont ici neacutegatives

Fig 4 Courants et tensions sur un PNP

III Caracteacuteristiques eacutelectriques

Pour ce paragraphe nous allons eacutetudier les caracteacuteristiques des transistors NPN Celles destransistors PNP sont les mecircmes aux reacuteserves de signes deacutecrites au paragraphe preacuteceacutedent

III1 Montages de base

Quand on branche un transistor si on sarrange pour quil y ait une patte commune agrave lentreacuteeet agrave la sortie du montage il y a 3 maniegraveres fondamentales de proceacuteder

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CHELLY_ Nizar 18 ISET_Zaghouan

18Caracteacuteristiques eacutelectriques

- la patte commune est leacutemetteur on parle de montage eacutemetteur commun Lentreacutee est la

base et la sortie le collecteur

- La patte commune est la base on parle de montage base commune Lentreacutee est leacutemetteur

et la sortie le collecteur

- La patte commune est le collecteur on parle de montage collecteur commun Lentreacutee est labase et la sortie leacutemetteur

III2 Scheacutema de mesure des caracteacuteristiques

Les caracteacuteristiques qui suivent sont donneacutees pour un montage eacutemetteur commun Le

scheacutema le plus simple est le suivant

Fig 5 Montage de base eacutemetteur commun

Dans ce scheacutema la base est polariseacutee en direct par la reacutesistance de base R b le potentiel de la

base est alors de 07V environ car leacutemetteur est agrave la masse et la jonction base eacutemetteur est

leacutequivalent dune diode passante

Le collecteur est lui polariseacute par la reacutesistance de collecteur Rc de telle maniegravere que la tension

du collecteur soit supeacuterieure agrave la tension de la base la jonction base collecteur est alors

polariseacutee en inverse

On polarise donc convenablement le transistor avec une simple alimentation et deux

reacutesistances Dans ce montage lentreacutee est la base et la sortie est le collecteur

Lentreacutee est caracteacuteriseacutee par les deux grandeurs IB et VBE et la sortie par les grandeurs IC et VCE soit 4 variables

III21 Caracteacuteristique dentreacutee

La caracteacuteristique dentreacutee du transistor est donneacutee par la relation IB = f (VBE) VCE = cte

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CHELLY_ Nizar 19 ISET_Zaghouan

19Caracteacuteristiques eacutelectriques

En fait le circuit dentreacutee est la jonction base eacutemetteur du transistor soit une jonction diode

Cette caracteacuteristique va deacutependre tregraves peu de la tension collecteur eacutemetteur on la donne engeacuteneacuteral pour une seule valeur de VCE La courbe est la suivante

Fig 6 Caracteacuteristique dentreacutee du transistor

La tension VBE est denviron 07V pour une polarisation normale du transistor (courant de

base infeacuterieur au mA) Cette valeur est donc leacutegegraverement supeacuterieure agrave celle dune jonction de

diode

III22 Caracteacuteristique de transfert

La caracteacuteristique de transfert est deacutefinie par la relation IC = f (IB) VCE = cte

Nous avons deacutejagrave dit que le courant deacutemetteur est proportionnel au courant de base

Fig 7 Caracteacuteristique de transfert du transistor

La caracteacuteristique de transfert est donc une droite le transistor est un geacuteneacuterateur de courant

commandeacute par un courant

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CHELLY_ Nizar 20 ISET_Zaghouan

20Caracteacuteristiques eacutelectriques

Si on considegravere le courant de fuite ICEO la caracteacuteristique ne passe pas par lorigine car IC =

ICEO pour IB = 0

Le β du transistor va varier grandement en fonction du type de transistor 5 agrave 10 pour des

transistors de grosse puissance 30 agrave 80 pour des transistors de moyenne puissance et de

100 agrave 500 pour des transistors de signal

III23 Caracteacuteristique de sortie

La caracteacuteristique de sortie du transistor est deacutefinie par la relation IC = f (VCE) IB = cte En

pratique on donne un reacuteseau de caracteacuteristiques pour plusieurs valeurs de IB

Fig 8 Caracteacuteristiques de sortie du transistor

Sur ces caracteacuteristiques (Fig 8) on distingue deux zones

- une zone importante ougrave le courant IC deacutepend tregraves peu de VCE agrave IB donneacute cette

caracteacuteristique est celle dun geacuteneacuterateur de courant agrave reacutesistance interne utiliseacute en reacutecepteur

Dans le cas des transistors petits signaux cette reacutesistance est tregraves grande en premiegravere

approche on consideacuterera que la sortie de ce montage agrave transistor est un geacuteneacuterateur de

courant parfait

- La zone des faibles tensions VCE (0 agrave quelques volts en fonction du transistor) est diffeacuterente

Cest la zone de saturation Quand la tension collecteur-eacutemetteur diminue pour devenir tregraves

faible la jonction collecteur-base cesse decirctre polariseacutee en inverse et leffet transistor deacutecroicirct

alors tregraves rapidement A la limite la jonction collecteur-base devient aussi polariseacutee endirect on na plus un transistor mais leacutequivalent de deux diodes en parallegravele On a une

caracteacuteristique ohmique deacutetermineacutee principalement par la reacutesistiviteacute du silicium du

collecteur Les tensions de saturation sont toujours deacutefinies agrave un courant collecteur donneacute

elles varient de 50mV pour des transistors de signal agrave des courants denviron 10mA agrave 500mV

pour les mecircmes transistors utiliseacutes au maximum de leurs possibiliteacutes (100 agrave 300 mA) et

atteignent 1 agrave 3V pour des transistors de puissance agrave des courants de lordre de 10A

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CHELLY_ Nizar 21 ISET_Zaghouan

21Montage de base

En bref

Ce quil faut retenir dessentiel dans le transistor cest que cest un amplificateur de

courant

Cest un geacuteneacuterateur de (fort) courant (en sortie) piloteacute par un (faible) courant (en

entreacutee)

IV Montage de base

IV1 Preacuteliminaire

IV11 Mise en œuvre du transistor

On a vu que le transistor eacutetait un amplificateur de courant on va donc lutiliser pour

amplifier des signaux issus de sources diverses

Il va falloir pour cela mettre en œuvre tout un montage autour du transistor pour plusieurs

raisons

Alimentation

Le transistor tout en eacutetant classifieacute dans les composants actifs ne fournit pas deacutenergie il

faudra donc que cette eacutenergie vienne de quelque part Cest le rocircle de lalimentation qui va

servir agrave apporter les tensions de polarisation et leacutenergie que le montage sera susceptible de

fournir en sortie

Polarisation

Le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens il va donc falloir le polariser

pour pouvoir y faire passer du courant alternatif cest agrave dire superposer au courant alternatif

un courant continu suffisamment grand pour que le courant total (continu + alternatif)

circule toujours dans le mecircme sens Il faudra en plus que la composante alternative du

courant soit suffisamment petite devant la composante continue pour que la lineacutearisation

faite dans le cadre de lhypothegravese des petits signaux soit justifieacutee

Conversion couranttension

Le transistor est un geacuteneacuterateur de courant Comme il est plus commode de manipuler des

tensions il va falloir convertir ces courants en tensions on va le faire simplement en mettant

des reacutesistances dans des endroits judicieusement choisis du montage

Liaisons

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 8: cours electronique 2011

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8Redressement double alternance

III Redressement double alternance

III1 Principe de fonctionnement

III11 MontagePour comprendre le

fonctionnement drsquoun pont

de Graeumltz on peut le

reacutealiser avec des LED qui

srsquoilluminent lorsqursquoelles

sont traverseacutees par un

courant et un GBF tregraves

basse freacutequence (05 Hz)

Alternance positive Alternance neacutegative Commentaires

Alternance positive v gt 0

Alternance neacutegative v lt 0

En suivant le sens de

parcours du courant on voit

les led qui sont allumeacutees et celles qui sont eacuteteintes

On constate

- en entreacutee les led

srsquoallument

alternativement

- dans le pont elles

fonctionnement

alternativement par paires

- en sortie seul la led rouge

est allumeacutee

Scheacutemas eacutequivalents

sur ces scheacutemas les

branches dans lesquelles il

nrsquoy a pas de courant ont eacuteteacute

supprimeacutees

Loi des mailles v = u

v gt 0

u gt 0

Loi des mailles v = -u

v lt 0

u gt 0

On constate que la tension

u de sortie reste toujours

positive

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9Redressement double alternance

III2 Pont de Graeumltz

III21 Scheacutema

Le pont de Graeumltz est constitueacute

de 4 diodesDans lrsquoeacutetude de ce chapitre les

diodes sont supposeacutees parfaites

et donc assimileacutees agrave des

interrupteurs

v est la tension drsquoentreacutee du

pont

u est la tension de sortie

R est la charge reacutesistive4

III22 Analyse du fonctionnement

Alternance positive

D1 et D3 sont passantes uD1 = 0 et uD3 = 0

(interrupteurs fermeacutes)

Loi des mailles v - uD1 ndash u ndash uD3 = 0

v ndash u = 0

u = v gt 0

Loi des noeuds

Alternance neacutegative

D2 et D4 sont passantes uD2 = 0 et uD4 = 0(interrupteurs fermeacutes)

Loi des mailles v + uD2 + u + uD3 = 0

v + u = 0

u = -v gt 0

Loi des noeuds

Loi des mailles pour D1 uD1 + uD4 + u = 0

uD1 = -u = v lt0

III3 Grandeurs caracteacuteristiques

bullPeacuteriode

bullValeurs instantaneacutees

i i D1 j u

R

i j u

R

T T

2 10 ms f 2 f 100 Hz

u V sin( t ) i V

Rsin( t )

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10Filtrage par condensateur lissage de la tension

bullValeurs moyennes

Pour trouver ce reacutesultat il faut inteacutegrer

La valeur moyenne se mesure avec un voltmegravetre numeacuterique sur la position DC

(continue =)

bull Valeurs efficaces

Pour trouver ce reacutesultat il faut inteacutegrer

- un voltmegravetre numeacuterique dit RMS capable de mesurer la valeur efficace drsquoune tension

de forme quelconque RMS Root (racine carreacute) Mean (valeur moyenne) Square (carreacute)

Ce qui veut dire que lrsquoappareil mesure la vraie valeur efficace en utilisant sa deacutefinit ion

matheacutematique

bullPuissance absorbeacutee par la charge

IV Filtrage par condensateur lissage de la tensionOn place en parallegravele avec la charge un condensateur de capaciteacute C

Avantages

On constate que la preacutesence dun

condensateur diminue londulation ∆u de la

tension redresseacutee

avec et

u 2V

i

u

R2V

R

u 1

T

V sin0

T

( t )dt

U V

2 V I

U

R

V

R 2

U 2

1

T

V 2

0

T

sin2( t )dt

U u2

P RI 2 U 2

RV 2

R

u U U U U max

U U min

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11Deacutebit sur charge active R E

La valeur moyenne ltugt est augmenteacutee Elle se

rapproche de

Inconveacutenients

Lapparition de pointes de courant fait que le

transformateur et les diodes fonctionnent

dans de mauvaises conditions

Pour cette raison ce mode de fonctionnement

nest utiliseacute quavec des montages fournissant

des courants faibles tels que le petit

eacutelectromeacutenager

Remarque si la capaciteacute du condensateur est

suffisante (RCgtgtT) londulation ∆u devient neacutegligeable et

V Deacutebit sur charge active R EConsideacuterons une charge RE Il peut srsquoagir par exemple drsquoun moteur courant continu ou

drsquoune batterie recharger Observons lrsquooscilloscope le courant i et la tension u

Loi des mailles

Analyse du la loi des mailles

Si u lt E0 nous trouvons i lt 0 Cette situation est impossible car les diodes se bloquent

Finalement

si u gt E0 alors les diodes conduisent (i gt 0)

si u lt E0 alors les diodes sont bloqueacutees ce qui entraicircne i = 0

V

u V

u E 0 Ri i u E 0 R

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12Exemple drsquoapplication du redressement

Exemple drsquoapplication du redressement

bull Reacutealisation drsquoune alimentation continue stabiliseacutee avec un transformateur un pont de

diode et un condensateur de lissage de la tension et reacutegulateur inteacutegreacute

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CHELLY_ Nizar 13 ISET_Zaghouan

13Chapitre 3 Les transistors bipolaires

Chapitre 3 Les transistors bipolaires

CHAPITRE

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CHELLY_ Nizar 14 ISET_Zaghouan

14Introduction

I Introduction

En eacutelectronique un tel composant est inteacuteressant car il va permettre damplifier un signal et

de commander des actionneurs requeacuterant de la puissance (haut parleurs moteurs etc ) avec

des signaux de faible niveau issus de capteurs (microphone sonde de tempeacuterature depression )

Le transistor agrave jonction va permettre de remplir (entre autres) cette fonction en eacutelectronique

II Principe et caracteacuteristique

II1 Introduction agrave leffet transistor

Nous avons deacutejagrave vu agrave propos de la diode que si celle-ci est polariseacutee en inverse les porteurs

minoritaires (eacutelectrons de la zone P et trous de la zone N creacuteeacutes par lagitation thermique)traversent sans problegravemes la jonction et sont acceacuteleacutereacutes par le champ exteacuterieur

On a vu aussi que lorsque les porteurs majoritaires dune zone franchissent la jonction ils

deviennent minoritaires dans lautre zone et quils mettent un certain temps agrave se recombineravec les porteurs opposeacutes

Partant des deux remarques preacuteceacutedentes on peut deacuteduire que si on injecte dans la zone N

dune jonction NP polariseacutee en inverse beaucoup de trous (qui seront dans cette zone des

porteurs minoritaires) en faisant en sorte quils ne se recombinent pas avec les eacutelectrons de

la zone N ils vont traverser la jonction et creacuteer un courant dans le circuit exteacuterieur

Fig 1 Injection de trous dans une zone N

La figure 1 illustre ce propos il y aura des recombinaisons (charges + et - encercleacutees) mais

limiteacutees et la plupart des trous iront dans la zone P et formeront le courant I2 A noter que les

recombinaisons correspondent au courant I1-I2

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CHELLY_ Nizar 15 ISET_Zaghouan

15Principe et caracteacuteristique

II2 Le transistor reacuteel

Ce que nous venons de deacutecrire nest ni plus ni moins que leffet transistor il ne manque que

le moyen dinjecter des trous dans la zone N et de faire en sorte que les recombinaisons

soient faibles pour que la majoriteacute des trous passent dans la zone P

II21 Principe de fonctionnement

Dans le transistor reacuteel on va apporter les trous en creacuteant une jonction PN que lon va

polariser en direct On rajoute pour ce faire une zone P sur la zone N du montage Fig 1 Cette

zone P qui injecte les trous est alors leacutemetteur et la zone N faiblement dopeacutee est la base

Comme dans le scheacutema de la Fig 1 la jonction NP est polariseacutee en inverse La deuxiegraveme zone

P est le collecteur (voir Fig 2)

Fig 2 Scheacutema de principe dun transistor

Les trous injecteacutes dans la base par leacutemetteur ont une faible probabiliteacute de se recombiner

avec les eacutelectrons de la base pour deux raisons

- la base est faiblement dopeacutee donc les porteurs majoritaires (eacutelectrons) seront peu

nombreux

- la base est eacutetroite et donc les trous eacutemis sont happeacutes par le champ eacutelectrique collecteur-

base avant davoir pu se recombiner (la largeur de la base est petite devant la longueur de

diffusion des porteurs minoritaires injecteacutes par leacutemetteur qui sont ici les trous)

On peut observer le pheacutenomegravene dun point de vue diffeacuterent quand on injecte un eacutelectron

dans la base leacutemetteur devra envoyer plusieurs trous dans la base pour quil y en ait un qui

se recombine avec leacutelectron eacutemis Les autres trous vont passer directement dans lecollecteur

En premiegravere approximation le nombre de trous passant dans le collecteur est proportionnelau nombre deacutelectrons injecteacutes dans la base

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CHELLY_ Nizar 16 ISET_Zaghouan

16Principe et caracteacuteristique

Ce rapport de proportionnaliteacute est un paramegravetre intrinsegraveque au transistor et sappelle le gain

en courant

Il ne deacutepend que des caracteacuteristiques physiques du transistor il ne deacutepend ni de la tension

inverse collecteur base ni du courant circulant dans le collecteur (ceci nest quune

approximation mais dans les hypothegraveses de petits signaux cest assez bien veacuterifieacute)

On a les relations suivantes

= (13) = ( + 1) (23) = minus (33)

II22 Constitution et caracteacuteristiques physiques dun transistor

Un transistor bipolaire est donc constitueacute de trois zones de silicium alternativement dopeacutees N

et P formant deux jonctions PN

Le transistor deacutecrit au paragraphe preacuteceacutedent comporte deux zones P et une zone N Cest une

des deux faccedilons dagencer les jonctions pour fabriquer un transistor

- soit une zone P une N et une P le transistor est dit PNP

- soit une zone N une P et une N le transistor est dit NPN

Dans les deux cas la zone centrale (base) est tregraves eacutetroite vis agrave vis de la longueur de diffusiondes porteurs minoritaires issus de la zone adjacente (leacutemetteur)

La base possegravede en outre la caracteacuteristique decirctre tregraves faiblement dopeacutee en comparaison de

leacutemetteur

II3 Symboles tensions et courants

Dans le symbole du transistor (figures 3 et 4) une flegraveche deacutesigne leacutemetteur ainsi que le sensde circulation du courant deacutemetteur cest le sens de cette flegraveche qui va repeacuterer le type de

transistor NPN pour un courant deacutemetteur sortant du transistor et PNP dans le cas inverse

La base est repreacutesenteacutee par une barre parallegravele agrave laxe collecteur-eacutemetteur Dautres

symboles existent mais celui-ci est le plus usiteacute

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CHELLY_ Nizar 17 ISET_Zaghouan

17Caracteacuteristiques eacutelectriques

Les transistors sont des composants polariseacutes les courants indiqueacutes sont les seuls possibles

pour un fonctionnement correct En conseacutequence il faudra choisir le type de transistor

adapteacute au besoin (NPN ou PNP) et faire attention au sens de branchement

Transistor NPN

Fig 3 Courants et tensions sur un NPN

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont rentrants et le courant deacutemetteur est sortant Les tensions VBE et VCE sont ici positives

Transistor PNP

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont sortants et le courant

deacutemetteur est rentrant Les tensions VBE et VCE sont ici neacutegatives

Fig 4 Courants et tensions sur un PNP

III Caracteacuteristiques eacutelectriques

Pour ce paragraphe nous allons eacutetudier les caracteacuteristiques des transistors NPN Celles destransistors PNP sont les mecircmes aux reacuteserves de signes deacutecrites au paragraphe preacuteceacutedent

III1 Montages de base

Quand on branche un transistor si on sarrange pour quil y ait une patte commune agrave lentreacuteeet agrave la sortie du montage il y a 3 maniegraveres fondamentales de proceacuteder

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CHELLY_ Nizar 18 ISET_Zaghouan

18Caracteacuteristiques eacutelectriques

- la patte commune est leacutemetteur on parle de montage eacutemetteur commun Lentreacutee est la

base et la sortie le collecteur

- La patte commune est la base on parle de montage base commune Lentreacutee est leacutemetteur

et la sortie le collecteur

- La patte commune est le collecteur on parle de montage collecteur commun Lentreacutee est labase et la sortie leacutemetteur

III2 Scheacutema de mesure des caracteacuteristiques

Les caracteacuteristiques qui suivent sont donneacutees pour un montage eacutemetteur commun Le

scheacutema le plus simple est le suivant

Fig 5 Montage de base eacutemetteur commun

Dans ce scheacutema la base est polariseacutee en direct par la reacutesistance de base R b le potentiel de la

base est alors de 07V environ car leacutemetteur est agrave la masse et la jonction base eacutemetteur est

leacutequivalent dune diode passante

Le collecteur est lui polariseacute par la reacutesistance de collecteur Rc de telle maniegravere que la tension

du collecteur soit supeacuterieure agrave la tension de la base la jonction base collecteur est alors

polariseacutee en inverse

On polarise donc convenablement le transistor avec une simple alimentation et deux

reacutesistances Dans ce montage lentreacutee est la base et la sortie est le collecteur

Lentreacutee est caracteacuteriseacutee par les deux grandeurs IB et VBE et la sortie par les grandeurs IC et VCE soit 4 variables

III21 Caracteacuteristique dentreacutee

La caracteacuteristique dentreacutee du transistor est donneacutee par la relation IB = f (VBE) VCE = cte

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CHELLY_ Nizar 19 ISET_Zaghouan

19Caracteacuteristiques eacutelectriques

En fait le circuit dentreacutee est la jonction base eacutemetteur du transistor soit une jonction diode

Cette caracteacuteristique va deacutependre tregraves peu de la tension collecteur eacutemetteur on la donne engeacuteneacuteral pour une seule valeur de VCE La courbe est la suivante

Fig 6 Caracteacuteristique dentreacutee du transistor

La tension VBE est denviron 07V pour une polarisation normale du transistor (courant de

base infeacuterieur au mA) Cette valeur est donc leacutegegraverement supeacuterieure agrave celle dune jonction de

diode

III22 Caracteacuteristique de transfert

La caracteacuteristique de transfert est deacutefinie par la relation IC = f (IB) VCE = cte

Nous avons deacutejagrave dit que le courant deacutemetteur est proportionnel au courant de base

Fig 7 Caracteacuteristique de transfert du transistor

La caracteacuteristique de transfert est donc une droite le transistor est un geacuteneacuterateur de courant

commandeacute par un courant

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CHELLY_ Nizar 20 ISET_Zaghouan

20Caracteacuteristiques eacutelectriques

Si on considegravere le courant de fuite ICEO la caracteacuteristique ne passe pas par lorigine car IC =

ICEO pour IB = 0

Le β du transistor va varier grandement en fonction du type de transistor 5 agrave 10 pour des

transistors de grosse puissance 30 agrave 80 pour des transistors de moyenne puissance et de

100 agrave 500 pour des transistors de signal

III23 Caracteacuteristique de sortie

La caracteacuteristique de sortie du transistor est deacutefinie par la relation IC = f (VCE) IB = cte En

pratique on donne un reacuteseau de caracteacuteristiques pour plusieurs valeurs de IB

Fig 8 Caracteacuteristiques de sortie du transistor

Sur ces caracteacuteristiques (Fig 8) on distingue deux zones

- une zone importante ougrave le courant IC deacutepend tregraves peu de VCE agrave IB donneacute cette

caracteacuteristique est celle dun geacuteneacuterateur de courant agrave reacutesistance interne utiliseacute en reacutecepteur

Dans le cas des transistors petits signaux cette reacutesistance est tregraves grande en premiegravere

approche on consideacuterera que la sortie de ce montage agrave transistor est un geacuteneacuterateur de

courant parfait

- La zone des faibles tensions VCE (0 agrave quelques volts en fonction du transistor) est diffeacuterente

Cest la zone de saturation Quand la tension collecteur-eacutemetteur diminue pour devenir tregraves

faible la jonction collecteur-base cesse decirctre polariseacutee en inverse et leffet transistor deacutecroicirct

alors tregraves rapidement A la limite la jonction collecteur-base devient aussi polariseacutee endirect on na plus un transistor mais leacutequivalent de deux diodes en parallegravele On a une

caracteacuteristique ohmique deacutetermineacutee principalement par la reacutesistiviteacute du silicium du

collecteur Les tensions de saturation sont toujours deacutefinies agrave un courant collecteur donneacute

elles varient de 50mV pour des transistors de signal agrave des courants denviron 10mA agrave 500mV

pour les mecircmes transistors utiliseacutes au maximum de leurs possibiliteacutes (100 agrave 300 mA) et

atteignent 1 agrave 3V pour des transistors de puissance agrave des courants de lordre de 10A

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CHELLY_ Nizar 21 ISET_Zaghouan

21Montage de base

En bref

Ce quil faut retenir dessentiel dans le transistor cest que cest un amplificateur de

courant

Cest un geacuteneacuterateur de (fort) courant (en sortie) piloteacute par un (faible) courant (en

entreacutee)

IV Montage de base

IV1 Preacuteliminaire

IV11 Mise en œuvre du transistor

On a vu que le transistor eacutetait un amplificateur de courant on va donc lutiliser pour

amplifier des signaux issus de sources diverses

Il va falloir pour cela mettre en œuvre tout un montage autour du transistor pour plusieurs

raisons

Alimentation

Le transistor tout en eacutetant classifieacute dans les composants actifs ne fournit pas deacutenergie il

faudra donc que cette eacutenergie vienne de quelque part Cest le rocircle de lalimentation qui va

servir agrave apporter les tensions de polarisation et leacutenergie que le montage sera susceptible de

fournir en sortie

Polarisation

Le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens il va donc falloir le polariser

pour pouvoir y faire passer du courant alternatif cest agrave dire superposer au courant alternatif

un courant continu suffisamment grand pour que le courant total (continu + alternatif)

circule toujours dans le mecircme sens Il faudra en plus que la composante alternative du

courant soit suffisamment petite devant la composante continue pour que la lineacutearisation

faite dans le cadre de lhypothegravese des petits signaux soit justifieacutee

Conversion couranttension

Le transistor est un geacuteneacuterateur de courant Comme il est plus commode de manipuler des

tensions il va falloir convertir ces courants en tensions on va le faire simplement en mettant

des reacutesistances dans des endroits judicieusement choisis du montage

Liaisons

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 9: cours electronique 2011

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9Redressement double alternance

III2 Pont de Graeumltz

III21 Scheacutema

Le pont de Graeumltz est constitueacute

de 4 diodesDans lrsquoeacutetude de ce chapitre les

diodes sont supposeacutees parfaites

et donc assimileacutees agrave des

interrupteurs

v est la tension drsquoentreacutee du

pont

u est la tension de sortie

R est la charge reacutesistive4

III22 Analyse du fonctionnement

Alternance positive

D1 et D3 sont passantes uD1 = 0 et uD3 = 0

(interrupteurs fermeacutes)

Loi des mailles v - uD1 ndash u ndash uD3 = 0

v ndash u = 0

u = v gt 0

Loi des noeuds

Alternance neacutegative

D2 et D4 sont passantes uD2 = 0 et uD4 = 0(interrupteurs fermeacutes)

Loi des mailles v + uD2 + u + uD3 = 0

v + u = 0

u = -v gt 0

Loi des noeuds

Loi des mailles pour D1 uD1 + uD4 + u = 0

uD1 = -u = v lt0

III3 Grandeurs caracteacuteristiques

bullPeacuteriode

bullValeurs instantaneacutees

i i D1 j u

R

i j u

R

T T

2 10 ms f 2 f 100 Hz

u V sin( t ) i V

Rsin( t )

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10Filtrage par condensateur lissage de la tension

bullValeurs moyennes

Pour trouver ce reacutesultat il faut inteacutegrer

La valeur moyenne se mesure avec un voltmegravetre numeacuterique sur la position DC

(continue =)

bull Valeurs efficaces

Pour trouver ce reacutesultat il faut inteacutegrer

- un voltmegravetre numeacuterique dit RMS capable de mesurer la valeur efficace drsquoune tension

de forme quelconque RMS Root (racine carreacute) Mean (valeur moyenne) Square (carreacute)

Ce qui veut dire que lrsquoappareil mesure la vraie valeur efficace en utilisant sa deacutefinit ion

matheacutematique

bullPuissance absorbeacutee par la charge

IV Filtrage par condensateur lissage de la tensionOn place en parallegravele avec la charge un condensateur de capaciteacute C

Avantages

On constate que la preacutesence dun

condensateur diminue londulation ∆u de la

tension redresseacutee

avec et

u 2V

i

u

R2V

R

u 1

T

V sin0

T

( t )dt

U V

2 V I

U

R

V

R 2

U 2

1

T

V 2

0

T

sin2( t )dt

U u2

P RI 2 U 2

RV 2

R

u U U U U max

U U min

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11Deacutebit sur charge active R E

La valeur moyenne ltugt est augmenteacutee Elle se

rapproche de

Inconveacutenients

Lapparition de pointes de courant fait que le

transformateur et les diodes fonctionnent

dans de mauvaises conditions

Pour cette raison ce mode de fonctionnement

nest utiliseacute quavec des montages fournissant

des courants faibles tels que le petit

eacutelectromeacutenager

Remarque si la capaciteacute du condensateur est

suffisante (RCgtgtT) londulation ∆u devient neacutegligeable et

V Deacutebit sur charge active R EConsideacuterons une charge RE Il peut srsquoagir par exemple drsquoun moteur courant continu ou

drsquoune batterie recharger Observons lrsquooscilloscope le courant i et la tension u

Loi des mailles

Analyse du la loi des mailles

Si u lt E0 nous trouvons i lt 0 Cette situation est impossible car les diodes se bloquent

Finalement

si u gt E0 alors les diodes conduisent (i gt 0)

si u lt E0 alors les diodes sont bloqueacutees ce qui entraicircne i = 0

V

u V

u E 0 Ri i u E 0 R

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12Exemple drsquoapplication du redressement

Exemple drsquoapplication du redressement

bull Reacutealisation drsquoune alimentation continue stabiliseacutee avec un transformateur un pont de

diode et un condensateur de lissage de la tension et reacutegulateur inteacutegreacute

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CHELLY_ Nizar 13 ISET_Zaghouan

13Chapitre 3 Les transistors bipolaires

Chapitre 3 Les transistors bipolaires

CHAPITRE

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CHELLY_ Nizar 14 ISET_Zaghouan

14Introduction

I Introduction

En eacutelectronique un tel composant est inteacuteressant car il va permettre damplifier un signal et

de commander des actionneurs requeacuterant de la puissance (haut parleurs moteurs etc ) avec

des signaux de faible niveau issus de capteurs (microphone sonde de tempeacuterature depression )

Le transistor agrave jonction va permettre de remplir (entre autres) cette fonction en eacutelectronique

II Principe et caracteacuteristique

II1 Introduction agrave leffet transistor

Nous avons deacutejagrave vu agrave propos de la diode que si celle-ci est polariseacutee en inverse les porteurs

minoritaires (eacutelectrons de la zone P et trous de la zone N creacuteeacutes par lagitation thermique)traversent sans problegravemes la jonction et sont acceacuteleacutereacutes par le champ exteacuterieur

On a vu aussi que lorsque les porteurs majoritaires dune zone franchissent la jonction ils

deviennent minoritaires dans lautre zone et quils mettent un certain temps agrave se recombineravec les porteurs opposeacutes

Partant des deux remarques preacuteceacutedentes on peut deacuteduire que si on injecte dans la zone N

dune jonction NP polariseacutee en inverse beaucoup de trous (qui seront dans cette zone des

porteurs minoritaires) en faisant en sorte quils ne se recombinent pas avec les eacutelectrons de

la zone N ils vont traverser la jonction et creacuteer un courant dans le circuit exteacuterieur

Fig 1 Injection de trous dans une zone N

La figure 1 illustre ce propos il y aura des recombinaisons (charges + et - encercleacutees) mais

limiteacutees et la plupart des trous iront dans la zone P et formeront le courant I2 A noter que les

recombinaisons correspondent au courant I1-I2

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CHELLY_ Nizar 15 ISET_Zaghouan

15Principe et caracteacuteristique

II2 Le transistor reacuteel

Ce que nous venons de deacutecrire nest ni plus ni moins que leffet transistor il ne manque que

le moyen dinjecter des trous dans la zone N et de faire en sorte que les recombinaisons

soient faibles pour que la majoriteacute des trous passent dans la zone P

II21 Principe de fonctionnement

Dans le transistor reacuteel on va apporter les trous en creacuteant une jonction PN que lon va

polariser en direct On rajoute pour ce faire une zone P sur la zone N du montage Fig 1 Cette

zone P qui injecte les trous est alors leacutemetteur et la zone N faiblement dopeacutee est la base

Comme dans le scheacutema de la Fig 1 la jonction NP est polariseacutee en inverse La deuxiegraveme zone

P est le collecteur (voir Fig 2)

Fig 2 Scheacutema de principe dun transistor

Les trous injecteacutes dans la base par leacutemetteur ont une faible probabiliteacute de se recombiner

avec les eacutelectrons de la base pour deux raisons

- la base est faiblement dopeacutee donc les porteurs majoritaires (eacutelectrons) seront peu

nombreux

- la base est eacutetroite et donc les trous eacutemis sont happeacutes par le champ eacutelectrique collecteur-

base avant davoir pu se recombiner (la largeur de la base est petite devant la longueur de

diffusion des porteurs minoritaires injecteacutes par leacutemetteur qui sont ici les trous)

On peut observer le pheacutenomegravene dun point de vue diffeacuterent quand on injecte un eacutelectron

dans la base leacutemetteur devra envoyer plusieurs trous dans la base pour quil y en ait un qui

se recombine avec leacutelectron eacutemis Les autres trous vont passer directement dans lecollecteur

En premiegravere approximation le nombre de trous passant dans le collecteur est proportionnelau nombre deacutelectrons injecteacutes dans la base

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CHELLY_ Nizar 16 ISET_Zaghouan

16Principe et caracteacuteristique

Ce rapport de proportionnaliteacute est un paramegravetre intrinsegraveque au transistor et sappelle le gain

en courant

Il ne deacutepend que des caracteacuteristiques physiques du transistor il ne deacutepend ni de la tension

inverse collecteur base ni du courant circulant dans le collecteur (ceci nest quune

approximation mais dans les hypothegraveses de petits signaux cest assez bien veacuterifieacute)

On a les relations suivantes

= (13) = ( + 1) (23) = minus (33)

II22 Constitution et caracteacuteristiques physiques dun transistor

Un transistor bipolaire est donc constitueacute de trois zones de silicium alternativement dopeacutees N

et P formant deux jonctions PN

Le transistor deacutecrit au paragraphe preacuteceacutedent comporte deux zones P et une zone N Cest une

des deux faccedilons dagencer les jonctions pour fabriquer un transistor

- soit une zone P une N et une P le transistor est dit PNP

- soit une zone N une P et une N le transistor est dit NPN

Dans les deux cas la zone centrale (base) est tregraves eacutetroite vis agrave vis de la longueur de diffusiondes porteurs minoritaires issus de la zone adjacente (leacutemetteur)

La base possegravede en outre la caracteacuteristique decirctre tregraves faiblement dopeacutee en comparaison de

leacutemetteur

II3 Symboles tensions et courants

Dans le symbole du transistor (figures 3 et 4) une flegraveche deacutesigne leacutemetteur ainsi que le sensde circulation du courant deacutemetteur cest le sens de cette flegraveche qui va repeacuterer le type de

transistor NPN pour un courant deacutemetteur sortant du transistor et PNP dans le cas inverse

La base est repreacutesenteacutee par une barre parallegravele agrave laxe collecteur-eacutemetteur Dautres

symboles existent mais celui-ci est le plus usiteacute

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CHELLY_ Nizar 17 ISET_Zaghouan

17Caracteacuteristiques eacutelectriques

Les transistors sont des composants polariseacutes les courants indiqueacutes sont les seuls possibles

pour un fonctionnement correct En conseacutequence il faudra choisir le type de transistor

adapteacute au besoin (NPN ou PNP) et faire attention au sens de branchement

Transistor NPN

Fig 3 Courants et tensions sur un NPN

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont rentrants et le courant deacutemetteur est sortant Les tensions VBE et VCE sont ici positives

Transistor PNP

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont sortants et le courant

deacutemetteur est rentrant Les tensions VBE et VCE sont ici neacutegatives

Fig 4 Courants et tensions sur un PNP

III Caracteacuteristiques eacutelectriques

Pour ce paragraphe nous allons eacutetudier les caracteacuteristiques des transistors NPN Celles destransistors PNP sont les mecircmes aux reacuteserves de signes deacutecrites au paragraphe preacuteceacutedent

III1 Montages de base

Quand on branche un transistor si on sarrange pour quil y ait une patte commune agrave lentreacuteeet agrave la sortie du montage il y a 3 maniegraveres fondamentales de proceacuteder

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CHELLY_ Nizar 18 ISET_Zaghouan

18Caracteacuteristiques eacutelectriques

- la patte commune est leacutemetteur on parle de montage eacutemetteur commun Lentreacutee est la

base et la sortie le collecteur

- La patte commune est la base on parle de montage base commune Lentreacutee est leacutemetteur

et la sortie le collecteur

- La patte commune est le collecteur on parle de montage collecteur commun Lentreacutee est labase et la sortie leacutemetteur

III2 Scheacutema de mesure des caracteacuteristiques

Les caracteacuteristiques qui suivent sont donneacutees pour un montage eacutemetteur commun Le

scheacutema le plus simple est le suivant

Fig 5 Montage de base eacutemetteur commun

Dans ce scheacutema la base est polariseacutee en direct par la reacutesistance de base R b le potentiel de la

base est alors de 07V environ car leacutemetteur est agrave la masse et la jonction base eacutemetteur est

leacutequivalent dune diode passante

Le collecteur est lui polariseacute par la reacutesistance de collecteur Rc de telle maniegravere que la tension

du collecteur soit supeacuterieure agrave la tension de la base la jonction base collecteur est alors

polariseacutee en inverse

On polarise donc convenablement le transistor avec une simple alimentation et deux

reacutesistances Dans ce montage lentreacutee est la base et la sortie est le collecteur

Lentreacutee est caracteacuteriseacutee par les deux grandeurs IB et VBE et la sortie par les grandeurs IC et VCE soit 4 variables

III21 Caracteacuteristique dentreacutee

La caracteacuteristique dentreacutee du transistor est donneacutee par la relation IB = f (VBE) VCE = cte

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CHELLY_ Nizar 19 ISET_Zaghouan

19Caracteacuteristiques eacutelectriques

En fait le circuit dentreacutee est la jonction base eacutemetteur du transistor soit une jonction diode

Cette caracteacuteristique va deacutependre tregraves peu de la tension collecteur eacutemetteur on la donne engeacuteneacuteral pour une seule valeur de VCE La courbe est la suivante

Fig 6 Caracteacuteristique dentreacutee du transistor

La tension VBE est denviron 07V pour une polarisation normale du transistor (courant de

base infeacuterieur au mA) Cette valeur est donc leacutegegraverement supeacuterieure agrave celle dune jonction de

diode

III22 Caracteacuteristique de transfert

La caracteacuteristique de transfert est deacutefinie par la relation IC = f (IB) VCE = cte

Nous avons deacutejagrave dit que le courant deacutemetteur est proportionnel au courant de base

Fig 7 Caracteacuteristique de transfert du transistor

La caracteacuteristique de transfert est donc une droite le transistor est un geacuteneacuterateur de courant

commandeacute par un courant

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CHELLY_ Nizar 20 ISET_Zaghouan

20Caracteacuteristiques eacutelectriques

Si on considegravere le courant de fuite ICEO la caracteacuteristique ne passe pas par lorigine car IC =

ICEO pour IB = 0

Le β du transistor va varier grandement en fonction du type de transistor 5 agrave 10 pour des

transistors de grosse puissance 30 agrave 80 pour des transistors de moyenne puissance et de

100 agrave 500 pour des transistors de signal

III23 Caracteacuteristique de sortie

La caracteacuteristique de sortie du transistor est deacutefinie par la relation IC = f (VCE) IB = cte En

pratique on donne un reacuteseau de caracteacuteristiques pour plusieurs valeurs de IB

Fig 8 Caracteacuteristiques de sortie du transistor

Sur ces caracteacuteristiques (Fig 8) on distingue deux zones

- une zone importante ougrave le courant IC deacutepend tregraves peu de VCE agrave IB donneacute cette

caracteacuteristique est celle dun geacuteneacuterateur de courant agrave reacutesistance interne utiliseacute en reacutecepteur

Dans le cas des transistors petits signaux cette reacutesistance est tregraves grande en premiegravere

approche on consideacuterera que la sortie de ce montage agrave transistor est un geacuteneacuterateur de

courant parfait

- La zone des faibles tensions VCE (0 agrave quelques volts en fonction du transistor) est diffeacuterente

Cest la zone de saturation Quand la tension collecteur-eacutemetteur diminue pour devenir tregraves

faible la jonction collecteur-base cesse decirctre polariseacutee en inverse et leffet transistor deacutecroicirct

alors tregraves rapidement A la limite la jonction collecteur-base devient aussi polariseacutee endirect on na plus un transistor mais leacutequivalent de deux diodes en parallegravele On a une

caracteacuteristique ohmique deacutetermineacutee principalement par la reacutesistiviteacute du silicium du

collecteur Les tensions de saturation sont toujours deacutefinies agrave un courant collecteur donneacute

elles varient de 50mV pour des transistors de signal agrave des courants denviron 10mA agrave 500mV

pour les mecircmes transistors utiliseacutes au maximum de leurs possibiliteacutes (100 agrave 300 mA) et

atteignent 1 agrave 3V pour des transistors de puissance agrave des courants de lordre de 10A

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CHELLY_ Nizar 21 ISET_Zaghouan

21Montage de base

En bref

Ce quil faut retenir dessentiel dans le transistor cest que cest un amplificateur de

courant

Cest un geacuteneacuterateur de (fort) courant (en sortie) piloteacute par un (faible) courant (en

entreacutee)

IV Montage de base

IV1 Preacuteliminaire

IV11 Mise en œuvre du transistor

On a vu que le transistor eacutetait un amplificateur de courant on va donc lutiliser pour

amplifier des signaux issus de sources diverses

Il va falloir pour cela mettre en œuvre tout un montage autour du transistor pour plusieurs

raisons

Alimentation

Le transistor tout en eacutetant classifieacute dans les composants actifs ne fournit pas deacutenergie il

faudra donc que cette eacutenergie vienne de quelque part Cest le rocircle de lalimentation qui va

servir agrave apporter les tensions de polarisation et leacutenergie que le montage sera susceptible de

fournir en sortie

Polarisation

Le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens il va donc falloir le polariser

pour pouvoir y faire passer du courant alternatif cest agrave dire superposer au courant alternatif

un courant continu suffisamment grand pour que le courant total (continu + alternatif)

circule toujours dans le mecircme sens Il faudra en plus que la composante alternative du

courant soit suffisamment petite devant la composante continue pour que la lineacutearisation

faite dans le cadre de lhypothegravese des petits signaux soit justifieacutee

Conversion couranttension

Le transistor est un geacuteneacuterateur de courant Comme il est plus commode de manipuler des

tensions il va falloir convertir ces courants en tensions on va le faire simplement en mettant

des reacutesistances dans des endroits judicieusement choisis du montage

Liaisons

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 10: cours electronique 2011

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10Filtrage par condensateur lissage de la tension

bullValeurs moyennes

Pour trouver ce reacutesultat il faut inteacutegrer

La valeur moyenne se mesure avec un voltmegravetre numeacuterique sur la position DC

(continue =)

bull Valeurs efficaces

Pour trouver ce reacutesultat il faut inteacutegrer

- un voltmegravetre numeacuterique dit RMS capable de mesurer la valeur efficace drsquoune tension

de forme quelconque RMS Root (racine carreacute) Mean (valeur moyenne) Square (carreacute)

Ce qui veut dire que lrsquoappareil mesure la vraie valeur efficace en utilisant sa deacutefinit ion

matheacutematique

bullPuissance absorbeacutee par la charge

IV Filtrage par condensateur lissage de la tensionOn place en parallegravele avec la charge un condensateur de capaciteacute C

Avantages

On constate que la preacutesence dun

condensateur diminue londulation ∆u de la

tension redresseacutee

avec et

u 2V

i

u

R2V

R

u 1

T

V sin0

T

( t )dt

U V

2 V I

U

R

V

R 2

U 2

1

T

V 2

0

T

sin2( t )dt

U u2

P RI 2 U 2

RV 2

R

u U U U U max

U U min

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11Deacutebit sur charge active R E

La valeur moyenne ltugt est augmenteacutee Elle se

rapproche de

Inconveacutenients

Lapparition de pointes de courant fait que le

transformateur et les diodes fonctionnent

dans de mauvaises conditions

Pour cette raison ce mode de fonctionnement

nest utiliseacute quavec des montages fournissant

des courants faibles tels que le petit

eacutelectromeacutenager

Remarque si la capaciteacute du condensateur est

suffisante (RCgtgtT) londulation ∆u devient neacutegligeable et

V Deacutebit sur charge active R EConsideacuterons une charge RE Il peut srsquoagir par exemple drsquoun moteur courant continu ou

drsquoune batterie recharger Observons lrsquooscilloscope le courant i et la tension u

Loi des mailles

Analyse du la loi des mailles

Si u lt E0 nous trouvons i lt 0 Cette situation est impossible car les diodes se bloquent

Finalement

si u gt E0 alors les diodes conduisent (i gt 0)

si u lt E0 alors les diodes sont bloqueacutees ce qui entraicircne i = 0

V

u V

u E 0 Ri i u E 0 R

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12Exemple drsquoapplication du redressement

Exemple drsquoapplication du redressement

bull Reacutealisation drsquoune alimentation continue stabiliseacutee avec un transformateur un pont de

diode et un condensateur de lissage de la tension et reacutegulateur inteacutegreacute

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CHELLY_ Nizar 13 ISET_Zaghouan

13Chapitre 3 Les transistors bipolaires

Chapitre 3 Les transistors bipolaires

CHAPITRE

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CHELLY_ Nizar 14 ISET_Zaghouan

14Introduction

I Introduction

En eacutelectronique un tel composant est inteacuteressant car il va permettre damplifier un signal et

de commander des actionneurs requeacuterant de la puissance (haut parleurs moteurs etc ) avec

des signaux de faible niveau issus de capteurs (microphone sonde de tempeacuterature depression )

Le transistor agrave jonction va permettre de remplir (entre autres) cette fonction en eacutelectronique

II Principe et caracteacuteristique

II1 Introduction agrave leffet transistor

Nous avons deacutejagrave vu agrave propos de la diode que si celle-ci est polariseacutee en inverse les porteurs

minoritaires (eacutelectrons de la zone P et trous de la zone N creacuteeacutes par lagitation thermique)traversent sans problegravemes la jonction et sont acceacuteleacutereacutes par le champ exteacuterieur

On a vu aussi que lorsque les porteurs majoritaires dune zone franchissent la jonction ils

deviennent minoritaires dans lautre zone et quils mettent un certain temps agrave se recombineravec les porteurs opposeacutes

Partant des deux remarques preacuteceacutedentes on peut deacuteduire que si on injecte dans la zone N

dune jonction NP polariseacutee en inverse beaucoup de trous (qui seront dans cette zone des

porteurs minoritaires) en faisant en sorte quils ne se recombinent pas avec les eacutelectrons de

la zone N ils vont traverser la jonction et creacuteer un courant dans le circuit exteacuterieur

Fig 1 Injection de trous dans une zone N

La figure 1 illustre ce propos il y aura des recombinaisons (charges + et - encercleacutees) mais

limiteacutees et la plupart des trous iront dans la zone P et formeront le courant I2 A noter que les

recombinaisons correspondent au courant I1-I2

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CHELLY_ Nizar 15 ISET_Zaghouan

15Principe et caracteacuteristique

II2 Le transistor reacuteel

Ce que nous venons de deacutecrire nest ni plus ni moins que leffet transistor il ne manque que

le moyen dinjecter des trous dans la zone N et de faire en sorte que les recombinaisons

soient faibles pour que la majoriteacute des trous passent dans la zone P

II21 Principe de fonctionnement

Dans le transistor reacuteel on va apporter les trous en creacuteant une jonction PN que lon va

polariser en direct On rajoute pour ce faire une zone P sur la zone N du montage Fig 1 Cette

zone P qui injecte les trous est alors leacutemetteur et la zone N faiblement dopeacutee est la base

Comme dans le scheacutema de la Fig 1 la jonction NP est polariseacutee en inverse La deuxiegraveme zone

P est le collecteur (voir Fig 2)

Fig 2 Scheacutema de principe dun transistor

Les trous injecteacutes dans la base par leacutemetteur ont une faible probabiliteacute de se recombiner

avec les eacutelectrons de la base pour deux raisons

- la base est faiblement dopeacutee donc les porteurs majoritaires (eacutelectrons) seront peu

nombreux

- la base est eacutetroite et donc les trous eacutemis sont happeacutes par le champ eacutelectrique collecteur-

base avant davoir pu se recombiner (la largeur de la base est petite devant la longueur de

diffusion des porteurs minoritaires injecteacutes par leacutemetteur qui sont ici les trous)

On peut observer le pheacutenomegravene dun point de vue diffeacuterent quand on injecte un eacutelectron

dans la base leacutemetteur devra envoyer plusieurs trous dans la base pour quil y en ait un qui

se recombine avec leacutelectron eacutemis Les autres trous vont passer directement dans lecollecteur

En premiegravere approximation le nombre de trous passant dans le collecteur est proportionnelau nombre deacutelectrons injecteacutes dans la base

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CHELLY_ Nizar 16 ISET_Zaghouan

16Principe et caracteacuteristique

Ce rapport de proportionnaliteacute est un paramegravetre intrinsegraveque au transistor et sappelle le gain

en courant

Il ne deacutepend que des caracteacuteristiques physiques du transistor il ne deacutepend ni de la tension

inverse collecteur base ni du courant circulant dans le collecteur (ceci nest quune

approximation mais dans les hypothegraveses de petits signaux cest assez bien veacuterifieacute)

On a les relations suivantes

= (13) = ( + 1) (23) = minus (33)

II22 Constitution et caracteacuteristiques physiques dun transistor

Un transistor bipolaire est donc constitueacute de trois zones de silicium alternativement dopeacutees N

et P formant deux jonctions PN

Le transistor deacutecrit au paragraphe preacuteceacutedent comporte deux zones P et une zone N Cest une

des deux faccedilons dagencer les jonctions pour fabriquer un transistor

- soit une zone P une N et une P le transistor est dit PNP

- soit une zone N une P et une N le transistor est dit NPN

Dans les deux cas la zone centrale (base) est tregraves eacutetroite vis agrave vis de la longueur de diffusiondes porteurs minoritaires issus de la zone adjacente (leacutemetteur)

La base possegravede en outre la caracteacuteristique decirctre tregraves faiblement dopeacutee en comparaison de

leacutemetteur

II3 Symboles tensions et courants

Dans le symbole du transistor (figures 3 et 4) une flegraveche deacutesigne leacutemetteur ainsi que le sensde circulation du courant deacutemetteur cest le sens de cette flegraveche qui va repeacuterer le type de

transistor NPN pour un courant deacutemetteur sortant du transistor et PNP dans le cas inverse

La base est repreacutesenteacutee par une barre parallegravele agrave laxe collecteur-eacutemetteur Dautres

symboles existent mais celui-ci est le plus usiteacute

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CHELLY_ Nizar 17 ISET_Zaghouan

17Caracteacuteristiques eacutelectriques

Les transistors sont des composants polariseacutes les courants indiqueacutes sont les seuls possibles

pour un fonctionnement correct En conseacutequence il faudra choisir le type de transistor

adapteacute au besoin (NPN ou PNP) et faire attention au sens de branchement

Transistor NPN

Fig 3 Courants et tensions sur un NPN

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont rentrants et le courant deacutemetteur est sortant Les tensions VBE et VCE sont ici positives

Transistor PNP

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont sortants et le courant

deacutemetteur est rentrant Les tensions VBE et VCE sont ici neacutegatives

Fig 4 Courants et tensions sur un PNP

III Caracteacuteristiques eacutelectriques

Pour ce paragraphe nous allons eacutetudier les caracteacuteristiques des transistors NPN Celles destransistors PNP sont les mecircmes aux reacuteserves de signes deacutecrites au paragraphe preacuteceacutedent

III1 Montages de base

Quand on branche un transistor si on sarrange pour quil y ait une patte commune agrave lentreacuteeet agrave la sortie du montage il y a 3 maniegraveres fondamentales de proceacuteder

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CHELLY_ Nizar 18 ISET_Zaghouan

18Caracteacuteristiques eacutelectriques

- la patte commune est leacutemetteur on parle de montage eacutemetteur commun Lentreacutee est la

base et la sortie le collecteur

- La patte commune est la base on parle de montage base commune Lentreacutee est leacutemetteur

et la sortie le collecteur

- La patte commune est le collecteur on parle de montage collecteur commun Lentreacutee est labase et la sortie leacutemetteur

III2 Scheacutema de mesure des caracteacuteristiques

Les caracteacuteristiques qui suivent sont donneacutees pour un montage eacutemetteur commun Le

scheacutema le plus simple est le suivant

Fig 5 Montage de base eacutemetteur commun

Dans ce scheacutema la base est polariseacutee en direct par la reacutesistance de base R b le potentiel de la

base est alors de 07V environ car leacutemetteur est agrave la masse et la jonction base eacutemetteur est

leacutequivalent dune diode passante

Le collecteur est lui polariseacute par la reacutesistance de collecteur Rc de telle maniegravere que la tension

du collecteur soit supeacuterieure agrave la tension de la base la jonction base collecteur est alors

polariseacutee en inverse

On polarise donc convenablement le transistor avec une simple alimentation et deux

reacutesistances Dans ce montage lentreacutee est la base et la sortie est le collecteur

Lentreacutee est caracteacuteriseacutee par les deux grandeurs IB et VBE et la sortie par les grandeurs IC et VCE soit 4 variables

III21 Caracteacuteristique dentreacutee

La caracteacuteristique dentreacutee du transistor est donneacutee par la relation IB = f (VBE) VCE = cte

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CHELLY_ Nizar 19 ISET_Zaghouan

19Caracteacuteristiques eacutelectriques

En fait le circuit dentreacutee est la jonction base eacutemetteur du transistor soit une jonction diode

Cette caracteacuteristique va deacutependre tregraves peu de la tension collecteur eacutemetteur on la donne engeacuteneacuteral pour une seule valeur de VCE La courbe est la suivante

Fig 6 Caracteacuteristique dentreacutee du transistor

La tension VBE est denviron 07V pour une polarisation normale du transistor (courant de

base infeacuterieur au mA) Cette valeur est donc leacutegegraverement supeacuterieure agrave celle dune jonction de

diode

III22 Caracteacuteristique de transfert

La caracteacuteristique de transfert est deacutefinie par la relation IC = f (IB) VCE = cte

Nous avons deacutejagrave dit que le courant deacutemetteur est proportionnel au courant de base

Fig 7 Caracteacuteristique de transfert du transistor

La caracteacuteristique de transfert est donc une droite le transistor est un geacuteneacuterateur de courant

commandeacute par un courant

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CHELLY_ Nizar 20 ISET_Zaghouan

20Caracteacuteristiques eacutelectriques

Si on considegravere le courant de fuite ICEO la caracteacuteristique ne passe pas par lorigine car IC =

ICEO pour IB = 0

Le β du transistor va varier grandement en fonction du type de transistor 5 agrave 10 pour des

transistors de grosse puissance 30 agrave 80 pour des transistors de moyenne puissance et de

100 agrave 500 pour des transistors de signal

III23 Caracteacuteristique de sortie

La caracteacuteristique de sortie du transistor est deacutefinie par la relation IC = f (VCE) IB = cte En

pratique on donne un reacuteseau de caracteacuteristiques pour plusieurs valeurs de IB

Fig 8 Caracteacuteristiques de sortie du transistor

Sur ces caracteacuteristiques (Fig 8) on distingue deux zones

- une zone importante ougrave le courant IC deacutepend tregraves peu de VCE agrave IB donneacute cette

caracteacuteristique est celle dun geacuteneacuterateur de courant agrave reacutesistance interne utiliseacute en reacutecepteur

Dans le cas des transistors petits signaux cette reacutesistance est tregraves grande en premiegravere

approche on consideacuterera que la sortie de ce montage agrave transistor est un geacuteneacuterateur de

courant parfait

- La zone des faibles tensions VCE (0 agrave quelques volts en fonction du transistor) est diffeacuterente

Cest la zone de saturation Quand la tension collecteur-eacutemetteur diminue pour devenir tregraves

faible la jonction collecteur-base cesse decirctre polariseacutee en inverse et leffet transistor deacutecroicirct

alors tregraves rapidement A la limite la jonction collecteur-base devient aussi polariseacutee endirect on na plus un transistor mais leacutequivalent de deux diodes en parallegravele On a une

caracteacuteristique ohmique deacutetermineacutee principalement par la reacutesistiviteacute du silicium du

collecteur Les tensions de saturation sont toujours deacutefinies agrave un courant collecteur donneacute

elles varient de 50mV pour des transistors de signal agrave des courants denviron 10mA agrave 500mV

pour les mecircmes transistors utiliseacutes au maximum de leurs possibiliteacutes (100 agrave 300 mA) et

atteignent 1 agrave 3V pour des transistors de puissance agrave des courants de lordre de 10A

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CHELLY_ Nizar 21 ISET_Zaghouan

21Montage de base

En bref

Ce quil faut retenir dessentiel dans le transistor cest que cest un amplificateur de

courant

Cest un geacuteneacuterateur de (fort) courant (en sortie) piloteacute par un (faible) courant (en

entreacutee)

IV Montage de base

IV1 Preacuteliminaire

IV11 Mise en œuvre du transistor

On a vu que le transistor eacutetait un amplificateur de courant on va donc lutiliser pour

amplifier des signaux issus de sources diverses

Il va falloir pour cela mettre en œuvre tout un montage autour du transistor pour plusieurs

raisons

Alimentation

Le transistor tout en eacutetant classifieacute dans les composants actifs ne fournit pas deacutenergie il

faudra donc que cette eacutenergie vienne de quelque part Cest le rocircle de lalimentation qui va

servir agrave apporter les tensions de polarisation et leacutenergie que le montage sera susceptible de

fournir en sortie

Polarisation

Le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens il va donc falloir le polariser

pour pouvoir y faire passer du courant alternatif cest agrave dire superposer au courant alternatif

un courant continu suffisamment grand pour que le courant total (continu + alternatif)

circule toujours dans le mecircme sens Il faudra en plus que la composante alternative du

courant soit suffisamment petite devant la composante continue pour que la lineacutearisation

faite dans le cadre de lhypothegravese des petits signaux soit justifieacutee

Conversion couranttension

Le transistor est un geacuteneacuterateur de courant Comme il est plus commode de manipuler des

tensions il va falloir convertir ces courants en tensions on va le faire simplement en mettant

des reacutesistances dans des endroits judicieusement choisis du montage

Liaisons

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 11: cours electronique 2011

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11Deacutebit sur charge active R E

La valeur moyenne ltugt est augmenteacutee Elle se

rapproche de

Inconveacutenients

Lapparition de pointes de courant fait que le

transformateur et les diodes fonctionnent

dans de mauvaises conditions

Pour cette raison ce mode de fonctionnement

nest utiliseacute quavec des montages fournissant

des courants faibles tels que le petit

eacutelectromeacutenager

Remarque si la capaciteacute du condensateur est

suffisante (RCgtgtT) londulation ∆u devient neacutegligeable et

V Deacutebit sur charge active R EConsideacuterons une charge RE Il peut srsquoagir par exemple drsquoun moteur courant continu ou

drsquoune batterie recharger Observons lrsquooscilloscope le courant i et la tension u

Loi des mailles

Analyse du la loi des mailles

Si u lt E0 nous trouvons i lt 0 Cette situation est impossible car les diodes se bloquent

Finalement

si u gt E0 alors les diodes conduisent (i gt 0)

si u lt E0 alors les diodes sont bloqueacutees ce qui entraicircne i = 0

V

u V

u E 0 Ri i u E 0 R

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12Exemple drsquoapplication du redressement

Exemple drsquoapplication du redressement

bull Reacutealisation drsquoune alimentation continue stabiliseacutee avec un transformateur un pont de

diode et un condensateur de lissage de la tension et reacutegulateur inteacutegreacute

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CHELLY_ Nizar 13 ISET_Zaghouan

13Chapitre 3 Les transistors bipolaires

Chapitre 3 Les transistors bipolaires

CHAPITRE

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CHELLY_ Nizar 14 ISET_Zaghouan

14Introduction

I Introduction

En eacutelectronique un tel composant est inteacuteressant car il va permettre damplifier un signal et

de commander des actionneurs requeacuterant de la puissance (haut parleurs moteurs etc ) avec

des signaux de faible niveau issus de capteurs (microphone sonde de tempeacuterature depression )

Le transistor agrave jonction va permettre de remplir (entre autres) cette fonction en eacutelectronique

II Principe et caracteacuteristique

II1 Introduction agrave leffet transistor

Nous avons deacutejagrave vu agrave propos de la diode que si celle-ci est polariseacutee en inverse les porteurs

minoritaires (eacutelectrons de la zone P et trous de la zone N creacuteeacutes par lagitation thermique)traversent sans problegravemes la jonction et sont acceacuteleacutereacutes par le champ exteacuterieur

On a vu aussi que lorsque les porteurs majoritaires dune zone franchissent la jonction ils

deviennent minoritaires dans lautre zone et quils mettent un certain temps agrave se recombineravec les porteurs opposeacutes

Partant des deux remarques preacuteceacutedentes on peut deacuteduire que si on injecte dans la zone N

dune jonction NP polariseacutee en inverse beaucoup de trous (qui seront dans cette zone des

porteurs minoritaires) en faisant en sorte quils ne se recombinent pas avec les eacutelectrons de

la zone N ils vont traverser la jonction et creacuteer un courant dans le circuit exteacuterieur

Fig 1 Injection de trous dans une zone N

La figure 1 illustre ce propos il y aura des recombinaisons (charges + et - encercleacutees) mais

limiteacutees et la plupart des trous iront dans la zone P et formeront le courant I2 A noter que les

recombinaisons correspondent au courant I1-I2

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CHELLY_ Nizar 15 ISET_Zaghouan

15Principe et caracteacuteristique

II2 Le transistor reacuteel

Ce que nous venons de deacutecrire nest ni plus ni moins que leffet transistor il ne manque que

le moyen dinjecter des trous dans la zone N et de faire en sorte que les recombinaisons

soient faibles pour que la majoriteacute des trous passent dans la zone P

II21 Principe de fonctionnement

Dans le transistor reacuteel on va apporter les trous en creacuteant une jonction PN que lon va

polariser en direct On rajoute pour ce faire une zone P sur la zone N du montage Fig 1 Cette

zone P qui injecte les trous est alors leacutemetteur et la zone N faiblement dopeacutee est la base

Comme dans le scheacutema de la Fig 1 la jonction NP est polariseacutee en inverse La deuxiegraveme zone

P est le collecteur (voir Fig 2)

Fig 2 Scheacutema de principe dun transistor

Les trous injecteacutes dans la base par leacutemetteur ont une faible probabiliteacute de se recombiner

avec les eacutelectrons de la base pour deux raisons

- la base est faiblement dopeacutee donc les porteurs majoritaires (eacutelectrons) seront peu

nombreux

- la base est eacutetroite et donc les trous eacutemis sont happeacutes par le champ eacutelectrique collecteur-

base avant davoir pu se recombiner (la largeur de la base est petite devant la longueur de

diffusion des porteurs minoritaires injecteacutes par leacutemetteur qui sont ici les trous)

On peut observer le pheacutenomegravene dun point de vue diffeacuterent quand on injecte un eacutelectron

dans la base leacutemetteur devra envoyer plusieurs trous dans la base pour quil y en ait un qui

se recombine avec leacutelectron eacutemis Les autres trous vont passer directement dans lecollecteur

En premiegravere approximation le nombre de trous passant dans le collecteur est proportionnelau nombre deacutelectrons injecteacutes dans la base

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CHELLY_ Nizar 16 ISET_Zaghouan

16Principe et caracteacuteristique

Ce rapport de proportionnaliteacute est un paramegravetre intrinsegraveque au transistor et sappelle le gain

en courant

Il ne deacutepend que des caracteacuteristiques physiques du transistor il ne deacutepend ni de la tension

inverse collecteur base ni du courant circulant dans le collecteur (ceci nest quune

approximation mais dans les hypothegraveses de petits signaux cest assez bien veacuterifieacute)

On a les relations suivantes

= (13) = ( + 1) (23) = minus (33)

II22 Constitution et caracteacuteristiques physiques dun transistor

Un transistor bipolaire est donc constitueacute de trois zones de silicium alternativement dopeacutees N

et P formant deux jonctions PN

Le transistor deacutecrit au paragraphe preacuteceacutedent comporte deux zones P et une zone N Cest une

des deux faccedilons dagencer les jonctions pour fabriquer un transistor

- soit une zone P une N et une P le transistor est dit PNP

- soit une zone N une P et une N le transistor est dit NPN

Dans les deux cas la zone centrale (base) est tregraves eacutetroite vis agrave vis de la longueur de diffusiondes porteurs minoritaires issus de la zone adjacente (leacutemetteur)

La base possegravede en outre la caracteacuteristique decirctre tregraves faiblement dopeacutee en comparaison de

leacutemetteur

II3 Symboles tensions et courants

Dans le symbole du transistor (figures 3 et 4) une flegraveche deacutesigne leacutemetteur ainsi que le sensde circulation du courant deacutemetteur cest le sens de cette flegraveche qui va repeacuterer le type de

transistor NPN pour un courant deacutemetteur sortant du transistor et PNP dans le cas inverse

La base est repreacutesenteacutee par une barre parallegravele agrave laxe collecteur-eacutemetteur Dautres

symboles existent mais celui-ci est le plus usiteacute

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CHELLY_ Nizar 17 ISET_Zaghouan

17Caracteacuteristiques eacutelectriques

Les transistors sont des composants polariseacutes les courants indiqueacutes sont les seuls possibles

pour un fonctionnement correct En conseacutequence il faudra choisir le type de transistor

adapteacute au besoin (NPN ou PNP) et faire attention au sens de branchement

Transistor NPN

Fig 3 Courants et tensions sur un NPN

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont rentrants et le courant deacutemetteur est sortant Les tensions VBE et VCE sont ici positives

Transistor PNP

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont sortants et le courant

deacutemetteur est rentrant Les tensions VBE et VCE sont ici neacutegatives

Fig 4 Courants et tensions sur un PNP

III Caracteacuteristiques eacutelectriques

Pour ce paragraphe nous allons eacutetudier les caracteacuteristiques des transistors NPN Celles destransistors PNP sont les mecircmes aux reacuteserves de signes deacutecrites au paragraphe preacuteceacutedent

III1 Montages de base

Quand on branche un transistor si on sarrange pour quil y ait une patte commune agrave lentreacuteeet agrave la sortie du montage il y a 3 maniegraveres fondamentales de proceacuteder

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CHELLY_ Nizar 18 ISET_Zaghouan

18Caracteacuteristiques eacutelectriques

- la patte commune est leacutemetteur on parle de montage eacutemetteur commun Lentreacutee est la

base et la sortie le collecteur

- La patte commune est la base on parle de montage base commune Lentreacutee est leacutemetteur

et la sortie le collecteur

- La patte commune est le collecteur on parle de montage collecteur commun Lentreacutee est labase et la sortie leacutemetteur

III2 Scheacutema de mesure des caracteacuteristiques

Les caracteacuteristiques qui suivent sont donneacutees pour un montage eacutemetteur commun Le

scheacutema le plus simple est le suivant

Fig 5 Montage de base eacutemetteur commun

Dans ce scheacutema la base est polariseacutee en direct par la reacutesistance de base R b le potentiel de la

base est alors de 07V environ car leacutemetteur est agrave la masse et la jonction base eacutemetteur est

leacutequivalent dune diode passante

Le collecteur est lui polariseacute par la reacutesistance de collecteur Rc de telle maniegravere que la tension

du collecteur soit supeacuterieure agrave la tension de la base la jonction base collecteur est alors

polariseacutee en inverse

On polarise donc convenablement le transistor avec une simple alimentation et deux

reacutesistances Dans ce montage lentreacutee est la base et la sortie est le collecteur

Lentreacutee est caracteacuteriseacutee par les deux grandeurs IB et VBE et la sortie par les grandeurs IC et VCE soit 4 variables

III21 Caracteacuteristique dentreacutee

La caracteacuteristique dentreacutee du transistor est donneacutee par la relation IB = f (VBE) VCE = cte

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CHELLY_ Nizar 19 ISET_Zaghouan

19Caracteacuteristiques eacutelectriques

En fait le circuit dentreacutee est la jonction base eacutemetteur du transistor soit une jonction diode

Cette caracteacuteristique va deacutependre tregraves peu de la tension collecteur eacutemetteur on la donne engeacuteneacuteral pour une seule valeur de VCE La courbe est la suivante

Fig 6 Caracteacuteristique dentreacutee du transistor

La tension VBE est denviron 07V pour une polarisation normale du transistor (courant de

base infeacuterieur au mA) Cette valeur est donc leacutegegraverement supeacuterieure agrave celle dune jonction de

diode

III22 Caracteacuteristique de transfert

La caracteacuteristique de transfert est deacutefinie par la relation IC = f (IB) VCE = cte

Nous avons deacutejagrave dit que le courant deacutemetteur est proportionnel au courant de base

Fig 7 Caracteacuteristique de transfert du transistor

La caracteacuteristique de transfert est donc une droite le transistor est un geacuteneacuterateur de courant

commandeacute par un courant

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CHELLY_ Nizar 20 ISET_Zaghouan

20Caracteacuteristiques eacutelectriques

Si on considegravere le courant de fuite ICEO la caracteacuteristique ne passe pas par lorigine car IC =

ICEO pour IB = 0

Le β du transistor va varier grandement en fonction du type de transistor 5 agrave 10 pour des

transistors de grosse puissance 30 agrave 80 pour des transistors de moyenne puissance et de

100 agrave 500 pour des transistors de signal

III23 Caracteacuteristique de sortie

La caracteacuteristique de sortie du transistor est deacutefinie par la relation IC = f (VCE) IB = cte En

pratique on donne un reacuteseau de caracteacuteristiques pour plusieurs valeurs de IB

Fig 8 Caracteacuteristiques de sortie du transistor

Sur ces caracteacuteristiques (Fig 8) on distingue deux zones

- une zone importante ougrave le courant IC deacutepend tregraves peu de VCE agrave IB donneacute cette

caracteacuteristique est celle dun geacuteneacuterateur de courant agrave reacutesistance interne utiliseacute en reacutecepteur

Dans le cas des transistors petits signaux cette reacutesistance est tregraves grande en premiegravere

approche on consideacuterera que la sortie de ce montage agrave transistor est un geacuteneacuterateur de

courant parfait

- La zone des faibles tensions VCE (0 agrave quelques volts en fonction du transistor) est diffeacuterente

Cest la zone de saturation Quand la tension collecteur-eacutemetteur diminue pour devenir tregraves

faible la jonction collecteur-base cesse decirctre polariseacutee en inverse et leffet transistor deacutecroicirct

alors tregraves rapidement A la limite la jonction collecteur-base devient aussi polariseacutee endirect on na plus un transistor mais leacutequivalent de deux diodes en parallegravele On a une

caracteacuteristique ohmique deacutetermineacutee principalement par la reacutesistiviteacute du silicium du

collecteur Les tensions de saturation sont toujours deacutefinies agrave un courant collecteur donneacute

elles varient de 50mV pour des transistors de signal agrave des courants denviron 10mA agrave 500mV

pour les mecircmes transistors utiliseacutes au maximum de leurs possibiliteacutes (100 agrave 300 mA) et

atteignent 1 agrave 3V pour des transistors de puissance agrave des courants de lordre de 10A

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CHELLY_ Nizar 21 ISET_Zaghouan

21Montage de base

En bref

Ce quil faut retenir dessentiel dans le transistor cest que cest un amplificateur de

courant

Cest un geacuteneacuterateur de (fort) courant (en sortie) piloteacute par un (faible) courant (en

entreacutee)

IV Montage de base

IV1 Preacuteliminaire

IV11 Mise en œuvre du transistor

On a vu que le transistor eacutetait un amplificateur de courant on va donc lutiliser pour

amplifier des signaux issus de sources diverses

Il va falloir pour cela mettre en œuvre tout un montage autour du transistor pour plusieurs

raisons

Alimentation

Le transistor tout en eacutetant classifieacute dans les composants actifs ne fournit pas deacutenergie il

faudra donc que cette eacutenergie vienne de quelque part Cest le rocircle de lalimentation qui va

servir agrave apporter les tensions de polarisation et leacutenergie que le montage sera susceptible de

fournir en sortie

Polarisation

Le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens il va donc falloir le polariser

pour pouvoir y faire passer du courant alternatif cest agrave dire superposer au courant alternatif

un courant continu suffisamment grand pour que le courant total (continu + alternatif)

circule toujours dans le mecircme sens Il faudra en plus que la composante alternative du

courant soit suffisamment petite devant la composante continue pour que la lineacutearisation

faite dans le cadre de lhypothegravese des petits signaux soit justifieacutee

Conversion couranttension

Le transistor est un geacuteneacuterateur de courant Comme il est plus commode de manipuler des

tensions il va falloir convertir ces courants en tensions on va le faire simplement en mettant

des reacutesistances dans des endroits judicieusement choisis du montage

Liaisons

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

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12Exemple drsquoapplication du redressement

Exemple drsquoapplication du redressement

bull Reacutealisation drsquoune alimentation continue stabiliseacutee avec un transformateur un pont de

diode et un condensateur de lissage de la tension et reacutegulateur inteacutegreacute

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CHELLY_ Nizar 13 ISET_Zaghouan

13Chapitre 3 Les transistors bipolaires

Chapitre 3 Les transistors bipolaires

CHAPITRE

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CHELLY_ Nizar 14 ISET_Zaghouan

14Introduction

I Introduction

En eacutelectronique un tel composant est inteacuteressant car il va permettre damplifier un signal et

de commander des actionneurs requeacuterant de la puissance (haut parleurs moteurs etc ) avec

des signaux de faible niveau issus de capteurs (microphone sonde de tempeacuterature depression )

Le transistor agrave jonction va permettre de remplir (entre autres) cette fonction en eacutelectronique

II Principe et caracteacuteristique

II1 Introduction agrave leffet transistor

Nous avons deacutejagrave vu agrave propos de la diode que si celle-ci est polariseacutee en inverse les porteurs

minoritaires (eacutelectrons de la zone P et trous de la zone N creacuteeacutes par lagitation thermique)traversent sans problegravemes la jonction et sont acceacuteleacutereacutes par le champ exteacuterieur

On a vu aussi que lorsque les porteurs majoritaires dune zone franchissent la jonction ils

deviennent minoritaires dans lautre zone et quils mettent un certain temps agrave se recombineravec les porteurs opposeacutes

Partant des deux remarques preacuteceacutedentes on peut deacuteduire que si on injecte dans la zone N

dune jonction NP polariseacutee en inverse beaucoup de trous (qui seront dans cette zone des

porteurs minoritaires) en faisant en sorte quils ne se recombinent pas avec les eacutelectrons de

la zone N ils vont traverser la jonction et creacuteer un courant dans le circuit exteacuterieur

Fig 1 Injection de trous dans une zone N

La figure 1 illustre ce propos il y aura des recombinaisons (charges + et - encercleacutees) mais

limiteacutees et la plupart des trous iront dans la zone P et formeront le courant I2 A noter que les

recombinaisons correspondent au courant I1-I2

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CHELLY_ Nizar 15 ISET_Zaghouan

15Principe et caracteacuteristique

II2 Le transistor reacuteel

Ce que nous venons de deacutecrire nest ni plus ni moins que leffet transistor il ne manque que

le moyen dinjecter des trous dans la zone N et de faire en sorte que les recombinaisons

soient faibles pour que la majoriteacute des trous passent dans la zone P

II21 Principe de fonctionnement

Dans le transistor reacuteel on va apporter les trous en creacuteant une jonction PN que lon va

polariser en direct On rajoute pour ce faire une zone P sur la zone N du montage Fig 1 Cette

zone P qui injecte les trous est alors leacutemetteur et la zone N faiblement dopeacutee est la base

Comme dans le scheacutema de la Fig 1 la jonction NP est polariseacutee en inverse La deuxiegraveme zone

P est le collecteur (voir Fig 2)

Fig 2 Scheacutema de principe dun transistor

Les trous injecteacutes dans la base par leacutemetteur ont une faible probabiliteacute de se recombiner

avec les eacutelectrons de la base pour deux raisons

- la base est faiblement dopeacutee donc les porteurs majoritaires (eacutelectrons) seront peu

nombreux

- la base est eacutetroite et donc les trous eacutemis sont happeacutes par le champ eacutelectrique collecteur-

base avant davoir pu se recombiner (la largeur de la base est petite devant la longueur de

diffusion des porteurs minoritaires injecteacutes par leacutemetteur qui sont ici les trous)

On peut observer le pheacutenomegravene dun point de vue diffeacuterent quand on injecte un eacutelectron

dans la base leacutemetteur devra envoyer plusieurs trous dans la base pour quil y en ait un qui

se recombine avec leacutelectron eacutemis Les autres trous vont passer directement dans lecollecteur

En premiegravere approximation le nombre de trous passant dans le collecteur est proportionnelau nombre deacutelectrons injecteacutes dans la base

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CHELLY_ Nizar 16 ISET_Zaghouan

16Principe et caracteacuteristique

Ce rapport de proportionnaliteacute est un paramegravetre intrinsegraveque au transistor et sappelle le gain

en courant

Il ne deacutepend que des caracteacuteristiques physiques du transistor il ne deacutepend ni de la tension

inverse collecteur base ni du courant circulant dans le collecteur (ceci nest quune

approximation mais dans les hypothegraveses de petits signaux cest assez bien veacuterifieacute)

On a les relations suivantes

= (13) = ( + 1) (23) = minus (33)

II22 Constitution et caracteacuteristiques physiques dun transistor

Un transistor bipolaire est donc constitueacute de trois zones de silicium alternativement dopeacutees N

et P formant deux jonctions PN

Le transistor deacutecrit au paragraphe preacuteceacutedent comporte deux zones P et une zone N Cest une

des deux faccedilons dagencer les jonctions pour fabriquer un transistor

- soit une zone P une N et une P le transistor est dit PNP

- soit une zone N une P et une N le transistor est dit NPN

Dans les deux cas la zone centrale (base) est tregraves eacutetroite vis agrave vis de la longueur de diffusiondes porteurs minoritaires issus de la zone adjacente (leacutemetteur)

La base possegravede en outre la caracteacuteristique decirctre tregraves faiblement dopeacutee en comparaison de

leacutemetteur

II3 Symboles tensions et courants

Dans le symbole du transistor (figures 3 et 4) une flegraveche deacutesigne leacutemetteur ainsi que le sensde circulation du courant deacutemetteur cest le sens de cette flegraveche qui va repeacuterer le type de

transistor NPN pour un courant deacutemetteur sortant du transistor et PNP dans le cas inverse

La base est repreacutesenteacutee par une barre parallegravele agrave laxe collecteur-eacutemetteur Dautres

symboles existent mais celui-ci est le plus usiteacute

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CHELLY_ Nizar 17 ISET_Zaghouan

17Caracteacuteristiques eacutelectriques

Les transistors sont des composants polariseacutes les courants indiqueacutes sont les seuls possibles

pour un fonctionnement correct En conseacutequence il faudra choisir le type de transistor

adapteacute au besoin (NPN ou PNP) et faire attention au sens de branchement

Transistor NPN

Fig 3 Courants et tensions sur un NPN

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont rentrants et le courant deacutemetteur est sortant Les tensions VBE et VCE sont ici positives

Transistor PNP

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont sortants et le courant

deacutemetteur est rentrant Les tensions VBE et VCE sont ici neacutegatives

Fig 4 Courants et tensions sur un PNP

III Caracteacuteristiques eacutelectriques

Pour ce paragraphe nous allons eacutetudier les caracteacuteristiques des transistors NPN Celles destransistors PNP sont les mecircmes aux reacuteserves de signes deacutecrites au paragraphe preacuteceacutedent

III1 Montages de base

Quand on branche un transistor si on sarrange pour quil y ait une patte commune agrave lentreacuteeet agrave la sortie du montage il y a 3 maniegraveres fondamentales de proceacuteder

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CHELLY_ Nizar 18 ISET_Zaghouan

18Caracteacuteristiques eacutelectriques

- la patte commune est leacutemetteur on parle de montage eacutemetteur commun Lentreacutee est la

base et la sortie le collecteur

- La patte commune est la base on parle de montage base commune Lentreacutee est leacutemetteur

et la sortie le collecteur

- La patte commune est le collecteur on parle de montage collecteur commun Lentreacutee est labase et la sortie leacutemetteur

III2 Scheacutema de mesure des caracteacuteristiques

Les caracteacuteristiques qui suivent sont donneacutees pour un montage eacutemetteur commun Le

scheacutema le plus simple est le suivant

Fig 5 Montage de base eacutemetteur commun

Dans ce scheacutema la base est polariseacutee en direct par la reacutesistance de base R b le potentiel de la

base est alors de 07V environ car leacutemetteur est agrave la masse et la jonction base eacutemetteur est

leacutequivalent dune diode passante

Le collecteur est lui polariseacute par la reacutesistance de collecteur Rc de telle maniegravere que la tension

du collecteur soit supeacuterieure agrave la tension de la base la jonction base collecteur est alors

polariseacutee en inverse

On polarise donc convenablement le transistor avec une simple alimentation et deux

reacutesistances Dans ce montage lentreacutee est la base et la sortie est le collecteur

Lentreacutee est caracteacuteriseacutee par les deux grandeurs IB et VBE et la sortie par les grandeurs IC et VCE soit 4 variables

III21 Caracteacuteristique dentreacutee

La caracteacuteristique dentreacutee du transistor est donneacutee par la relation IB = f (VBE) VCE = cte

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CHELLY_ Nizar 19 ISET_Zaghouan

19Caracteacuteristiques eacutelectriques

En fait le circuit dentreacutee est la jonction base eacutemetteur du transistor soit une jonction diode

Cette caracteacuteristique va deacutependre tregraves peu de la tension collecteur eacutemetteur on la donne engeacuteneacuteral pour une seule valeur de VCE La courbe est la suivante

Fig 6 Caracteacuteristique dentreacutee du transistor

La tension VBE est denviron 07V pour une polarisation normale du transistor (courant de

base infeacuterieur au mA) Cette valeur est donc leacutegegraverement supeacuterieure agrave celle dune jonction de

diode

III22 Caracteacuteristique de transfert

La caracteacuteristique de transfert est deacutefinie par la relation IC = f (IB) VCE = cte

Nous avons deacutejagrave dit que le courant deacutemetteur est proportionnel au courant de base

Fig 7 Caracteacuteristique de transfert du transistor

La caracteacuteristique de transfert est donc une droite le transistor est un geacuteneacuterateur de courant

commandeacute par un courant

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CHELLY_ Nizar 20 ISET_Zaghouan

20Caracteacuteristiques eacutelectriques

Si on considegravere le courant de fuite ICEO la caracteacuteristique ne passe pas par lorigine car IC =

ICEO pour IB = 0

Le β du transistor va varier grandement en fonction du type de transistor 5 agrave 10 pour des

transistors de grosse puissance 30 agrave 80 pour des transistors de moyenne puissance et de

100 agrave 500 pour des transistors de signal

III23 Caracteacuteristique de sortie

La caracteacuteristique de sortie du transistor est deacutefinie par la relation IC = f (VCE) IB = cte En

pratique on donne un reacuteseau de caracteacuteristiques pour plusieurs valeurs de IB

Fig 8 Caracteacuteristiques de sortie du transistor

Sur ces caracteacuteristiques (Fig 8) on distingue deux zones

- une zone importante ougrave le courant IC deacutepend tregraves peu de VCE agrave IB donneacute cette

caracteacuteristique est celle dun geacuteneacuterateur de courant agrave reacutesistance interne utiliseacute en reacutecepteur

Dans le cas des transistors petits signaux cette reacutesistance est tregraves grande en premiegravere

approche on consideacuterera que la sortie de ce montage agrave transistor est un geacuteneacuterateur de

courant parfait

- La zone des faibles tensions VCE (0 agrave quelques volts en fonction du transistor) est diffeacuterente

Cest la zone de saturation Quand la tension collecteur-eacutemetteur diminue pour devenir tregraves

faible la jonction collecteur-base cesse decirctre polariseacutee en inverse et leffet transistor deacutecroicirct

alors tregraves rapidement A la limite la jonction collecteur-base devient aussi polariseacutee endirect on na plus un transistor mais leacutequivalent de deux diodes en parallegravele On a une

caracteacuteristique ohmique deacutetermineacutee principalement par la reacutesistiviteacute du silicium du

collecteur Les tensions de saturation sont toujours deacutefinies agrave un courant collecteur donneacute

elles varient de 50mV pour des transistors de signal agrave des courants denviron 10mA agrave 500mV

pour les mecircmes transistors utiliseacutes au maximum de leurs possibiliteacutes (100 agrave 300 mA) et

atteignent 1 agrave 3V pour des transistors de puissance agrave des courants de lordre de 10A

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CHELLY_ Nizar 21 ISET_Zaghouan

21Montage de base

En bref

Ce quil faut retenir dessentiel dans le transistor cest que cest un amplificateur de

courant

Cest un geacuteneacuterateur de (fort) courant (en sortie) piloteacute par un (faible) courant (en

entreacutee)

IV Montage de base

IV1 Preacuteliminaire

IV11 Mise en œuvre du transistor

On a vu que le transistor eacutetait un amplificateur de courant on va donc lutiliser pour

amplifier des signaux issus de sources diverses

Il va falloir pour cela mettre en œuvre tout un montage autour du transistor pour plusieurs

raisons

Alimentation

Le transistor tout en eacutetant classifieacute dans les composants actifs ne fournit pas deacutenergie il

faudra donc que cette eacutenergie vienne de quelque part Cest le rocircle de lalimentation qui va

servir agrave apporter les tensions de polarisation et leacutenergie que le montage sera susceptible de

fournir en sortie

Polarisation

Le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens il va donc falloir le polariser

pour pouvoir y faire passer du courant alternatif cest agrave dire superposer au courant alternatif

un courant continu suffisamment grand pour que le courant total (continu + alternatif)

circule toujours dans le mecircme sens Il faudra en plus que la composante alternative du

courant soit suffisamment petite devant la composante continue pour que la lineacutearisation

faite dans le cadre de lhypothegravese des petits signaux soit justifieacutee

Conversion couranttension

Le transistor est un geacuteneacuterateur de courant Comme il est plus commode de manipuler des

tensions il va falloir convertir ces courants en tensions on va le faire simplement en mettant

des reacutesistances dans des endroits judicieusement choisis du montage

Liaisons

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 13: cours electronique 2011

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CHELLY_ Nizar 13 ISET_Zaghouan

13Chapitre 3 Les transistors bipolaires

Chapitre 3 Les transistors bipolaires

CHAPITRE

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CHELLY_ Nizar 14 ISET_Zaghouan

14Introduction

I Introduction

En eacutelectronique un tel composant est inteacuteressant car il va permettre damplifier un signal et

de commander des actionneurs requeacuterant de la puissance (haut parleurs moteurs etc ) avec

des signaux de faible niveau issus de capteurs (microphone sonde de tempeacuterature depression )

Le transistor agrave jonction va permettre de remplir (entre autres) cette fonction en eacutelectronique

II Principe et caracteacuteristique

II1 Introduction agrave leffet transistor

Nous avons deacutejagrave vu agrave propos de la diode que si celle-ci est polariseacutee en inverse les porteurs

minoritaires (eacutelectrons de la zone P et trous de la zone N creacuteeacutes par lagitation thermique)traversent sans problegravemes la jonction et sont acceacuteleacutereacutes par le champ exteacuterieur

On a vu aussi que lorsque les porteurs majoritaires dune zone franchissent la jonction ils

deviennent minoritaires dans lautre zone et quils mettent un certain temps agrave se recombineravec les porteurs opposeacutes

Partant des deux remarques preacuteceacutedentes on peut deacuteduire que si on injecte dans la zone N

dune jonction NP polariseacutee en inverse beaucoup de trous (qui seront dans cette zone des

porteurs minoritaires) en faisant en sorte quils ne se recombinent pas avec les eacutelectrons de

la zone N ils vont traverser la jonction et creacuteer un courant dans le circuit exteacuterieur

Fig 1 Injection de trous dans une zone N

La figure 1 illustre ce propos il y aura des recombinaisons (charges + et - encercleacutees) mais

limiteacutees et la plupart des trous iront dans la zone P et formeront le courant I2 A noter que les

recombinaisons correspondent au courant I1-I2

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CHELLY_ Nizar 15 ISET_Zaghouan

15Principe et caracteacuteristique

II2 Le transistor reacuteel

Ce que nous venons de deacutecrire nest ni plus ni moins que leffet transistor il ne manque que

le moyen dinjecter des trous dans la zone N et de faire en sorte que les recombinaisons

soient faibles pour que la majoriteacute des trous passent dans la zone P

II21 Principe de fonctionnement

Dans le transistor reacuteel on va apporter les trous en creacuteant une jonction PN que lon va

polariser en direct On rajoute pour ce faire une zone P sur la zone N du montage Fig 1 Cette

zone P qui injecte les trous est alors leacutemetteur et la zone N faiblement dopeacutee est la base

Comme dans le scheacutema de la Fig 1 la jonction NP est polariseacutee en inverse La deuxiegraveme zone

P est le collecteur (voir Fig 2)

Fig 2 Scheacutema de principe dun transistor

Les trous injecteacutes dans la base par leacutemetteur ont une faible probabiliteacute de se recombiner

avec les eacutelectrons de la base pour deux raisons

- la base est faiblement dopeacutee donc les porteurs majoritaires (eacutelectrons) seront peu

nombreux

- la base est eacutetroite et donc les trous eacutemis sont happeacutes par le champ eacutelectrique collecteur-

base avant davoir pu se recombiner (la largeur de la base est petite devant la longueur de

diffusion des porteurs minoritaires injecteacutes par leacutemetteur qui sont ici les trous)

On peut observer le pheacutenomegravene dun point de vue diffeacuterent quand on injecte un eacutelectron

dans la base leacutemetteur devra envoyer plusieurs trous dans la base pour quil y en ait un qui

se recombine avec leacutelectron eacutemis Les autres trous vont passer directement dans lecollecteur

En premiegravere approximation le nombre de trous passant dans le collecteur est proportionnelau nombre deacutelectrons injecteacutes dans la base

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CHELLY_ Nizar 16 ISET_Zaghouan

16Principe et caracteacuteristique

Ce rapport de proportionnaliteacute est un paramegravetre intrinsegraveque au transistor et sappelle le gain

en courant

Il ne deacutepend que des caracteacuteristiques physiques du transistor il ne deacutepend ni de la tension

inverse collecteur base ni du courant circulant dans le collecteur (ceci nest quune

approximation mais dans les hypothegraveses de petits signaux cest assez bien veacuterifieacute)

On a les relations suivantes

= (13) = ( + 1) (23) = minus (33)

II22 Constitution et caracteacuteristiques physiques dun transistor

Un transistor bipolaire est donc constitueacute de trois zones de silicium alternativement dopeacutees N

et P formant deux jonctions PN

Le transistor deacutecrit au paragraphe preacuteceacutedent comporte deux zones P et une zone N Cest une

des deux faccedilons dagencer les jonctions pour fabriquer un transistor

- soit une zone P une N et une P le transistor est dit PNP

- soit une zone N une P et une N le transistor est dit NPN

Dans les deux cas la zone centrale (base) est tregraves eacutetroite vis agrave vis de la longueur de diffusiondes porteurs minoritaires issus de la zone adjacente (leacutemetteur)

La base possegravede en outre la caracteacuteristique decirctre tregraves faiblement dopeacutee en comparaison de

leacutemetteur

II3 Symboles tensions et courants

Dans le symbole du transistor (figures 3 et 4) une flegraveche deacutesigne leacutemetteur ainsi que le sensde circulation du courant deacutemetteur cest le sens de cette flegraveche qui va repeacuterer le type de

transistor NPN pour un courant deacutemetteur sortant du transistor et PNP dans le cas inverse

La base est repreacutesenteacutee par une barre parallegravele agrave laxe collecteur-eacutemetteur Dautres

symboles existent mais celui-ci est le plus usiteacute

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CHELLY_ Nizar 17 ISET_Zaghouan

17Caracteacuteristiques eacutelectriques

Les transistors sont des composants polariseacutes les courants indiqueacutes sont les seuls possibles

pour un fonctionnement correct En conseacutequence il faudra choisir le type de transistor

adapteacute au besoin (NPN ou PNP) et faire attention au sens de branchement

Transistor NPN

Fig 3 Courants et tensions sur un NPN

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont rentrants et le courant deacutemetteur est sortant Les tensions VBE et VCE sont ici positives

Transistor PNP

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont sortants et le courant

deacutemetteur est rentrant Les tensions VBE et VCE sont ici neacutegatives

Fig 4 Courants et tensions sur un PNP

III Caracteacuteristiques eacutelectriques

Pour ce paragraphe nous allons eacutetudier les caracteacuteristiques des transistors NPN Celles destransistors PNP sont les mecircmes aux reacuteserves de signes deacutecrites au paragraphe preacuteceacutedent

III1 Montages de base

Quand on branche un transistor si on sarrange pour quil y ait une patte commune agrave lentreacuteeet agrave la sortie du montage il y a 3 maniegraveres fondamentales de proceacuteder

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CHELLY_ Nizar 18 ISET_Zaghouan

18Caracteacuteristiques eacutelectriques

- la patte commune est leacutemetteur on parle de montage eacutemetteur commun Lentreacutee est la

base et la sortie le collecteur

- La patte commune est la base on parle de montage base commune Lentreacutee est leacutemetteur

et la sortie le collecteur

- La patte commune est le collecteur on parle de montage collecteur commun Lentreacutee est labase et la sortie leacutemetteur

III2 Scheacutema de mesure des caracteacuteristiques

Les caracteacuteristiques qui suivent sont donneacutees pour un montage eacutemetteur commun Le

scheacutema le plus simple est le suivant

Fig 5 Montage de base eacutemetteur commun

Dans ce scheacutema la base est polariseacutee en direct par la reacutesistance de base R b le potentiel de la

base est alors de 07V environ car leacutemetteur est agrave la masse et la jonction base eacutemetteur est

leacutequivalent dune diode passante

Le collecteur est lui polariseacute par la reacutesistance de collecteur Rc de telle maniegravere que la tension

du collecteur soit supeacuterieure agrave la tension de la base la jonction base collecteur est alors

polariseacutee en inverse

On polarise donc convenablement le transistor avec une simple alimentation et deux

reacutesistances Dans ce montage lentreacutee est la base et la sortie est le collecteur

Lentreacutee est caracteacuteriseacutee par les deux grandeurs IB et VBE et la sortie par les grandeurs IC et VCE soit 4 variables

III21 Caracteacuteristique dentreacutee

La caracteacuteristique dentreacutee du transistor est donneacutee par la relation IB = f (VBE) VCE = cte

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CHELLY_ Nizar 19 ISET_Zaghouan

19Caracteacuteristiques eacutelectriques

En fait le circuit dentreacutee est la jonction base eacutemetteur du transistor soit une jonction diode

Cette caracteacuteristique va deacutependre tregraves peu de la tension collecteur eacutemetteur on la donne engeacuteneacuteral pour une seule valeur de VCE La courbe est la suivante

Fig 6 Caracteacuteristique dentreacutee du transistor

La tension VBE est denviron 07V pour une polarisation normale du transistor (courant de

base infeacuterieur au mA) Cette valeur est donc leacutegegraverement supeacuterieure agrave celle dune jonction de

diode

III22 Caracteacuteristique de transfert

La caracteacuteristique de transfert est deacutefinie par la relation IC = f (IB) VCE = cte

Nous avons deacutejagrave dit que le courant deacutemetteur est proportionnel au courant de base

Fig 7 Caracteacuteristique de transfert du transistor

La caracteacuteristique de transfert est donc une droite le transistor est un geacuteneacuterateur de courant

commandeacute par un courant

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CHELLY_ Nizar 20 ISET_Zaghouan

20Caracteacuteristiques eacutelectriques

Si on considegravere le courant de fuite ICEO la caracteacuteristique ne passe pas par lorigine car IC =

ICEO pour IB = 0

Le β du transistor va varier grandement en fonction du type de transistor 5 agrave 10 pour des

transistors de grosse puissance 30 agrave 80 pour des transistors de moyenne puissance et de

100 agrave 500 pour des transistors de signal

III23 Caracteacuteristique de sortie

La caracteacuteristique de sortie du transistor est deacutefinie par la relation IC = f (VCE) IB = cte En

pratique on donne un reacuteseau de caracteacuteristiques pour plusieurs valeurs de IB

Fig 8 Caracteacuteristiques de sortie du transistor

Sur ces caracteacuteristiques (Fig 8) on distingue deux zones

- une zone importante ougrave le courant IC deacutepend tregraves peu de VCE agrave IB donneacute cette

caracteacuteristique est celle dun geacuteneacuterateur de courant agrave reacutesistance interne utiliseacute en reacutecepteur

Dans le cas des transistors petits signaux cette reacutesistance est tregraves grande en premiegravere

approche on consideacuterera que la sortie de ce montage agrave transistor est un geacuteneacuterateur de

courant parfait

- La zone des faibles tensions VCE (0 agrave quelques volts en fonction du transistor) est diffeacuterente

Cest la zone de saturation Quand la tension collecteur-eacutemetteur diminue pour devenir tregraves

faible la jonction collecteur-base cesse decirctre polariseacutee en inverse et leffet transistor deacutecroicirct

alors tregraves rapidement A la limite la jonction collecteur-base devient aussi polariseacutee endirect on na plus un transistor mais leacutequivalent de deux diodes en parallegravele On a une

caracteacuteristique ohmique deacutetermineacutee principalement par la reacutesistiviteacute du silicium du

collecteur Les tensions de saturation sont toujours deacutefinies agrave un courant collecteur donneacute

elles varient de 50mV pour des transistors de signal agrave des courants denviron 10mA agrave 500mV

pour les mecircmes transistors utiliseacutes au maximum de leurs possibiliteacutes (100 agrave 300 mA) et

atteignent 1 agrave 3V pour des transistors de puissance agrave des courants de lordre de 10A

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CHELLY_ Nizar 21 ISET_Zaghouan

21Montage de base

En bref

Ce quil faut retenir dessentiel dans le transistor cest que cest un amplificateur de

courant

Cest un geacuteneacuterateur de (fort) courant (en sortie) piloteacute par un (faible) courant (en

entreacutee)

IV Montage de base

IV1 Preacuteliminaire

IV11 Mise en œuvre du transistor

On a vu que le transistor eacutetait un amplificateur de courant on va donc lutiliser pour

amplifier des signaux issus de sources diverses

Il va falloir pour cela mettre en œuvre tout un montage autour du transistor pour plusieurs

raisons

Alimentation

Le transistor tout en eacutetant classifieacute dans les composants actifs ne fournit pas deacutenergie il

faudra donc que cette eacutenergie vienne de quelque part Cest le rocircle de lalimentation qui va

servir agrave apporter les tensions de polarisation et leacutenergie que le montage sera susceptible de

fournir en sortie

Polarisation

Le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens il va donc falloir le polariser

pour pouvoir y faire passer du courant alternatif cest agrave dire superposer au courant alternatif

un courant continu suffisamment grand pour que le courant total (continu + alternatif)

circule toujours dans le mecircme sens Il faudra en plus que la composante alternative du

courant soit suffisamment petite devant la composante continue pour que la lineacutearisation

faite dans le cadre de lhypothegravese des petits signaux soit justifieacutee

Conversion couranttension

Le transistor est un geacuteneacuterateur de courant Comme il est plus commode de manipuler des

tensions il va falloir convertir ces courants en tensions on va le faire simplement en mettant

des reacutesistances dans des endroits judicieusement choisis du montage

Liaisons

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 14: cours electronique 2011

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CHELLY_ Nizar 14 ISET_Zaghouan

14Introduction

I Introduction

En eacutelectronique un tel composant est inteacuteressant car il va permettre damplifier un signal et

de commander des actionneurs requeacuterant de la puissance (haut parleurs moteurs etc ) avec

des signaux de faible niveau issus de capteurs (microphone sonde de tempeacuterature depression )

Le transistor agrave jonction va permettre de remplir (entre autres) cette fonction en eacutelectronique

II Principe et caracteacuteristique

II1 Introduction agrave leffet transistor

Nous avons deacutejagrave vu agrave propos de la diode que si celle-ci est polariseacutee en inverse les porteurs

minoritaires (eacutelectrons de la zone P et trous de la zone N creacuteeacutes par lagitation thermique)traversent sans problegravemes la jonction et sont acceacuteleacutereacutes par le champ exteacuterieur

On a vu aussi que lorsque les porteurs majoritaires dune zone franchissent la jonction ils

deviennent minoritaires dans lautre zone et quils mettent un certain temps agrave se recombineravec les porteurs opposeacutes

Partant des deux remarques preacuteceacutedentes on peut deacuteduire que si on injecte dans la zone N

dune jonction NP polariseacutee en inverse beaucoup de trous (qui seront dans cette zone des

porteurs minoritaires) en faisant en sorte quils ne se recombinent pas avec les eacutelectrons de

la zone N ils vont traverser la jonction et creacuteer un courant dans le circuit exteacuterieur

Fig 1 Injection de trous dans une zone N

La figure 1 illustre ce propos il y aura des recombinaisons (charges + et - encercleacutees) mais

limiteacutees et la plupart des trous iront dans la zone P et formeront le courant I2 A noter que les

recombinaisons correspondent au courant I1-I2

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CHELLY_ Nizar 15 ISET_Zaghouan

15Principe et caracteacuteristique

II2 Le transistor reacuteel

Ce que nous venons de deacutecrire nest ni plus ni moins que leffet transistor il ne manque que

le moyen dinjecter des trous dans la zone N et de faire en sorte que les recombinaisons

soient faibles pour que la majoriteacute des trous passent dans la zone P

II21 Principe de fonctionnement

Dans le transistor reacuteel on va apporter les trous en creacuteant une jonction PN que lon va

polariser en direct On rajoute pour ce faire une zone P sur la zone N du montage Fig 1 Cette

zone P qui injecte les trous est alors leacutemetteur et la zone N faiblement dopeacutee est la base

Comme dans le scheacutema de la Fig 1 la jonction NP est polariseacutee en inverse La deuxiegraveme zone

P est le collecteur (voir Fig 2)

Fig 2 Scheacutema de principe dun transistor

Les trous injecteacutes dans la base par leacutemetteur ont une faible probabiliteacute de se recombiner

avec les eacutelectrons de la base pour deux raisons

- la base est faiblement dopeacutee donc les porteurs majoritaires (eacutelectrons) seront peu

nombreux

- la base est eacutetroite et donc les trous eacutemis sont happeacutes par le champ eacutelectrique collecteur-

base avant davoir pu se recombiner (la largeur de la base est petite devant la longueur de

diffusion des porteurs minoritaires injecteacutes par leacutemetteur qui sont ici les trous)

On peut observer le pheacutenomegravene dun point de vue diffeacuterent quand on injecte un eacutelectron

dans la base leacutemetteur devra envoyer plusieurs trous dans la base pour quil y en ait un qui

se recombine avec leacutelectron eacutemis Les autres trous vont passer directement dans lecollecteur

En premiegravere approximation le nombre de trous passant dans le collecteur est proportionnelau nombre deacutelectrons injecteacutes dans la base

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CHELLY_ Nizar 16 ISET_Zaghouan

16Principe et caracteacuteristique

Ce rapport de proportionnaliteacute est un paramegravetre intrinsegraveque au transistor et sappelle le gain

en courant

Il ne deacutepend que des caracteacuteristiques physiques du transistor il ne deacutepend ni de la tension

inverse collecteur base ni du courant circulant dans le collecteur (ceci nest quune

approximation mais dans les hypothegraveses de petits signaux cest assez bien veacuterifieacute)

On a les relations suivantes

= (13) = ( + 1) (23) = minus (33)

II22 Constitution et caracteacuteristiques physiques dun transistor

Un transistor bipolaire est donc constitueacute de trois zones de silicium alternativement dopeacutees N

et P formant deux jonctions PN

Le transistor deacutecrit au paragraphe preacuteceacutedent comporte deux zones P et une zone N Cest une

des deux faccedilons dagencer les jonctions pour fabriquer un transistor

- soit une zone P une N et une P le transistor est dit PNP

- soit une zone N une P et une N le transistor est dit NPN

Dans les deux cas la zone centrale (base) est tregraves eacutetroite vis agrave vis de la longueur de diffusiondes porteurs minoritaires issus de la zone adjacente (leacutemetteur)

La base possegravede en outre la caracteacuteristique decirctre tregraves faiblement dopeacutee en comparaison de

leacutemetteur

II3 Symboles tensions et courants

Dans le symbole du transistor (figures 3 et 4) une flegraveche deacutesigne leacutemetteur ainsi que le sensde circulation du courant deacutemetteur cest le sens de cette flegraveche qui va repeacuterer le type de

transistor NPN pour un courant deacutemetteur sortant du transistor et PNP dans le cas inverse

La base est repreacutesenteacutee par une barre parallegravele agrave laxe collecteur-eacutemetteur Dautres

symboles existent mais celui-ci est le plus usiteacute

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CHELLY_ Nizar 17 ISET_Zaghouan

17Caracteacuteristiques eacutelectriques

Les transistors sont des composants polariseacutes les courants indiqueacutes sont les seuls possibles

pour un fonctionnement correct En conseacutequence il faudra choisir le type de transistor

adapteacute au besoin (NPN ou PNP) et faire attention au sens de branchement

Transistor NPN

Fig 3 Courants et tensions sur un NPN

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont rentrants et le courant deacutemetteur est sortant Les tensions VBE et VCE sont ici positives

Transistor PNP

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont sortants et le courant

deacutemetteur est rentrant Les tensions VBE et VCE sont ici neacutegatives

Fig 4 Courants et tensions sur un PNP

III Caracteacuteristiques eacutelectriques

Pour ce paragraphe nous allons eacutetudier les caracteacuteristiques des transistors NPN Celles destransistors PNP sont les mecircmes aux reacuteserves de signes deacutecrites au paragraphe preacuteceacutedent

III1 Montages de base

Quand on branche un transistor si on sarrange pour quil y ait une patte commune agrave lentreacuteeet agrave la sortie du montage il y a 3 maniegraveres fondamentales de proceacuteder

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CHELLY_ Nizar 18 ISET_Zaghouan

18Caracteacuteristiques eacutelectriques

- la patte commune est leacutemetteur on parle de montage eacutemetteur commun Lentreacutee est la

base et la sortie le collecteur

- La patte commune est la base on parle de montage base commune Lentreacutee est leacutemetteur

et la sortie le collecteur

- La patte commune est le collecteur on parle de montage collecteur commun Lentreacutee est labase et la sortie leacutemetteur

III2 Scheacutema de mesure des caracteacuteristiques

Les caracteacuteristiques qui suivent sont donneacutees pour un montage eacutemetteur commun Le

scheacutema le plus simple est le suivant

Fig 5 Montage de base eacutemetteur commun

Dans ce scheacutema la base est polariseacutee en direct par la reacutesistance de base R b le potentiel de la

base est alors de 07V environ car leacutemetteur est agrave la masse et la jonction base eacutemetteur est

leacutequivalent dune diode passante

Le collecteur est lui polariseacute par la reacutesistance de collecteur Rc de telle maniegravere que la tension

du collecteur soit supeacuterieure agrave la tension de la base la jonction base collecteur est alors

polariseacutee en inverse

On polarise donc convenablement le transistor avec une simple alimentation et deux

reacutesistances Dans ce montage lentreacutee est la base et la sortie est le collecteur

Lentreacutee est caracteacuteriseacutee par les deux grandeurs IB et VBE et la sortie par les grandeurs IC et VCE soit 4 variables

III21 Caracteacuteristique dentreacutee

La caracteacuteristique dentreacutee du transistor est donneacutee par la relation IB = f (VBE) VCE = cte

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CHELLY_ Nizar 19 ISET_Zaghouan

19Caracteacuteristiques eacutelectriques

En fait le circuit dentreacutee est la jonction base eacutemetteur du transistor soit une jonction diode

Cette caracteacuteristique va deacutependre tregraves peu de la tension collecteur eacutemetteur on la donne engeacuteneacuteral pour une seule valeur de VCE La courbe est la suivante

Fig 6 Caracteacuteristique dentreacutee du transistor

La tension VBE est denviron 07V pour une polarisation normale du transistor (courant de

base infeacuterieur au mA) Cette valeur est donc leacutegegraverement supeacuterieure agrave celle dune jonction de

diode

III22 Caracteacuteristique de transfert

La caracteacuteristique de transfert est deacutefinie par la relation IC = f (IB) VCE = cte

Nous avons deacutejagrave dit que le courant deacutemetteur est proportionnel au courant de base

Fig 7 Caracteacuteristique de transfert du transistor

La caracteacuteristique de transfert est donc une droite le transistor est un geacuteneacuterateur de courant

commandeacute par un courant

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CHELLY_ Nizar 20 ISET_Zaghouan

20Caracteacuteristiques eacutelectriques

Si on considegravere le courant de fuite ICEO la caracteacuteristique ne passe pas par lorigine car IC =

ICEO pour IB = 0

Le β du transistor va varier grandement en fonction du type de transistor 5 agrave 10 pour des

transistors de grosse puissance 30 agrave 80 pour des transistors de moyenne puissance et de

100 agrave 500 pour des transistors de signal

III23 Caracteacuteristique de sortie

La caracteacuteristique de sortie du transistor est deacutefinie par la relation IC = f (VCE) IB = cte En

pratique on donne un reacuteseau de caracteacuteristiques pour plusieurs valeurs de IB

Fig 8 Caracteacuteristiques de sortie du transistor

Sur ces caracteacuteristiques (Fig 8) on distingue deux zones

- une zone importante ougrave le courant IC deacutepend tregraves peu de VCE agrave IB donneacute cette

caracteacuteristique est celle dun geacuteneacuterateur de courant agrave reacutesistance interne utiliseacute en reacutecepteur

Dans le cas des transistors petits signaux cette reacutesistance est tregraves grande en premiegravere

approche on consideacuterera que la sortie de ce montage agrave transistor est un geacuteneacuterateur de

courant parfait

- La zone des faibles tensions VCE (0 agrave quelques volts en fonction du transistor) est diffeacuterente

Cest la zone de saturation Quand la tension collecteur-eacutemetteur diminue pour devenir tregraves

faible la jonction collecteur-base cesse decirctre polariseacutee en inverse et leffet transistor deacutecroicirct

alors tregraves rapidement A la limite la jonction collecteur-base devient aussi polariseacutee endirect on na plus un transistor mais leacutequivalent de deux diodes en parallegravele On a une

caracteacuteristique ohmique deacutetermineacutee principalement par la reacutesistiviteacute du silicium du

collecteur Les tensions de saturation sont toujours deacutefinies agrave un courant collecteur donneacute

elles varient de 50mV pour des transistors de signal agrave des courants denviron 10mA agrave 500mV

pour les mecircmes transistors utiliseacutes au maximum de leurs possibiliteacutes (100 agrave 300 mA) et

atteignent 1 agrave 3V pour des transistors de puissance agrave des courants de lordre de 10A

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CHELLY_ Nizar 21 ISET_Zaghouan

21Montage de base

En bref

Ce quil faut retenir dessentiel dans le transistor cest que cest un amplificateur de

courant

Cest un geacuteneacuterateur de (fort) courant (en sortie) piloteacute par un (faible) courant (en

entreacutee)

IV Montage de base

IV1 Preacuteliminaire

IV11 Mise en œuvre du transistor

On a vu que le transistor eacutetait un amplificateur de courant on va donc lutiliser pour

amplifier des signaux issus de sources diverses

Il va falloir pour cela mettre en œuvre tout un montage autour du transistor pour plusieurs

raisons

Alimentation

Le transistor tout en eacutetant classifieacute dans les composants actifs ne fournit pas deacutenergie il

faudra donc que cette eacutenergie vienne de quelque part Cest le rocircle de lalimentation qui va

servir agrave apporter les tensions de polarisation et leacutenergie que le montage sera susceptible de

fournir en sortie

Polarisation

Le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens il va donc falloir le polariser

pour pouvoir y faire passer du courant alternatif cest agrave dire superposer au courant alternatif

un courant continu suffisamment grand pour que le courant total (continu + alternatif)

circule toujours dans le mecircme sens Il faudra en plus que la composante alternative du

courant soit suffisamment petite devant la composante continue pour que la lineacutearisation

faite dans le cadre de lhypothegravese des petits signaux soit justifieacutee

Conversion couranttension

Le transistor est un geacuteneacuterateur de courant Comme il est plus commode de manipuler des

tensions il va falloir convertir ces courants en tensions on va le faire simplement en mettant

des reacutesistances dans des endroits judicieusement choisis du montage

Liaisons

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 15: cours electronique 2011

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CHELLY_ Nizar 15 ISET_Zaghouan

15Principe et caracteacuteristique

II2 Le transistor reacuteel

Ce que nous venons de deacutecrire nest ni plus ni moins que leffet transistor il ne manque que

le moyen dinjecter des trous dans la zone N et de faire en sorte que les recombinaisons

soient faibles pour que la majoriteacute des trous passent dans la zone P

II21 Principe de fonctionnement

Dans le transistor reacuteel on va apporter les trous en creacuteant une jonction PN que lon va

polariser en direct On rajoute pour ce faire une zone P sur la zone N du montage Fig 1 Cette

zone P qui injecte les trous est alors leacutemetteur et la zone N faiblement dopeacutee est la base

Comme dans le scheacutema de la Fig 1 la jonction NP est polariseacutee en inverse La deuxiegraveme zone

P est le collecteur (voir Fig 2)

Fig 2 Scheacutema de principe dun transistor

Les trous injecteacutes dans la base par leacutemetteur ont une faible probabiliteacute de se recombiner

avec les eacutelectrons de la base pour deux raisons

- la base est faiblement dopeacutee donc les porteurs majoritaires (eacutelectrons) seront peu

nombreux

- la base est eacutetroite et donc les trous eacutemis sont happeacutes par le champ eacutelectrique collecteur-

base avant davoir pu se recombiner (la largeur de la base est petite devant la longueur de

diffusion des porteurs minoritaires injecteacutes par leacutemetteur qui sont ici les trous)

On peut observer le pheacutenomegravene dun point de vue diffeacuterent quand on injecte un eacutelectron

dans la base leacutemetteur devra envoyer plusieurs trous dans la base pour quil y en ait un qui

se recombine avec leacutelectron eacutemis Les autres trous vont passer directement dans lecollecteur

En premiegravere approximation le nombre de trous passant dans le collecteur est proportionnelau nombre deacutelectrons injecteacutes dans la base

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CHELLY_ Nizar 16 ISET_Zaghouan

16Principe et caracteacuteristique

Ce rapport de proportionnaliteacute est un paramegravetre intrinsegraveque au transistor et sappelle le gain

en courant

Il ne deacutepend que des caracteacuteristiques physiques du transistor il ne deacutepend ni de la tension

inverse collecteur base ni du courant circulant dans le collecteur (ceci nest quune

approximation mais dans les hypothegraveses de petits signaux cest assez bien veacuterifieacute)

On a les relations suivantes

= (13) = ( + 1) (23) = minus (33)

II22 Constitution et caracteacuteristiques physiques dun transistor

Un transistor bipolaire est donc constitueacute de trois zones de silicium alternativement dopeacutees N

et P formant deux jonctions PN

Le transistor deacutecrit au paragraphe preacuteceacutedent comporte deux zones P et une zone N Cest une

des deux faccedilons dagencer les jonctions pour fabriquer un transistor

- soit une zone P une N et une P le transistor est dit PNP

- soit une zone N une P et une N le transistor est dit NPN

Dans les deux cas la zone centrale (base) est tregraves eacutetroite vis agrave vis de la longueur de diffusiondes porteurs minoritaires issus de la zone adjacente (leacutemetteur)

La base possegravede en outre la caracteacuteristique decirctre tregraves faiblement dopeacutee en comparaison de

leacutemetteur

II3 Symboles tensions et courants

Dans le symbole du transistor (figures 3 et 4) une flegraveche deacutesigne leacutemetteur ainsi que le sensde circulation du courant deacutemetteur cest le sens de cette flegraveche qui va repeacuterer le type de

transistor NPN pour un courant deacutemetteur sortant du transistor et PNP dans le cas inverse

La base est repreacutesenteacutee par une barre parallegravele agrave laxe collecteur-eacutemetteur Dautres

symboles existent mais celui-ci est le plus usiteacute

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CHELLY_ Nizar 17 ISET_Zaghouan

17Caracteacuteristiques eacutelectriques

Les transistors sont des composants polariseacutes les courants indiqueacutes sont les seuls possibles

pour un fonctionnement correct En conseacutequence il faudra choisir le type de transistor

adapteacute au besoin (NPN ou PNP) et faire attention au sens de branchement

Transistor NPN

Fig 3 Courants et tensions sur un NPN

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont rentrants et le courant deacutemetteur est sortant Les tensions VBE et VCE sont ici positives

Transistor PNP

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont sortants et le courant

deacutemetteur est rentrant Les tensions VBE et VCE sont ici neacutegatives

Fig 4 Courants et tensions sur un PNP

III Caracteacuteristiques eacutelectriques

Pour ce paragraphe nous allons eacutetudier les caracteacuteristiques des transistors NPN Celles destransistors PNP sont les mecircmes aux reacuteserves de signes deacutecrites au paragraphe preacuteceacutedent

III1 Montages de base

Quand on branche un transistor si on sarrange pour quil y ait une patte commune agrave lentreacuteeet agrave la sortie du montage il y a 3 maniegraveres fondamentales de proceacuteder

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CHELLY_ Nizar 18 ISET_Zaghouan

18Caracteacuteristiques eacutelectriques

- la patte commune est leacutemetteur on parle de montage eacutemetteur commun Lentreacutee est la

base et la sortie le collecteur

- La patte commune est la base on parle de montage base commune Lentreacutee est leacutemetteur

et la sortie le collecteur

- La patte commune est le collecteur on parle de montage collecteur commun Lentreacutee est labase et la sortie leacutemetteur

III2 Scheacutema de mesure des caracteacuteristiques

Les caracteacuteristiques qui suivent sont donneacutees pour un montage eacutemetteur commun Le

scheacutema le plus simple est le suivant

Fig 5 Montage de base eacutemetteur commun

Dans ce scheacutema la base est polariseacutee en direct par la reacutesistance de base R b le potentiel de la

base est alors de 07V environ car leacutemetteur est agrave la masse et la jonction base eacutemetteur est

leacutequivalent dune diode passante

Le collecteur est lui polariseacute par la reacutesistance de collecteur Rc de telle maniegravere que la tension

du collecteur soit supeacuterieure agrave la tension de la base la jonction base collecteur est alors

polariseacutee en inverse

On polarise donc convenablement le transistor avec une simple alimentation et deux

reacutesistances Dans ce montage lentreacutee est la base et la sortie est le collecteur

Lentreacutee est caracteacuteriseacutee par les deux grandeurs IB et VBE et la sortie par les grandeurs IC et VCE soit 4 variables

III21 Caracteacuteristique dentreacutee

La caracteacuteristique dentreacutee du transistor est donneacutee par la relation IB = f (VBE) VCE = cte

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CHELLY_ Nizar 19 ISET_Zaghouan

19Caracteacuteristiques eacutelectriques

En fait le circuit dentreacutee est la jonction base eacutemetteur du transistor soit une jonction diode

Cette caracteacuteristique va deacutependre tregraves peu de la tension collecteur eacutemetteur on la donne engeacuteneacuteral pour une seule valeur de VCE La courbe est la suivante

Fig 6 Caracteacuteristique dentreacutee du transistor

La tension VBE est denviron 07V pour une polarisation normale du transistor (courant de

base infeacuterieur au mA) Cette valeur est donc leacutegegraverement supeacuterieure agrave celle dune jonction de

diode

III22 Caracteacuteristique de transfert

La caracteacuteristique de transfert est deacutefinie par la relation IC = f (IB) VCE = cte

Nous avons deacutejagrave dit que le courant deacutemetteur est proportionnel au courant de base

Fig 7 Caracteacuteristique de transfert du transistor

La caracteacuteristique de transfert est donc une droite le transistor est un geacuteneacuterateur de courant

commandeacute par un courant

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CHELLY_ Nizar 20 ISET_Zaghouan

20Caracteacuteristiques eacutelectriques

Si on considegravere le courant de fuite ICEO la caracteacuteristique ne passe pas par lorigine car IC =

ICEO pour IB = 0

Le β du transistor va varier grandement en fonction du type de transistor 5 agrave 10 pour des

transistors de grosse puissance 30 agrave 80 pour des transistors de moyenne puissance et de

100 agrave 500 pour des transistors de signal

III23 Caracteacuteristique de sortie

La caracteacuteristique de sortie du transistor est deacutefinie par la relation IC = f (VCE) IB = cte En

pratique on donne un reacuteseau de caracteacuteristiques pour plusieurs valeurs de IB

Fig 8 Caracteacuteristiques de sortie du transistor

Sur ces caracteacuteristiques (Fig 8) on distingue deux zones

- une zone importante ougrave le courant IC deacutepend tregraves peu de VCE agrave IB donneacute cette

caracteacuteristique est celle dun geacuteneacuterateur de courant agrave reacutesistance interne utiliseacute en reacutecepteur

Dans le cas des transistors petits signaux cette reacutesistance est tregraves grande en premiegravere

approche on consideacuterera que la sortie de ce montage agrave transistor est un geacuteneacuterateur de

courant parfait

- La zone des faibles tensions VCE (0 agrave quelques volts en fonction du transistor) est diffeacuterente

Cest la zone de saturation Quand la tension collecteur-eacutemetteur diminue pour devenir tregraves

faible la jonction collecteur-base cesse decirctre polariseacutee en inverse et leffet transistor deacutecroicirct

alors tregraves rapidement A la limite la jonction collecteur-base devient aussi polariseacutee endirect on na plus un transistor mais leacutequivalent de deux diodes en parallegravele On a une

caracteacuteristique ohmique deacutetermineacutee principalement par la reacutesistiviteacute du silicium du

collecteur Les tensions de saturation sont toujours deacutefinies agrave un courant collecteur donneacute

elles varient de 50mV pour des transistors de signal agrave des courants denviron 10mA agrave 500mV

pour les mecircmes transistors utiliseacutes au maximum de leurs possibiliteacutes (100 agrave 300 mA) et

atteignent 1 agrave 3V pour des transistors de puissance agrave des courants de lordre de 10A

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CHELLY_ Nizar 21 ISET_Zaghouan

21Montage de base

En bref

Ce quil faut retenir dessentiel dans le transistor cest que cest un amplificateur de

courant

Cest un geacuteneacuterateur de (fort) courant (en sortie) piloteacute par un (faible) courant (en

entreacutee)

IV Montage de base

IV1 Preacuteliminaire

IV11 Mise en œuvre du transistor

On a vu que le transistor eacutetait un amplificateur de courant on va donc lutiliser pour

amplifier des signaux issus de sources diverses

Il va falloir pour cela mettre en œuvre tout un montage autour du transistor pour plusieurs

raisons

Alimentation

Le transistor tout en eacutetant classifieacute dans les composants actifs ne fournit pas deacutenergie il

faudra donc que cette eacutenergie vienne de quelque part Cest le rocircle de lalimentation qui va

servir agrave apporter les tensions de polarisation et leacutenergie que le montage sera susceptible de

fournir en sortie

Polarisation

Le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens il va donc falloir le polariser

pour pouvoir y faire passer du courant alternatif cest agrave dire superposer au courant alternatif

un courant continu suffisamment grand pour que le courant total (continu + alternatif)

circule toujours dans le mecircme sens Il faudra en plus que la composante alternative du

courant soit suffisamment petite devant la composante continue pour que la lineacutearisation

faite dans le cadre de lhypothegravese des petits signaux soit justifieacutee

Conversion couranttension

Le transistor est un geacuteneacuterateur de courant Comme il est plus commode de manipuler des

tensions il va falloir convertir ces courants en tensions on va le faire simplement en mettant

des reacutesistances dans des endroits judicieusement choisis du montage

Liaisons

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 16: cours electronique 2011

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CHELLY_ Nizar 16 ISET_Zaghouan

16Principe et caracteacuteristique

Ce rapport de proportionnaliteacute est un paramegravetre intrinsegraveque au transistor et sappelle le gain

en courant

Il ne deacutepend que des caracteacuteristiques physiques du transistor il ne deacutepend ni de la tension

inverse collecteur base ni du courant circulant dans le collecteur (ceci nest quune

approximation mais dans les hypothegraveses de petits signaux cest assez bien veacuterifieacute)

On a les relations suivantes

= (13) = ( + 1) (23) = minus (33)

II22 Constitution et caracteacuteristiques physiques dun transistor

Un transistor bipolaire est donc constitueacute de trois zones de silicium alternativement dopeacutees N

et P formant deux jonctions PN

Le transistor deacutecrit au paragraphe preacuteceacutedent comporte deux zones P et une zone N Cest une

des deux faccedilons dagencer les jonctions pour fabriquer un transistor

- soit une zone P une N et une P le transistor est dit PNP

- soit une zone N une P et une N le transistor est dit NPN

Dans les deux cas la zone centrale (base) est tregraves eacutetroite vis agrave vis de la longueur de diffusiondes porteurs minoritaires issus de la zone adjacente (leacutemetteur)

La base possegravede en outre la caracteacuteristique decirctre tregraves faiblement dopeacutee en comparaison de

leacutemetteur

II3 Symboles tensions et courants

Dans le symbole du transistor (figures 3 et 4) une flegraveche deacutesigne leacutemetteur ainsi que le sensde circulation du courant deacutemetteur cest le sens de cette flegraveche qui va repeacuterer le type de

transistor NPN pour un courant deacutemetteur sortant du transistor et PNP dans le cas inverse

La base est repreacutesenteacutee par une barre parallegravele agrave laxe collecteur-eacutemetteur Dautres

symboles existent mais celui-ci est le plus usiteacute

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CHELLY_ Nizar 17 ISET_Zaghouan

17Caracteacuteristiques eacutelectriques

Les transistors sont des composants polariseacutes les courants indiqueacutes sont les seuls possibles

pour un fonctionnement correct En conseacutequence il faudra choisir le type de transistor

adapteacute au besoin (NPN ou PNP) et faire attention au sens de branchement

Transistor NPN

Fig 3 Courants et tensions sur un NPN

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont rentrants et le courant deacutemetteur est sortant Les tensions VBE et VCE sont ici positives

Transistor PNP

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont sortants et le courant

deacutemetteur est rentrant Les tensions VBE et VCE sont ici neacutegatives

Fig 4 Courants et tensions sur un PNP

III Caracteacuteristiques eacutelectriques

Pour ce paragraphe nous allons eacutetudier les caracteacuteristiques des transistors NPN Celles destransistors PNP sont les mecircmes aux reacuteserves de signes deacutecrites au paragraphe preacuteceacutedent

III1 Montages de base

Quand on branche un transistor si on sarrange pour quil y ait une patte commune agrave lentreacuteeet agrave la sortie du montage il y a 3 maniegraveres fondamentales de proceacuteder

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CHELLY_ Nizar 18 ISET_Zaghouan

18Caracteacuteristiques eacutelectriques

- la patte commune est leacutemetteur on parle de montage eacutemetteur commun Lentreacutee est la

base et la sortie le collecteur

- La patte commune est la base on parle de montage base commune Lentreacutee est leacutemetteur

et la sortie le collecteur

- La patte commune est le collecteur on parle de montage collecteur commun Lentreacutee est labase et la sortie leacutemetteur

III2 Scheacutema de mesure des caracteacuteristiques

Les caracteacuteristiques qui suivent sont donneacutees pour un montage eacutemetteur commun Le

scheacutema le plus simple est le suivant

Fig 5 Montage de base eacutemetteur commun

Dans ce scheacutema la base est polariseacutee en direct par la reacutesistance de base R b le potentiel de la

base est alors de 07V environ car leacutemetteur est agrave la masse et la jonction base eacutemetteur est

leacutequivalent dune diode passante

Le collecteur est lui polariseacute par la reacutesistance de collecteur Rc de telle maniegravere que la tension

du collecteur soit supeacuterieure agrave la tension de la base la jonction base collecteur est alors

polariseacutee en inverse

On polarise donc convenablement le transistor avec une simple alimentation et deux

reacutesistances Dans ce montage lentreacutee est la base et la sortie est le collecteur

Lentreacutee est caracteacuteriseacutee par les deux grandeurs IB et VBE et la sortie par les grandeurs IC et VCE soit 4 variables

III21 Caracteacuteristique dentreacutee

La caracteacuteristique dentreacutee du transistor est donneacutee par la relation IB = f (VBE) VCE = cte

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CHELLY_ Nizar 19 ISET_Zaghouan

19Caracteacuteristiques eacutelectriques

En fait le circuit dentreacutee est la jonction base eacutemetteur du transistor soit une jonction diode

Cette caracteacuteristique va deacutependre tregraves peu de la tension collecteur eacutemetteur on la donne engeacuteneacuteral pour une seule valeur de VCE La courbe est la suivante

Fig 6 Caracteacuteristique dentreacutee du transistor

La tension VBE est denviron 07V pour une polarisation normale du transistor (courant de

base infeacuterieur au mA) Cette valeur est donc leacutegegraverement supeacuterieure agrave celle dune jonction de

diode

III22 Caracteacuteristique de transfert

La caracteacuteristique de transfert est deacutefinie par la relation IC = f (IB) VCE = cte

Nous avons deacutejagrave dit que le courant deacutemetteur est proportionnel au courant de base

Fig 7 Caracteacuteristique de transfert du transistor

La caracteacuteristique de transfert est donc une droite le transistor est un geacuteneacuterateur de courant

commandeacute par un courant

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CHELLY_ Nizar 20 ISET_Zaghouan

20Caracteacuteristiques eacutelectriques

Si on considegravere le courant de fuite ICEO la caracteacuteristique ne passe pas par lorigine car IC =

ICEO pour IB = 0

Le β du transistor va varier grandement en fonction du type de transistor 5 agrave 10 pour des

transistors de grosse puissance 30 agrave 80 pour des transistors de moyenne puissance et de

100 agrave 500 pour des transistors de signal

III23 Caracteacuteristique de sortie

La caracteacuteristique de sortie du transistor est deacutefinie par la relation IC = f (VCE) IB = cte En

pratique on donne un reacuteseau de caracteacuteristiques pour plusieurs valeurs de IB

Fig 8 Caracteacuteristiques de sortie du transistor

Sur ces caracteacuteristiques (Fig 8) on distingue deux zones

- une zone importante ougrave le courant IC deacutepend tregraves peu de VCE agrave IB donneacute cette

caracteacuteristique est celle dun geacuteneacuterateur de courant agrave reacutesistance interne utiliseacute en reacutecepteur

Dans le cas des transistors petits signaux cette reacutesistance est tregraves grande en premiegravere

approche on consideacuterera que la sortie de ce montage agrave transistor est un geacuteneacuterateur de

courant parfait

- La zone des faibles tensions VCE (0 agrave quelques volts en fonction du transistor) est diffeacuterente

Cest la zone de saturation Quand la tension collecteur-eacutemetteur diminue pour devenir tregraves

faible la jonction collecteur-base cesse decirctre polariseacutee en inverse et leffet transistor deacutecroicirct

alors tregraves rapidement A la limite la jonction collecteur-base devient aussi polariseacutee endirect on na plus un transistor mais leacutequivalent de deux diodes en parallegravele On a une

caracteacuteristique ohmique deacutetermineacutee principalement par la reacutesistiviteacute du silicium du

collecteur Les tensions de saturation sont toujours deacutefinies agrave un courant collecteur donneacute

elles varient de 50mV pour des transistors de signal agrave des courants denviron 10mA agrave 500mV

pour les mecircmes transistors utiliseacutes au maximum de leurs possibiliteacutes (100 agrave 300 mA) et

atteignent 1 agrave 3V pour des transistors de puissance agrave des courants de lordre de 10A

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CHELLY_ Nizar 21 ISET_Zaghouan

21Montage de base

En bref

Ce quil faut retenir dessentiel dans le transistor cest que cest un amplificateur de

courant

Cest un geacuteneacuterateur de (fort) courant (en sortie) piloteacute par un (faible) courant (en

entreacutee)

IV Montage de base

IV1 Preacuteliminaire

IV11 Mise en œuvre du transistor

On a vu que le transistor eacutetait un amplificateur de courant on va donc lutiliser pour

amplifier des signaux issus de sources diverses

Il va falloir pour cela mettre en œuvre tout un montage autour du transistor pour plusieurs

raisons

Alimentation

Le transistor tout en eacutetant classifieacute dans les composants actifs ne fournit pas deacutenergie il

faudra donc que cette eacutenergie vienne de quelque part Cest le rocircle de lalimentation qui va

servir agrave apporter les tensions de polarisation et leacutenergie que le montage sera susceptible de

fournir en sortie

Polarisation

Le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens il va donc falloir le polariser

pour pouvoir y faire passer du courant alternatif cest agrave dire superposer au courant alternatif

un courant continu suffisamment grand pour que le courant total (continu + alternatif)

circule toujours dans le mecircme sens Il faudra en plus que la composante alternative du

courant soit suffisamment petite devant la composante continue pour que la lineacutearisation

faite dans le cadre de lhypothegravese des petits signaux soit justifieacutee

Conversion couranttension

Le transistor est un geacuteneacuterateur de courant Comme il est plus commode de manipuler des

tensions il va falloir convertir ces courants en tensions on va le faire simplement en mettant

des reacutesistances dans des endroits judicieusement choisis du montage

Liaisons

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 17: cours electronique 2011

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CHELLY_ Nizar 17 ISET_Zaghouan

17Caracteacuteristiques eacutelectriques

Les transistors sont des composants polariseacutes les courants indiqueacutes sont les seuls possibles

pour un fonctionnement correct En conseacutequence il faudra choisir le type de transistor

adapteacute au besoin (NPN ou PNP) et faire attention au sens de branchement

Transistor NPN

Fig 3 Courants et tensions sur un NPN

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont rentrants et le courant deacutemetteur est sortant Les tensions VBE et VCE sont ici positives

Transistor PNP

Dans ce type de transistor les courants de base et de collecteur sont sortants et le courant

deacutemetteur est rentrant Les tensions VBE et VCE sont ici neacutegatives

Fig 4 Courants et tensions sur un PNP

III Caracteacuteristiques eacutelectriques

Pour ce paragraphe nous allons eacutetudier les caracteacuteristiques des transistors NPN Celles destransistors PNP sont les mecircmes aux reacuteserves de signes deacutecrites au paragraphe preacuteceacutedent

III1 Montages de base

Quand on branche un transistor si on sarrange pour quil y ait une patte commune agrave lentreacuteeet agrave la sortie du montage il y a 3 maniegraveres fondamentales de proceacuteder

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CHELLY_ Nizar 18 ISET_Zaghouan

18Caracteacuteristiques eacutelectriques

- la patte commune est leacutemetteur on parle de montage eacutemetteur commun Lentreacutee est la

base et la sortie le collecteur

- La patte commune est la base on parle de montage base commune Lentreacutee est leacutemetteur

et la sortie le collecteur

- La patte commune est le collecteur on parle de montage collecteur commun Lentreacutee est labase et la sortie leacutemetteur

III2 Scheacutema de mesure des caracteacuteristiques

Les caracteacuteristiques qui suivent sont donneacutees pour un montage eacutemetteur commun Le

scheacutema le plus simple est le suivant

Fig 5 Montage de base eacutemetteur commun

Dans ce scheacutema la base est polariseacutee en direct par la reacutesistance de base R b le potentiel de la

base est alors de 07V environ car leacutemetteur est agrave la masse et la jonction base eacutemetteur est

leacutequivalent dune diode passante

Le collecteur est lui polariseacute par la reacutesistance de collecteur Rc de telle maniegravere que la tension

du collecteur soit supeacuterieure agrave la tension de la base la jonction base collecteur est alors

polariseacutee en inverse

On polarise donc convenablement le transistor avec une simple alimentation et deux

reacutesistances Dans ce montage lentreacutee est la base et la sortie est le collecteur

Lentreacutee est caracteacuteriseacutee par les deux grandeurs IB et VBE et la sortie par les grandeurs IC et VCE soit 4 variables

III21 Caracteacuteristique dentreacutee

La caracteacuteristique dentreacutee du transistor est donneacutee par la relation IB = f (VBE) VCE = cte

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CHELLY_ Nizar 19 ISET_Zaghouan

19Caracteacuteristiques eacutelectriques

En fait le circuit dentreacutee est la jonction base eacutemetteur du transistor soit une jonction diode

Cette caracteacuteristique va deacutependre tregraves peu de la tension collecteur eacutemetteur on la donne engeacuteneacuteral pour une seule valeur de VCE La courbe est la suivante

Fig 6 Caracteacuteristique dentreacutee du transistor

La tension VBE est denviron 07V pour une polarisation normale du transistor (courant de

base infeacuterieur au mA) Cette valeur est donc leacutegegraverement supeacuterieure agrave celle dune jonction de

diode

III22 Caracteacuteristique de transfert

La caracteacuteristique de transfert est deacutefinie par la relation IC = f (IB) VCE = cte

Nous avons deacutejagrave dit que le courant deacutemetteur est proportionnel au courant de base

Fig 7 Caracteacuteristique de transfert du transistor

La caracteacuteristique de transfert est donc une droite le transistor est un geacuteneacuterateur de courant

commandeacute par un courant

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CHELLY_ Nizar 20 ISET_Zaghouan

20Caracteacuteristiques eacutelectriques

Si on considegravere le courant de fuite ICEO la caracteacuteristique ne passe pas par lorigine car IC =

ICEO pour IB = 0

Le β du transistor va varier grandement en fonction du type de transistor 5 agrave 10 pour des

transistors de grosse puissance 30 agrave 80 pour des transistors de moyenne puissance et de

100 agrave 500 pour des transistors de signal

III23 Caracteacuteristique de sortie

La caracteacuteristique de sortie du transistor est deacutefinie par la relation IC = f (VCE) IB = cte En

pratique on donne un reacuteseau de caracteacuteristiques pour plusieurs valeurs de IB

Fig 8 Caracteacuteristiques de sortie du transistor

Sur ces caracteacuteristiques (Fig 8) on distingue deux zones

- une zone importante ougrave le courant IC deacutepend tregraves peu de VCE agrave IB donneacute cette

caracteacuteristique est celle dun geacuteneacuterateur de courant agrave reacutesistance interne utiliseacute en reacutecepteur

Dans le cas des transistors petits signaux cette reacutesistance est tregraves grande en premiegravere

approche on consideacuterera que la sortie de ce montage agrave transistor est un geacuteneacuterateur de

courant parfait

- La zone des faibles tensions VCE (0 agrave quelques volts en fonction du transistor) est diffeacuterente

Cest la zone de saturation Quand la tension collecteur-eacutemetteur diminue pour devenir tregraves

faible la jonction collecteur-base cesse decirctre polariseacutee en inverse et leffet transistor deacutecroicirct

alors tregraves rapidement A la limite la jonction collecteur-base devient aussi polariseacutee endirect on na plus un transistor mais leacutequivalent de deux diodes en parallegravele On a une

caracteacuteristique ohmique deacutetermineacutee principalement par la reacutesistiviteacute du silicium du

collecteur Les tensions de saturation sont toujours deacutefinies agrave un courant collecteur donneacute

elles varient de 50mV pour des transistors de signal agrave des courants denviron 10mA agrave 500mV

pour les mecircmes transistors utiliseacutes au maximum de leurs possibiliteacutes (100 agrave 300 mA) et

atteignent 1 agrave 3V pour des transistors de puissance agrave des courants de lordre de 10A

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CHELLY_ Nizar 21 ISET_Zaghouan

21Montage de base

En bref

Ce quil faut retenir dessentiel dans le transistor cest que cest un amplificateur de

courant

Cest un geacuteneacuterateur de (fort) courant (en sortie) piloteacute par un (faible) courant (en

entreacutee)

IV Montage de base

IV1 Preacuteliminaire

IV11 Mise en œuvre du transistor

On a vu que le transistor eacutetait un amplificateur de courant on va donc lutiliser pour

amplifier des signaux issus de sources diverses

Il va falloir pour cela mettre en œuvre tout un montage autour du transistor pour plusieurs

raisons

Alimentation

Le transistor tout en eacutetant classifieacute dans les composants actifs ne fournit pas deacutenergie il

faudra donc que cette eacutenergie vienne de quelque part Cest le rocircle de lalimentation qui va

servir agrave apporter les tensions de polarisation et leacutenergie que le montage sera susceptible de

fournir en sortie

Polarisation

Le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens il va donc falloir le polariser

pour pouvoir y faire passer du courant alternatif cest agrave dire superposer au courant alternatif

un courant continu suffisamment grand pour que le courant total (continu + alternatif)

circule toujours dans le mecircme sens Il faudra en plus que la composante alternative du

courant soit suffisamment petite devant la composante continue pour que la lineacutearisation

faite dans le cadre de lhypothegravese des petits signaux soit justifieacutee

Conversion couranttension

Le transistor est un geacuteneacuterateur de courant Comme il est plus commode de manipuler des

tensions il va falloir convertir ces courants en tensions on va le faire simplement en mettant

des reacutesistances dans des endroits judicieusement choisis du montage

Liaisons

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 18: cours electronique 2011

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CHELLY_ Nizar 18 ISET_Zaghouan

18Caracteacuteristiques eacutelectriques

- la patte commune est leacutemetteur on parle de montage eacutemetteur commun Lentreacutee est la

base et la sortie le collecteur

- La patte commune est la base on parle de montage base commune Lentreacutee est leacutemetteur

et la sortie le collecteur

- La patte commune est le collecteur on parle de montage collecteur commun Lentreacutee est labase et la sortie leacutemetteur

III2 Scheacutema de mesure des caracteacuteristiques

Les caracteacuteristiques qui suivent sont donneacutees pour un montage eacutemetteur commun Le

scheacutema le plus simple est le suivant

Fig 5 Montage de base eacutemetteur commun

Dans ce scheacutema la base est polariseacutee en direct par la reacutesistance de base R b le potentiel de la

base est alors de 07V environ car leacutemetteur est agrave la masse et la jonction base eacutemetteur est

leacutequivalent dune diode passante

Le collecteur est lui polariseacute par la reacutesistance de collecteur Rc de telle maniegravere que la tension

du collecteur soit supeacuterieure agrave la tension de la base la jonction base collecteur est alors

polariseacutee en inverse

On polarise donc convenablement le transistor avec une simple alimentation et deux

reacutesistances Dans ce montage lentreacutee est la base et la sortie est le collecteur

Lentreacutee est caracteacuteriseacutee par les deux grandeurs IB et VBE et la sortie par les grandeurs IC et VCE soit 4 variables

III21 Caracteacuteristique dentreacutee

La caracteacuteristique dentreacutee du transistor est donneacutee par la relation IB = f (VBE) VCE = cte

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CHELLY_ Nizar 19 ISET_Zaghouan

19Caracteacuteristiques eacutelectriques

En fait le circuit dentreacutee est la jonction base eacutemetteur du transistor soit une jonction diode

Cette caracteacuteristique va deacutependre tregraves peu de la tension collecteur eacutemetteur on la donne engeacuteneacuteral pour une seule valeur de VCE La courbe est la suivante

Fig 6 Caracteacuteristique dentreacutee du transistor

La tension VBE est denviron 07V pour une polarisation normale du transistor (courant de

base infeacuterieur au mA) Cette valeur est donc leacutegegraverement supeacuterieure agrave celle dune jonction de

diode

III22 Caracteacuteristique de transfert

La caracteacuteristique de transfert est deacutefinie par la relation IC = f (IB) VCE = cte

Nous avons deacutejagrave dit que le courant deacutemetteur est proportionnel au courant de base

Fig 7 Caracteacuteristique de transfert du transistor

La caracteacuteristique de transfert est donc une droite le transistor est un geacuteneacuterateur de courant

commandeacute par un courant

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CHELLY_ Nizar 20 ISET_Zaghouan

20Caracteacuteristiques eacutelectriques

Si on considegravere le courant de fuite ICEO la caracteacuteristique ne passe pas par lorigine car IC =

ICEO pour IB = 0

Le β du transistor va varier grandement en fonction du type de transistor 5 agrave 10 pour des

transistors de grosse puissance 30 agrave 80 pour des transistors de moyenne puissance et de

100 agrave 500 pour des transistors de signal

III23 Caracteacuteristique de sortie

La caracteacuteristique de sortie du transistor est deacutefinie par la relation IC = f (VCE) IB = cte En

pratique on donne un reacuteseau de caracteacuteristiques pour plusieurs valeurs de IB

Fig 8 Caracteacuteristiques de sortie du transistor

Sur ces caracteacuteristiques (Fig 8) on distingue deux zones

- une zone importante ougrave le courant IC deacutepend tregraves peu de VCE agrave IB donneacute cette

caracteacuteristique est celle dun geacuteneacuterateur de courant agrave reacutesistance interne utiliseacute en reacutecepteur

Dans le cas des transistors petits signaux cette reacutesistance est tregraves grande en premiegravere

approche on consideacuterera que la sortie de ce montage agrave transistor est un geacuteneacuterateur de

courant parfait

- La zone des faibles tensions VCE (0 agrave quelques volts en fonction du transistor) est diffeacuterente

Cest la zone de saturation Quand la tension collecteur-eacutemetteur diminue pour devenir tregraves

faible la jonction collecteur-base cesse decirctre polariseacutee en inverse et leffet transistor deacutecroicirct

alors tregraves rapidement A la limite la jonction collecteur-base devient aussi polariseacutee endirect on na plus un transistor mais leacutequivalent de deux diodes en parallegravele On a une

caracteacuteristique ohmique deacutetermineacutee principalement par la reacutesistiviteacute du silicium du

collecteur Les tensions de saturation sont toujours deacutefinies agrave un courant collecteur donneacute

elles varient de 50mV pour des transistors de signal agrave des courants denviron 10mA agrave 500mV

pour les mecircmes transistors utiliseacutes au maximum de leurs possibiliteacutes (100 agrave 300 mA) et

atteignent 1 agrave 3V pour des transistors de puissance agrave des courants de lordre de 10A

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CHELLY_ Nizar 21 ISET_Zaghouan

21Montage de base

En bref

Ce quil faut retenir dessentiel dans le transistor cest que cest un amplificateur de

courant

Cest un geacuteneacuterateur de (fort) courant (en sortie) piloteacute par un (faible) courant (en

entreacutee)

IV Montage de base

IV1 Preacuteliminaire

IV11 Mise en œuvre du transistor

On a vu que le transistor eacutetait un amplificateur de courant on va donc lutiliser pour

amplifier des signaux issus de sources diverses

Il va falloir pour cela mettre en œuvre tout un montage autour du transistor pour plusieurs

raisons

Alimentation

Le transistor tout en eacutetant classifieacute dans les composants actifs ne fournit pas deacutenergie il

faudra donc que cette eacutenergie vienne de quelque part Cest le rocircle de lalimentation qui va

servir agrave apporter les tensions de polarisation et leacutenergie que le montage sera susceptible de

fournir en sortie

Polarisation

Le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens il va donc falloir le polariser

pour pouvoir y faire passer du courant alternatif cest agrave dire superposer au courant alternatif

un courant continu suffisamment grand pour que le courant total (continu + alternatif)

circule toujours dans le mecircme sens Il faudra en plus que la composante alternative du

courant soit suffisamment petite devant la composante continue pour que la lineacutearisation

faite dans le cadre de lhypothegravese des petits signaux soit justifieacutee

Conversion couranttension

Le transistor est un geacuteneacuterateur de courant Comme il est plus commode de manipuler des

tensions il va falloir convertir ces courants en tensions on va le faire simplement en mettant

des reacutesistances dans des endroits judicieusement choisis du montage

Liaisons

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 19: cours electronique 2011

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CHELLY_ Nizar 19 ISET_Zaghouan

19Caracteacuteristiques eacutelectriques

En fait le circuit dentreacutee est la jonction base eacutemetteur du transistor soit une jonction diode

Cette caracteacuteristique va deacutependre tregraves peu de la tension collecteur eacutemetteur on la donne engeacuteneacuteral pour une seule valeur de VCE La courbe est la suivante

Fig 6 Caracteacuteristique dentreacutee du transistor

La tension VBE est denviron 07V pour une polarisation normale du transistor (courant de

base infeacuterieur au mA) Cette valeur est donc leacutegegraverement supeacuterieure agrave celle dune jonction de

diode

III22 Caracteacuteristique de transfert

La caracteacuteristique de transfert est deacutefinie par la relation IC = f (IB) VCE = cte

Nous avons deacutejagrave dit que le courant deacutemetteur est proportionnel au courant de base

Fig 7 Caracteacuteristique de transfert du transistor

La caracteacuteristique de transfert est donc une droite le transistor est un geacuteneacuterateur de courant

commandeacute par un courant

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CHELLY_ Nizar 20 ISET_Zaghouan

20Caracteacuteristiques eacutelectriques

Si on considegravere le courant de fuite ICEO la caracteacuteristique ne passe pas par lorigine car IC =

ICEO pour IB = 0

Le β du transistor va varier grandement en fonction du type de transistor 5 agrave 10 pour des

transistors de grosse puissance 30 agrave 80 pour des transistors de moyenne puissance et de

100 agrave 500 pour des transistors de signal

III23 Caracteacuteristique de sortie

La caracteacuteristique de sortie du transistor est deacutefinie par la relation IC = f (VCE) IB = cte En

pratique on donne un reacuteseau de caracteacuteristiques pour plusieurs valeurs de IB

Fig 8 Caracteacuteristiques de sortie du transistor

Sur ces caracteacuteristiques (Fig 8) on distingue deux zones

- une zone importante ougrave le courant IC deacutepend tregraves peu de VCE agrave IB donneacute cette

caracteacuteristique est celle dun geacuteneacuterateur de courant agrave reacutesistance interne utiliseacute en reacutecepteur

Dans le cas des transistors petits signaux cette reacutesistance est tregraves grande en premiegravere

approche on consideacuterera que la sortie de ce montage agrave transistor est un geacuteneacuterateur de

courant parfait

- La zone des faibles tensions VCE (0 agrave quelques volts en fonction du transistor) est diffeacuterente

Cest la zone de saturation Quand la tension collecteur-eacutemetteur diminue pour devenir tregraves

faible la jonction collecteur-base cesse decirctre polariseacutee en inverse et leffet transistor deacutecroicirct

alors tregraves rapidement A la limite la jonction collecteur-base devient aussi polariseacutee endirect on na plus un transistor mais leacutequivalent de deux diodes en parallegravele On a une

caracteacuteristique ohmique deacutetermineacutee principalement par la reacutesistiviteacute du silicium du

collecteur Les tensions de saturation sont toujours deacutefinies agrave un courant collecteur donneacute

elles varient de 50mV pour des transistors de signal agrave des courants denviron 10mA agrave 500mV

pour les mecircmes transistors utiliseacutes au maximum de leurs possibiliteacutes (100 agrave 300 mA) et

atteignent 1 agrave 3V pour des transistors de puissance agrave des courants de lordre de 10A

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CHELLY_ Nizar 21 ISET_Zaghouan

21Montage de base

En bref

Ce quil faut retenir dessentiel dans le transistor cest que cest un amplificateur de

courant

Cest un geacuteneacuterateur de (fort) courant (en sortie) piloteacute par un (faible) courant (en

entreacutee)

IV Montage de base

IV1 Preacuteliminaire

IV11 Mise en œuvre du transistor

On a vu que le transistor eacutetait un amplificateur de courant on va donc lutiliser pour

amplifier des signaux issus de sources diverses

Il va falloir pour cela mettre en œuvre tout un montage autour du transistor pour plusieurs

raisons

Alimentation

Le transistor tout en eacutetant classifieacute dans les composants actifs ne fournit pas deacutenergie il

faudra donc que cette eacutenergie vienne de quelque part Cest le rocircle de lalimentation qui va

servir agrave apporter les tensions de polarisation et leacutenergie que le montage sera susceptible de

fournir en sortie

Polarisation

Le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens il va donc falloir le polariser

pour pouvoir y faire passer du courant alternatif cest agrave dire superposer au courant alternatif

un courant continu suffisamment grand pour que le courant total (continu + alternatif)

circule toujours dans le mecircme sens Il faudra en plus que la composante alternative du

courant soit suffisamment petite devant la composante continue pour que la lineacutearisation

faite dans le cadre de lhypothegravese des petits signaux soit justifieacutee

Conversion couranttension

Le transistor est un geacuteneacuterateur de courant Comme il est plus commode de manipuler des

tensions il va falloir convertir ces courants en tensions on va le faire simplement en mettant

des reacutesistances dans des endroits judicieusement choisis du montage

Liaisons

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 20: cours electronique 2011

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CHELLY_ Nizar 20 ISET_Zaghouan

20Caracteacuteristiques eacutelectriques

Si on considegravere le courant de fuite ICEO la caracteacuteristique ne passe pas par lorigine car IC =

ICEO pour IB = 0

Le β du transistor va varier grandement en fonction du type de transistor 5 agrave 10 pour des

transistors de grosse puissance 30 agrave 80 pour des transistors de moyenne puissance et de

100 agrave 500 pour des transistors de signal

III23 Caracteacuteristique de sortie

La caracteacuteristique de sortie du transistor est deacutefinie par la relation IC = f (VCE) IB = cte En

pratique on donne un reacuteseau de caracteacuteristiques pour plusieurs valeurs de IB

Fig 8 Caracteacuteristiques de sortie du transistor

Sur ces caracteacuteristiques (Fig 8) on distingue deux zones

- une zone importante ougrave le courant IC deacutepend tregraves peu de VCE agrave IB donneacute cette

caracteacuteristique est celle dun geacuteneacuterateur de courant agrave reacutesistance interne utiliseacute en reacutecepteur

Dans le cas des transistors petits signaux cette reacutesistance est tregraves grande en premiegravere

approche on consideacuterera que la sortie de ce montage agrave transistor est un geacuteneacuterateur de

courant parfait

- La zone des faibles tensions VCE (0 agrave quelques volts en fonction du transistor) est diffeacuterente

Cest la zone de saturation Quand la tension collecteur-eacutemetteur diminue pour devenir tregraves

faible la jonction collecteur-base cesse decirctre polariseacutee en inverse et leffet transistor deacutecroicirct

alors tregraves rapidement A la limite la jonction collecteur-base devient aussi polariseacutee endirect on na plus un transistor mais leacutequivalent de deux diodes en parallegravele On a une

caracteacuteristique ohmique deacutetermineacutee principalement par la reacutesistiviteacute du silicium du

collecteur Les tensions de saturation sont toujours deacutefinies agrave un courant collecteur donneacute

elles varient de 50mV pour des transistors de signal agrave des courants denviron 10mA agrave 500mV

pour les mecircmes transistors utiliseacutes au maximum de leurs possibiliteacutes (100 agrave 300 mA) et

atteignent 1 agrave 3V pour des transistors de puissance agrave des courants de lordre de 10A

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CHELLY_ Nizar 21 ISET_Zaghouan

21Montage de base

En bref

Ce quil faut retenir dessentiel dans le transistor cest que cest un amplificateur de

courant

Cest un geacuteneacuterateur de (fort) courant (en sortie) piloteacute par un (faible) courant (en

entreacutee)

IV Montage de base

IV1 Preacuteliminaire

IV11 Mise en œuvre du transistor

On a vu que le transistor eacutetait un amplificateur de courant on va donc lutiliser pour

amplifier des signaux issus de sources diverses

Il va falloir pour cela mettre en œuvre tout un montage autour du transistor pour plusieurs

raisons

Alimentation

Le transistor tout en eacutetant classifieacute dans les composants actifs ne fournit pas deacutenergie il

faudra donc que cette eacutenergie vienne de quelque part Cest le rocircle de lalimentation qui va

servir agrave apporter les tensions de polarisation et leacutenergie que le montage sera susceptible de

fournir en sortie

Polarisation

Le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens il va donc falloir le polariser

pour pouvoir y faire passer du courant alternatif cest agrave dire superposer au courant alternatif

un courant continu suffisamment grand pour que le courant total (continu + alternatif)

circule toujours dans le mecircme sens Il faudra en plus que la composante alternative du

courant soit suffisamment petite devant la composante continue pour que la lineacutearisation

faite dans le cadre de lhypothegravese des petits signaux soit justifieacutee

Conversion couranttension

Le transistor est un geacuteneacuterateur de courant Comme il est plus commode de manipuler des

tensions il va falloir convertir ces courants en tensions on va le faire simplement en mettant

des reacutesistances dans des endroits judicieusement choisis du montage

Liaisons

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 21: cours electronique 2011

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CHELLY_ Nizar 21 ISET_Zaghouan

21Montage de base

En bref

Ce quil faut retenir dessentiel dans le transistor cest que cest un amplificateur de

courant

Cest un geacuteneacuterateur de (fort) courant (en sortie) piloteacute par un (faible) courant (en

entreacutee)

IV Montage de base

IV1 Preacuteliminaire

IV11 Mise en œuvre du transistor

On a vu que le transistor eacutetait un amplificateur de courant on va donc lutiliser pour

amplifier des signaux issus de sources diverses

Il va falloir pour cela mettre en œuvre tout un montage autour du transistor pour plusieurs

raisons

Alimentation

Le transistor tout en eacutetant classifieacute dans les composants actifs ne fournit pas deacutenergie il

faudra donc que cette eacutenergie vienne de quelque part Cest le rocircle de lalimentation qui va

servir agrave apporter les tensions de polarisation et leacutenergie que le montage sera susceptible de

fournir en sortie

Polarisation

Le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens il va donc falloir le polariser

pour pouvoir y faire passer du courant alternatif cest agrave dire superposer au courant alternatif

un courant continu suffisamment grand pour que le courant total (continu + alternatif)

circule toujours dans le mecircme sens Il faudra en plus que la composante alternative du

courant soit suffisamment petite devant la composante continue pour que la lineacutearisation

faite dans le cadre de lhypothegravese des petits signaux soit justifieacutee

Conversion couranttension

Le transistor est un geacuteneacuterateur de courant Comme il est plus commode de manipuler des

tensions il va falloir convertir ces courants en tensions on va le faire simplement en mettant

des reacutesistances dans des endroits judicieusement choisis du montage

Liaisons

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 22: cours electronique 2011

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CHELLY_ Nizar 22 ISET_Zaghouan

22Montage de base

Une fois le transistor polariseacute il va falloir preacutevoir le branchement de la source alternative

dentreacutee sur le montage En regravegle geacuteneacuterale ceci se fera par lintermeacutediaire dun condensateur

de liaison placeacute entre la source et le point dentreacutee du montage agrave transistor (base pour

montages eacutemetteur et collecteur commun eacutemetteur pour montage base commune) De la

mecircme maniegravere pour eacuteviter que la charge du montage agrave transistor (le dispositif situeacute en aval

et qui va utiliser le signal amplifieacute) ne perturbe sa polarisation on va aussi lisoler par un

condensateur de liaison Ces condensateurs vont aussi eacuteviter quun courant continu ne circule

dans la source et dans la charge ce qui peut leur ecirctre dommageable

IV2 Meacutethodologie de calcul

Nous avons deacutejagrave vu lors dune approche globale de leacutelectronique quil convenait pour des

raisons de simplification des calculs de seacuteparer leacutetude de la polarisation de leacutetude en

alternatif petits signaux

La polarisation est calculeacutee dans un premier temps on fait alors un scheacutema eacutequivalent du

montage pour le continu Le calcul se fait simplement avec la loi dOhm et les principaux

theacuteoregravemes de leacutelectriciteacute

Pour la partie petits signaux alternatifs on a vu quon va devoir lineacuteariser les caracteacuteristiques

du transistor au point de fonctionnement deacutefini par la polarisation Il faut donc deacutefinir lesparamegravetres agrave lineacuteariser et en deacuteduire un scheacutema eacutequivalent du transistor

La solution globale (celle correspondant agrave ce qui est physiquement constateacute et mesureacute sur le

montage) est la somme des deux solutions continue et alternative deacutefinies ci-dessus

IV21 Scheacutema eacutequivalent alternatif petits signaux du transistor

IV211 Paramegravetres hybrides

En pratique pour simplifier lexposeacute nous allons dabord donner le scheacutema eacutequivalent et les

eacutequations qui sy rapportent pour ensuite justifier ces eacuteleacutements agrave laide des caracteacuteristiques

des transistors

Le transistor est consideacutereacute comme un quadripocircle il a deux bornes dentreacutee et deux bornes de

sortie (une patte sera alors commune agrave lentreacutee et agrave la sortie) et va ecirctre deacutefini par 4 signaux

courant et tension dentreacutee courant et tension de sortie Ces variables ont deacutejagrave eacuteteacute deacutefinies

(Fig5) pour le montage eacutemetteur commun il sagit du courant I B et de la tension VBE pourlentreacutee du courant IC et de la tension VCE pour la sortie

En fait ces signaux se deacutecomposent en deux parties les tensions et courants continus de

polarisation noteacutes IBo VBEo ICo et VCEo et les petites variations alternatives autour du point derepos qui sont respectivement ib vbe ic et vce

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 23: cours electronique 2011

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CHELLY_ Nizar 23 ISET_Zaghouan

23Montage de base

Nous avons les eacutequations

= 0 + (43) = 0 + (53)

= 0 + (63)

= 0 + (73)

Ce sont les petites variations qui vont nous inteacuteresser pour le scheacutema eacutequivalent alternatif

qui est le suivant

Fig 10 Scheacutema eacutequivalent du transistor NPN

Lappellation scheacutema eacutequivalent du montage eacutemetteur commun provient de la deacutefinition des

variables dentreacutee et de sortie qui sont celle de ce type de montage

Nota On peut remarquer ici que les sens des courants sont conventionnels et non absolus et

ne servent quagrave effectuer les calculs comme si les sources eacutetaient continues une seule chose

est impeacuterative phaser convenablement ib et ic

Dans ce scheacutema nous avons les relations suivantes

= ℎ11 + ℎ12 = ℎ21 + ℎ22

(83)

Lindice e sur les paramegravetres hije (quon appelle paramegravetres de transfert) indique quil sagit

des paramegravetres eacutemetteur commun On peut mettre le systegraveme [10] sous la forme matricielle

suivante

= ℎ11 ℎ12

ℎ21 ℎ2 times

(93)

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 24: cours electronique 2011

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CHELLY_ Nizar 24 ISET_Zaghouan

24Montage de base

Si on analyse la premiegravere eacutequation du systegraveme [10] on y voit lexpression de vbe en fonction

de ib et vce On a

- h11e = vbeib vce = 0 Si on se rappelle que vbe et ib sont des petites variations autour du

point de repos (VBEoIBo) et que la caracteacuteristique dentreacutee du transistor est la courbe IB =

f(VBE) VCE = cte (donc vce = 0) alors on voit que h11e est la reacutesistance dynamique de lajonction base-eacutemetteur

- h12e = vbevce ib = 0 Ce paramegravetre est en fait la reacuteaction de la sortie sur lentreacutee dans la

theacuteorie des quadripocircles Lors de leacutetude du principe du transistor il a eacuteteacute dit que cette

reacuteaction eacutetait neacutegligeable Dans toute la suite de lexposeacute il ne sera plus fait mention de ce

paramegravetre

La deuxiegraveme eacutequation nous donne

- h21e = icib vce = 0 Ce paramegravetre est le gain en courant en fonctionnement dynamique du

transistor Il peut ecirctre leacutegegraverement diffeacuterent du gain en fonctionnement statique deacutejagravementionneacute car il a eacuteteacute dit que la lineacuteariteacute de ce paramegravetre nest pas rigoureusement veacuterifieacutee

- h21e = icvce ib = 0 Ce paramegravetre a la dimension dune admittance cest linverse de la

reacutesistance du geacuteneacuterateur de courant de sortie du transistor En pratique sa valeur est faible

(donc la reacutesistance est eacuteleveacutee) et sauf montage un peu pointu on le neacutegligera car son

influence sera modeacutereacutee vis agrave vis de limpeacutedance de charge du montage

On voit quen fait les paramegravetres de transfert issus de la theacuteorie des quadripocircles colle bien

aux caracteacuteristiques physiques du transistor

- une entreacutee reacutesistive (la reacutesistance diffeacuterentielle de la jonction base-eacutemetteur) la reacuteaction dela sortie sur lentreacutee eacutetant neacutegligeable

- une sortie eacutequivalente agrave un geacuteneacuterateur de courant proportionnel au courant dentreacutee ce

geacuteneacuterateur eacutetant imparfait donc avec une reacutesistance interne non nulle

IV3 Montage eacutemetteur commun

Le deacutecor eacutetant entiegraverement planteacute on va pouvoir passer au montage fondamental agrave

transistor le montage eacutemetteur commun Il reacutealise la fonction amplification de base de

leacutelectronique

IV31 Polarisation Point de fonctionnement

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 25: cours electronique 2011

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CHELLY_ Nizar 25 ISET_Zaghouan

25Montage de base

IV311 Polarisation par une reacutesistance

Le montage le plus eacuteleacutementaire tout en eacutetant fonctionnel est le suivant

Fig 11 Polarisation par reacutesistance de base

Le fonctionnement est simple le courant de base IBo est fixeacute par Rb ce qui entraicircne un

courant de collecteur ICo eacutegal agrave βIBo Le courant collecteur eacutetant fixeacute la tension aux bornes deRc va ecirctre eacutegale agrave Rc ICo Le montage est entiegraverement deacutetermineacute

Pour calculer les eacuteleacutement Rb et Rc on va proceacuteder agrave lenvers on va partir de ce quon deacutesire(le courant ICo et la tension VCEo) et remonter la chaicircne

- On se fixe un courant collecteur de repos ICo (cest le courant de polarisation) Ce courant

sera choisi en fonction de lapplication et variera entre une dizaine de microA (applications tregraves

faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute freacutequence soit

quelques MHz)

- On se fixe une tension de collecteur VCEo quon prend en geacuteneacuteral eacutegale agrave E2 pour que la

tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsquon appliquera lesignal alternatif

- La reacutesistance de collecteur Rc en plus dassurer une polarisation correcte de la jonction

base-collecteur convertit le courant collecteur (et ses variations) en tension Elle est deacutetermineacutee par la formule

= minus

(103)

- le courant IBo est alors imposeacute par les caracteacuteristiques de gain en courant du transistor (leβ

) On note ici quil est impeacuteratif de le connaicirctre (donc de le mesurer)

= (113)

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

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CHELLY_ Nizar 26 ISET_Zaghouan

26Montage de base

- La reacutesistance de base Rb est alors calculeacutee agrave laide de la formule

= minus

(123)

- Pour ce faire on prendra VBEo = 07V car un calcul plus preacutecis (il faudrait connaicirctre lacaracteacuteristique IB = f (VBE) pour le faire ) ne servirait agrave rien

On peut reacutesumer toute cette eacutetape de polarisation sur un seul graphique

Fig 12 Polarisation du transistor

On reconnaicirctra ici les trois caracteacuteristiques du transistor (entreacutee transfert sortie) jointes sur

le mecircme graphique Attention il faut bien remarquer que les axes sont diffeacuterents de part et

dautre du zeacutero

Ce montage assure les diverses fonction vues preacuteceacutedemment il est correctement alimenteacute

polariseacute (jonction base-eacutemetteur en direct jonction base collecteur en inverse courants dans

le bon sens ) et il possegravede des condensateurs de liaison En effet on peut remarquer que

- Si on veut changer le transistor par un autre dont le gain soit tregraves diffeacuterent vu que I Bo est

imposeacute par E et Rb ICo = βIBo naura pas la bonne valeur et VCEo non plus Et il ne sen faut pas

de quelques car pour une mecircme reacutefeacuterence de transistor le gain peut varier dun facteur

15 agrave 5 ou plus On peut donc se retrouver avec un montage dont le transistor serait satureacute

donc inutilisable pour lamplification de petits signaux

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

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CHELLY_ Nizar 27 ISET_Zaghouan

27Montage de base

Comme il est impensable de mesurer chaque transistor avant de lutiliser on ne peut pas en

pratique exploiter le montage deacutecrit Fig 11 Ce montage na quun inteacuterecirct peacutedagogique et

pour des montages reacuteels on va lui preacutefeacuterer le montage agrave polarisation par pont de base

IV312 Polarisation par pont de base

Ce scheacutema est un peu plus complexe que le preacuteceacutedent Nous allons dabord analyser les

diffeacuterences et ensuite nous suivrons pas agrave pas la meacutethode de calcul de la polarisation

Fig 13 Polarisation par pont de base

Par rapport au scheacutema Fig 11 on note que la base est polariseacutee agrave laide dun pont de

reacutesistances Rb1 et Rb2 Le rocircle de ces reacutesistances sera de fixer le potentiel de base Comme la

tension VBE est voisine de 07V ceci impose de mettre une reacutesistance entre leacutemetteur et la

masse Cette reacutesistance est deacutecoupleacutee par le condensateur CDE qui va ecirctre leacutequivalent dun

court-circuit en alternatif

A quoi servent ces eacuteleacutements Pour raisonner on va faire abstraction du condensateur C DE

qui est un circuit ouvert pour le reacutegime continu

Les reacutesistances du pont de base vont ecirctre choisies de telle maniegravere que le courant circulant

dans ce pont soit tregraves supeacuterieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus

grand) ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel

de la base qui restera donc fixe

Le potentiel deacutemetteur va ecirctre eacutegal au potentiel de base moins environ 07V et sera lui aussi

fixe agrave courant de base donneacute Dans ce cas la tension aux bornes de R E est deacutetermineacute Le

courant deacutemetteur (donc celui du collecteur et celui de la base via le ) sera alors fixeacute par lavaleur de la reacutesistance RE et la tension du pont de base

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 28: cours electronique 2011

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CHELLY_ Nizar 28 ISET_Zaghouan

28Montage de base

Le courant collecteur eacutetant deacutefini on choisit la reacutesistance de collecteur pour avoir V CEo au

milieu de la plage de tension utilisable

Quel est lavantage de ce montage Supposons que le courant I CEO augmente sous leffet de la

tempeacuterature La tension aux bornes de RE va alors augmenter Comme le potentiel de base est

fixeacute par le pont Rb1Rb2 la tension VBE va diminuer Cette diminution va entraicircner une baissedu courant de base donc du courant de collecteur

Cet effet vient donc sopposer agrave laugmentation du courant collecteur ducirc agrave laugmentation ducourant de fuite ICEO Le montage sauto-stabilise

Lautre avantage cest que le courant de collecteur est fixeacute par le pont de base et par la

reacutesistance deacutemetteur Ces eacuteleacutements sont connus agrave 5 pregraves en geacuteneacuteral donc dun montage agrave

un autre on aura peu de dispersions et surtout le courant collecteur sera indeacutependant du

gain du transistor On a dit agrave cet effet que le pont de base est calculeacute de maniegravere agrave ce que le

potentiel de base soit indeacutependant du courant de base ce potentiel ne deacutependra pas du

transistor et le courant de base sajustera automatiquement en fonction du gain du transistorsans perturber le pont de base

On fera les calculs dans lordre suivant

- On fixe le courant collecteur de repos ICo A noter que le courant deacutemetteur sera quasiment

le mecircme car IC = IE - IB IE

- On fixe le potentiel deacutemetteur VEo (au maximum agrave E3 et en pratique une valeur plus

faible 1 agrave 2V est une valeur assurant une assez bonne compensation thermique sans tropdiminuer la dynamique de sortie)

- On calcule alors la reacutesistance RE par la formule

= (133)

- On se fixe la tension collecteur eacutemetteur VCEo en geacuteneacuteral on la prendra eacutegale agrave la moitieacute de

la tension disponible qui est eacutegale non plus agrave E mais agrave E - VEo On en deacuteduit la reacutesistance Rc

=

minus minus

(143)

- On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le du transistor

cette valeur neacutetant pas critique ici)

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

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CHELLY_ Nizar 29 ISET_Zaghouan

29Montage de base

= 10 cong 10 (153)

- On calcule Rb2 (en regravegle geacuteneacuterale on prendra VBEo eacutegal agrave 07V)

2 = +

(163)

- On en deacuteduit Rb1

1 =

minus 2 (173)

Le point de repos du montage eacutetant deacutetermineacute on va passer au comportement en alternatif

IV32 Fonctionnement en petits signaux alternatifs

Si on applique les regravegles deacutefinies auparavant on obtient

Fig 14 Scheacutema eacutequivalent en alternatif

On notera que la reacutesistance deacutemetteur a disparu car elle est shunteacutee par le condensateur de

deacutecouplage CDE

En quoi va consister leacutetude en alternatif

Tout dabord on va eacutevaluer la capaciteacute du montage agrave amplifier le signal dentreacutee Lacaracteacuteristique repreacutesentative de cette fonction est le gain en tension Av qui est le rapport

entre les tensions de sortie et dentreacutee

Ensuite il faut regarder en quoi le montage peut sinterfacer avec la source dentreacutee sans la

perturber il doit rester le plus neutre possible vis agrave vis de cette source surtout sil sagit duncapteur de mesure La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance dentreacutee

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

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CHELLY_ Nizar 30 ISET_Zaghouan

30Montage de base

Mecircme chose vis agrave vis de la charge brancheacutee en sortie du montage qui va utiliser le signal

amplifieacute il va falloir regarder dans quelle mesure leacutetage agrave transistor nest pas perturbeacute par

cette charge La grandeur repreacutesentative est limpeacutedance de sortie

Nous allons calculer ces trois paramegravetres On pourrait y rajouter le gain en courant A i qui est

le rapport des courants de sortie et dentreacutee et aussi le gain en puissance En amplificationpetits signaux ces paramegravetres sont peu utiliseacutes nous nen parlerons donc pas

IV33 Gain en tension

Le gain en tension peut ecirctre deacutefini de deux maniegraveres

le gain agrave vide cest agrave dire sans charge connecteacutee en sortie du montage le gain en charge avec la charge connecteacutee

Dans ce paragraphe nous allons calculer le gain de leacutetage agrave vide Nous verrons ensuite quil

est simple de calculer le gain en charge agrave posteacuteriori On va dabord proceacuteder agrave quelquessimplifications dans le scheacutema

- les deux reacutesistances du pont de base sont en parallegravele du point de vue alternatif Nous allons

donc les remplacer par une seule reacutesistance Rp dont la valeur sera eacutegale agrave Rb1 Rb2

- la reacutesistance de sortie 1h22e du transistor est grande (plusieurs dizaines de k ) Pour une

alimentation E de 12V un courant ICo de 2mA et une tension VCEo de 5V on aura Rc = 2500

soit environ le dixiegraveme de 1h22e On va donc neacutegliger ce dernier terme

- on supprime la charge Ru (hypothegravese de calcul)

Avec ces hypothegraveses le scheacutema devient

Fig 15 Scheacutema eacutequivalent simplifieacute

On a les eacutequations suivantes

= ℎ11 (183) = minus (193)

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

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CHELLY_ Nizar 31 ISET_Zaghouan

31Montage de base

= ℎ21 (203) rarr = minusℎ21 (213)

Si on pose h21e = β (le gain dynamique est eacutegal au gain statique) on obtient lexpression du

gain en tension

=

= minus minusℎ11 (223)

Cette expression montre que le gain de leacutetage deacutepend de deux paramegravetres du transistor le

gain en courant β et la reacutesistance dynamique dentreacutee h11e

IV34 Bilan Utilisation du montage

Au final le montage eacutemetteur commun est un montage ayant

une bonne amplification en tension (de lordre de plusieurs centaines)

une impeacutedance dentreacutee relativement faible (eacutegale agrave h11e soit de lordre de plusieurs k

) variable en fonction de la polarisation (plus ICo est faible plus limpeacutedance dentreacutee

est eacuteleveacutee)

une impeacutedance de sortie assez eacuteleveacutee Rc qui va aussi deacutependre du courant de

polarisation ICo

Ce montage est lamplificateur de base agrave transistor et sera donc utiliseacute comme sous-fonction

dans des circuits plus complexes (discrets ou inteacutegreacutes comme dans lamplificateur

opeacuterationnel) Par contre il sera souvent inexploitable seul et il faudra lui adjoindre deseacutetages adaptateurs dimpeacutedance

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 32: cours electronique 2011

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CHELLY_ Nizar 32 ISET_Zaghouan

32 Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

Chapitre 4 Lrsquoamplificateur opeacuterationnel

CHAPITRE

4

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 33: cours electronique 2011

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CHELLY_ Nizar 33 ISET_Zaghouan

33

Notion drsquoamplification

On appelle amplificateur tout montage qui deacutelivre agrave sa sortie un signal de mecircme nature et demecircme freacutequence que le signal appliqueacute son entreacutee et dont lrsquoamplitude et la phase peuvent

ecirctre diffeacuterentes

I LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute Un amplificateur lineacuteaire inteacutegreacute ( ALI ) est constitueacute drsquoun ensemble de composants

eacutelectroniques ( Transistors ) connecteacutes les uns aux autres dans un mecircme boicirctier

Il est aussi appeleacute Amplificateur Opeacuterationnel ( AOP ) car ses premiegraveres applications ont eacuteteacute

la reacutealisation drsquoopeacuterations matheacutematiques

Aujourdrsquohui les domaines drsquoapplications des amplificateurs lineacuteaires inteacutegreacutes sont eacutetendus agrave

tous les domaines de lrsquoeacutelectronique

e+ entreacutee non inverseuse

e - entreacutee inverseuse

Tension diffeacuterentielle

Symbole de lrsquoamplification Infini

Amplifie la diffeacuterence de potentiel = Ve+ - Ve- Vs = A Nrsquoa pas de courant drsquoentreacutees Ie+

= Ie- = 0A

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CHELLY_ Nizar 34 ISET_Zaghouan

34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

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34LrsquoAmplificateur Lineacuteaire Inteacutegreacute

I1 Lrsquoamplificateur ideacuteal

Ze = =gt Ie = 0

Zs = 0

A =

I2 Lrsquoamplificateur reacuteel

Ze = 109 =gt Ie 0

Zs = Quelques ohms

A = 105

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35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

862019 cours electronique 2011

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 35: cours electronique 2011

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CHELLY_ Nizar 35 ISET_Zaghouan

35Mode de fonctionnement

I3 Symboles

signification des symboles circuit amplificateur coefficient amplification tregraves

grande

I4 Alimentation des ALI

LrsquoALI est un composant actif il a donc besoin drsquoune alimentation continue externe - Alimentation externe symeacutetrique Valim ( 15V 5V )

- Alimentation externe simple + Valim ( +15V + 5V )

I41 Caracteacuteristique de transfert Vs = f ( )

Vs = A ( Avec = Ve+ - Ve-)

II Mode de fonctionnement

II1 Mode lineacuteaire

Condition de cacircblage

Il existe obligatoirement une liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e -On parle alors de contre reacuteaction neacutegative ou de reacutetroaction neacutegative

Cette liaison peut-ecirctre un fil une reacutesistance

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 36: cours electronique 2011

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CHELLY_ Nizar 36 ISET_Zaghouan

36Mode de fonctionnement

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas on considegravere pour effectuer les calculs que est neacutegligeable devant les autres

tensions = 0V

II2 Mode non lineacuteaire

II21 Condition de cacircblage

Il nrsquoexiste pas de liaison eacutelectrique entre la sortie et lrsquoentreacutee inverseurse e - On parle alors de boucle ouverte

Mais il peut y avoir une liaison entre la sortie et lrsquoentreacutee non inverseuse e+

On parle alors de reacutetroaction positive

Exemple

Proprieacuteteacute

Dans ces cas peut prendre toutes les valeurs nrsquoest pas neacutegligeable devant les autres

tensions 0V

Si gt0 alors Vs = +Valim

Si lt0 alors Vs = - Valim

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

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CHELLY_ Nizar 37 ISET_Zaghouan

37Mode de fonctionnement

II3 Montage lineacuteaire

II31 Montage amplificateur non-inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacuteeinverseuse

En appliquant le diviseur de tension deacuteterminer Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

Diviseur de tension V- = Vs R1

R1 + R2

En reacutegime lineacuteaire V+ = V-

Ve = V- Vs = Ve ( R1 + R2 R1) = Ve (1 + R2 R1 )

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc =12V

-Vcc = -12V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Deacuteterminer Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = 1 + R2 = 3

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = 3 3 = 9V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = 3 -5 = -15V

( Comme ndashVcc = -12V Vs = - 12V )

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 38: cours electronique 2011

862019 cours electronique 2011

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CHELLY_ Nizar 38 ISET_Zaghouan

38Mode de fonctionnement

II32 Montage amplificateur inverseur

Pour avoir un fonctionnement en reacutegime lineacuteaire la contre reacuteaction se fait sur lrsquoentreacutee

inverseuse

Apregraves avoir indiqueacute les grandeurs eacutelectriques du montage appliquez la loi drsquoohm et

deacuteterminez Vs = f ( Ve )

Effectuez vos calculs ci-dessous

Ie- = Ie+ = 0A

En reacutegime lineacuteaire V+ = V- V+ = V- = 0V

Ve est aux bornes de R1 et Vs est aux bornes de R2

I1 = Ve R1 = -Vs R2 Vs = -Ve R2 R1

Exercice drsquoapplication

En sachant que Vcc = 12V

-Vcc = 0V

R1 = 1KΩ

R2 = 2KΩ

1 Determinier Av = Vs Ve

2 Ve = 3V Vs =

3 Ve = -5V Vs =

1 Av = Vs = - R2 = -2

Ve R1

2 Ve = 3V Vs = Av Ve = -2 3 = -6V

3 Ve = -5V Vs = Av Ve = -2 -5 = -10V

( Comme ndashVcc = 0V Vs = 0V )

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

862019 cours electronique 2011

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 39: cours electronique 2011

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

862019 cours electronique 2011

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 40: cours electronique 2011

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CHELLY_ Nizar 40 ISET_Zaghouan

40Mode de fonctionnement

II4 Montage Non-LineacuteaireLa sortie ne peut prendre que 2 eacutetats stables deacutependant du signe de = V+ - V-

Si gt 0 donc V+gt V- alors Vs = +Vcc

Si lt 0 donc V+lt V- alors Vs = -Vcc

II41 Comparateur agrave 1 seuil (Sans reacuteaction positive)

II411 Comparateur non-inverseur

Basculement

Si Ue gt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue lt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

II412 Comparateur inverseur

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )

Page 41: cours electronique 2011

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41Mode de fonctionnement

Basculement

Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc

Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc

Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )