cours electronique 2011
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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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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
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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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 )
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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 )
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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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
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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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 )
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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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
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 )
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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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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 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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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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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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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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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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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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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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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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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
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 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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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
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 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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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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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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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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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 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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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 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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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
4
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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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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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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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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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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
4
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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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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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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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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
862019 cours electronique 2011
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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 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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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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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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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 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
862019 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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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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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
862019 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 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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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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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 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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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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41Mode de fonctionnement
Basculement
Si Ue lt Ureacutef alors Us = +Vcc
Si Ue gt Ureacutef alors Us = -Vcc
Caracteacuteristique de transfert Us = f ( Ue )