Cours Electronique UE12P

40
Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur 1 Electronique Electronique Analogique Analogique François MARIE Maître de Conférences Université de Rennes 1 Bâtiment 12 D Porte 12 N°: 02 23 23 57 99 [email protected]

Transcript of Cours Electronique UE12P

Page 1: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

1

ElectroniqueElectroniqueAnalogiqueAnalogique

François MARIEMaître de Conférences

Université de Rennes 1Bâtiment 12 D

Porte 12N°: 02 23 23 57 99

[email protected]

Page 2: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

2

Electronique Electronique AnalogiqueAnalogique

Introduction

La jonction PN

Le transistor bipolaire

Les montages amplificateurs

Page 3: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

3

Electronique Analogique IntroductionElectronique Analogique Introduction

Amplification d’un phénomène physique, identifier

• les variables d’entrées,• l’énergie qui va fournir l’amplification.

Exemples :

1) Augmentation de la vitesse d’un véhicule mobile Vitesse de rotation moteur, Energie thermique via le carburant.

2) Augmentation du débit de l’eau dans une canalisation• Pression,• Energie potentielle (hauteur du château d’eau).

Vanne hydrauliqueRégulation de la pression P3

Pression P1

P2

P3

Page 4: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

4

Electronique Analogique IntroductionElectronique Analogique IntroductionDans le cadre de l’électricité, et pour amplifier un signal électrique dépendant du temps :

• Variables : i(t), v(t)

• Energie : alimentation continue (E, Vcc)

L’alimentation continue fournit l’énergie aux composantsde l’amplificateur

Vs > VeVe Amplificateur

Alimentation continue

Le contrôle d’une amplification passe par la maîtrise du flux d’électrons.

+ -

Anode

Grille : Contrôle du flux d’électrons

cathode

Alimentation continue 1000V

Chauffage cathode 20 A sous 6V

e

Tubes : obsolètes sauf pour les amplificateurs > 1kWTDF (broadcast) = 500kW TUBES

Tube électronique

Page 5: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

5

La jonction PNP N

V

I

Dans un semi conducteur dopé N:• les porteurs majoritaires sont les électrons,• les porteurs minoritaires sont les trous.

Dans un semi conducteur dopé P:• les porteurs majoritaires sont les trous,• les porteurs minoritaires sont les électrons.

La jonction PN au repos

P N++++

++++

++++

++++

++++

++++

----

----

----

----

----

-----

- -

-

++

+

+

+

Porteurs majoritairesPorteurs minoritaires

--

-

-

-+

+

+

5 e

e

e

ee: libre

4

e

e

e3 e

e

e4

e

e

eBore ArsenicSilicium Silicium

trou

Page 6: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

6

La jonction PN au repos

P N++++

++++

++++

--

--

++++

++

++

----

----

----

----- -

--

- +++

+

Porteurs majoritaires ions fixes

Porteurs minoritaires

++

-

E

dxdVE

V = barrière de potentielV = 0.6 V

5 e

e

e

ee: libre

4

e

e

e3 e

e

e4

e

e

e

Ion négatif Ion positif

Page 7: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

7

La diode en inverse

P N++++

++++

++++

--

--

++

++

----

----

----

----- -

--

- +++

+

Porteurs minoritaires

++

-

E

Le champ total au niveau de la jonction :ET = E+Ealim

Valim

Ealim

ETF = -e.E

Is

Is = 1nA = 10-9A

Page 8: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

8

La diode en directe

P N++++

++++

++++

----

----

----

----- -

--

- +++

+

Porteurs minoritaires

++

-

Le champ total au niveau de la jonction : ET = Ealim-E > 0

Valim

Ealim

ET

F = -e.E

Id

Id > 0

++++

++++

----

----

Il faut que Valim > barrière de potentiel

Page 9: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

9

La diodeLa diodeSymbole:

A Ki

u

i = Is.(exp(u/Ut)-1)

Is: Courant inverse ~ 10-9A dépend de T Ut: KT/q ≈ 25mV avec proche de 1K: Constante de BoltzmanT: température en °Kq : charge de l’électron

VBR

u

i

Vo

imax

umaxIs

Page 10: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

10

Diode polarisationDiode polarisation

E

uD = UD + ud

iD = ID+id

eg

RD

Etude statique (eg = 0):•ID = Is.(exp(UD/Ut)-1)

•E = UD+R.ID

UD

ID

Droite de charge

UDo

IDo

Point de polarisationOu Point de repos

E

E/R

Mo

Maille de tension

ID=(E – UD)/R

Page 11: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

11

Diode polarisationDiode polarisation

E

uD = UDo + ud

iD = IDo+ id

eg

RD

Etude dynamique (eg ≠0):•iD = Is.(exp(uD/Ut)-1)•E+eg = uD+R.iD

uD

iD

E+egUDo

IDo

zone de fonctionnement

E

E/R

E-eg

eg

UDo : tension continueud: tension alternativeuD : somme des tensions

Page 12: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

12

Diode et petits signauxDiode et petits signauxHypothèse de la linéarisation:Les variations dans la zone de fonctionnement sont

faibles par rapport au point de polarisation.On assimile la zone de variation à une droite qui

correspond à la tangente au point de repos. La pente de la droite peut être obtenue par le calcul de la dérivée de la caractéristique de la diode au point de repos.

(d iD/d uD)Mo = 1/Rd ou Rd est la résistance dynamique de la diode

Rd = Ut/IDo

ud= Rd.id

id

eg

RRd

Ut ≈ 25mV, C’est une constante! Ut ≠ UD

UtI

UtII

uddi

eIIi

eUtI

uddi

DosDo

MD

D

Utu

sDoMD

Utu

s

MD

D

o

oD

o

D

o

)1.(

.

)(

)(

E CE

Zc = 1/(jC)

Zc 0 (C.C.) ∞

0

Zc = 1/(jC)

Zc ∞ (C.O.)

Page 13: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

13

Le transistor bipolaire

Un transistor bipolaire est un dispositif à semi conducteur comprenanttrois régions de dopage alternées réalisant ainsi deux jonctions. Il existe donc deux types de transistors.

SymboleType NPN

Type PNP

C

E

B

C

E

B

N NPE

B

C

P PNE

B

C

E: émetteur fortement dopéB: base peu dopée et d’épaisseur faibleC: collecteur moins dopé que l’émetteur

Nota : bien que le transistor soit en apparence symétrique, il n’est pas souhaitable de permuter émetteur et collecteur car les jonctionsB-E et B-C ne sont pas identiques.

Page 14: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

14

Transistor NPN

P N++++

++++

--

--

++

++

----

----

----

----

-

- +++

+++

-

EBE

Ic

----

----

----

++ +

+ ++

N EBC

Collecteur

Base

K

Emet

teur

IB

IE

V1

V2

Interrupteur K : ouvert

P N++++

--

++

----

----

----

-

- +++

+++

-

ET = E1 –EBE> 0

Ic

----

----

----

++ +

+ ++

N

Collecteur

Base

K

Emet

teur

IB

IE

V1

V2

Interrupteur K : fermé

F = -eE++

--

ET = E2+EBC

F = -eEe

On impose un sens aux courants IE, IC, IB

Page 15: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

15

Transistor NPN

BBCBC

BCB

C

IIII

III

..)1(1

11

P N++++

--

++

----

----

----

-

- +++

+++

-

ET = E1 –EBE> 0

Ic

----

----

----

++ +

+ ++

N

Collecteur

Base

K

Emet

teur

IB

IE

V1

V2

Interrupteur K : fermé

F = -eE++

--

ET = E2+EBC

F = -eEe

e

IC = ICB-IE Note: ICB : courant inverse de la jonction

Dans la réalité, cette relation est approchée car certains des électrons au cours de leur transit dans la base en profitent pour sortir de la base.

IC = ICB- αIE α < 1 est symbolise l’effet transistorLa loi des nœuds impose : IE+IC+IB = 0

BE II )1( IE est dans le sens opposé à celui choisi au départ

0.95<α <0.995

20 <β<200

On impose un sens aux courants IE, IC, IB

β évolue avec IC et t°

Page 16: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

16

Le Transistor bipolaireLe Transistor bipolaire

Le varie en fonction du courant de collecteur IC et de la température de la jonction du transistor.

Si la température est maintenue constante, laisse apparaître une valeur maximale en fonction du courant Ic.

Si Ic est maintenu constant et que t° augmente alors augmente

Page 17: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

17

Le Transistor bipolaireLe Transistor bipolaireSymboles:

Type NPN

Type PNP

C

E

B

C

E

B

E: EmetteurB : BaseC: Collecteur

Vérification statique d’un transistor:

BC

E

B

C

E

BC

E

BC

E

NPN

PNP

Page 18: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

18

Le Transistor bipolaireLe Transistor bipolaireEffet transistor:

Type NPN

Type PNP

C

E

B

C

E

B

Caractéristique électrique du transistor:

BC

E

VCE

VBE

IC

IE

IB

-VCE

-VBE

-IC

-IE

IE = IC + IB

IC = β.IB

VBE = 0.6 V

VCEVBE

IC

IB

IE

Le transistor a trois pattes. Pour avoir un quadripôle,une des pattes doit être commune entre l’entrée et la sortie

-IB

Page 19: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

19

Le Transistor bipolaireLe Transistor bipolaireCaractéristique d’entrée I B = fct(V BE)

Caractéristique de sortie I C = fct (V CE)

IB

VBE

Caractéristique d’une diode

VCE = constante

VCE

IC

IB1

IB2

IB3

IB4

IB5

≈ 0.2V

Zone

satu

rée

I B = c

onsta

nte

! Aux limites courants et tensions

Page 20: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

20

Polarisation d’un transistor Polarisation d’un transistor bipolairebipolaire

Il faut choisir E de façon compatible avec les limitations du transistor (VCB, VCE, VEB, IC) et le cahier de charge (RL).

Icmax

Vce max

E/RL

VCE

IC

IC = Pmax /VCE

VCEo

ICo

La droite de charge doit être tangente à l’hyperbole de puissance

Amplificateur en classe A

Pour obtenir le maximum de puissance, il faut que le point de polarisation se situe au milieu de la droite de charge.

E

E/RLVsmax = E/2

Ismoy

Page 21: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

21

Polarisation d’un Polarisation d’un Transistor bipolaireTransistor bipolaire

C’est fixer un ensemble de valeurs caractérisant son état de fonctionnement (IB, IC, VBE, VCE)

BC

EVCE

VBE

IC

IB

IE

R2

E2

Le transistor fournit trois équations:IC = f(VCE,IB),VBE = g(IB,VCE),IC = β.IB

Le montage comporte deux mailles:

Maille d’entréeE1 = R1.IB+VBE (droite d’attaque)

Maille de sortieE2 = R2.IC+VCE (droite de charge)

E1

R1

Page 22: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

22

Polarisation d’un Polarisation d’un Transistor bipolaireTransistor bipolaire

Quadrant n° 1Quadrant n° 2

Quadrant n° 3

VCE = cte

IB

VBE

VCE

IC

β

VBEo

IBo

ICo

VCEo

Mo

Mo

Mo

E2

E2/R2

E1

E1/R1

Droite d’attaque

Droite de charge

Point de polarisationMo(IBo,ICo,VBEo,VCEo)

VBE =E1 - R1.IB (droite d’attaque)

y = b – a.x

VCE= E2 - R2.IC (droite de charge)

VCE

Page 23: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

23

Polarisation d’un Transistor bipolairePolarisation d’un Transistor bipolaire

Il est rare de disposer de deux alimentations.

Montage à résistance de base:

ERCRB

IC

RCE RB

VCE

Montage à résistance de collecteur:

Soit, on dispose :• des graphes Ic = fct(VCE), IB = fct(VBE) et ,

résolution graphique,• des valeurs numériques,

résolution par les équations.

IB VCEVBEMaille 1

Maille 2

E = VBE+RB.IB

E = VCE+RC.IC

E = VCE +RC.IC

IB

IC

VBE

VCE = VBE+RB.IBet

Page 24: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

24

Polarisation d’un Transistor bipolairePolarisation d’un Transistor bipolaireMontage à deux alimentations

-VEE

RC

RB

VCE

RE

+VEE

Montage à pont de base avec une alimentation

RCRB

T

RERA

E

IC

VBE

IB

2VEE = RC.IC+VCE+ RE.(1+1/)IC

IE = IC+IB

VEE = RB.IB+VBE+ RE.(1+)IB

RC

RTHT

RE

E

ETH

A

D

A

D

Page 25: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

25

Polarisation d’un Transistor bipolairePolarisation d’un Transistor bipolaire

Montage à pont de base avec une alimentation

RCRB

VCE

RERA

E A

D

Ip

On impose Ip = 11.IB

VBE

IC

Montage à résistance de base:

ERCRB

ICIB VCEVBE

RE

E = 15V, RE = 70RB = 14k, RC = 50 = 200

Déterminer VB, VC, VE,IC,IB,IE

Exemple de calcul:

Page 26: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

26

Polarisation d’un Polarisation d’un Transistor bipolaireTransistor bipolaire

Droite de charge et droite d’attaque

Montage à résistance de base:

ERCRB

T

RCE RB

T

Montage à résistance de collecteur:

E = VCE+RC.IC

E = VBE+RB.IB

Droite de charge

Droite d’attaque

E = VCE +RC.IC

Droite de charge

Droite d’attaque

VCE = VBE+RB.IB

Page 27: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

27

Polarisation d’un Transistor bipolairePolarisation d’un Transistor bipolaire

Montage à deux alimentations

-VEE

RC

RBT

RE

+VEE

Montage à pont de base

RCRB

T

RERA

E

IB = (VEE-VBE)/ (RB+ RE.(1+ ))

Droite d’attaque

Droite de charge

2VEE = RC.IC+VCE+ RE.(1+1/)IC

Droite de charge

E = VCE+RC.IC+RE.(1+1/)IC

Droite d’attaque

ETH = RTH.IB +VBE+RE.(1+).IB

ETH = fct (E,RA,RB)RTH = fct (RA,RB)

Page 28: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

28

Transistor bipolaire et Transistor bipolaire et régime dynamiquerégime dynamique

On ajoute une source de tension alternative au montage

BC

EvCE

vBE

iC

iB

iE

R2

E2E1

eg

Le théorème de superposition permet d’écrire que toute tension ou tout courant est la somme de deux tensions ou courants, l’une continu(e), l’autre alternatif(ive).

iC = ICo+ic

iB = IBo+ib

vCE = VCEo+vce

vBE = VBEo+vbe

E2 = R2.(ICo+ic)+VCEo+vce

eg+E1= R1(IBo+ib)+VBEo+vbe

R1

D’où

RL Vs

CL

Page 29: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

29

Transistor bipolaire et Transistor bipolaire et régime dynamiquerégime dynamique

En alternatif les expressions deviennent :

en supposant que la caractéristique iC en fonctionde vCE est parfaite. (iC = β.iB) et RL = ∞

vCE

iC

De même, sur la caractéristique iB en fonction de vBE

On a la tangente au point de polarisation Mo unepente de valeur 1/rb (cf diode).

ib = vbe/rb (cf diode) et

On obtient vbe = eg. rb/(rb+R1)

(diC/dvce)Mo= 0

D’où ic = -vce/R2

ib = (eg -vbe)/R1

Mo

Page 30: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

30

Transistor bipolaire et Transistor bipolaire et régime dynamiquerégime dynamique

Quadrant n° 1Quadrant n° 2

Quadrant n° 3

VCE = cte

iB

vBE

vCE

iC

β

VBEo

IBo

ICo

VCEo

Mo

Mo

Mo

Point de polarisationMo(IBo,ICo,VBEo,VCEo)

temps

-1/RT

1/rbvbe

ib

ic

vce

vbe = eg(t).rb/(rb+R1)

vce = -R2.ic

ic = β.ib

ib = vbe/rb

vce

iC = β.iB

vce = -R2.β.eg/(rb+R1)

Droite de charge dynamiqueSi RL≠∞ RT = R2//RL < R2

Droite de charge statique

Page 31: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

31

Transistor bipolaire et régime dynamiqueTransistor bipolaire et régime dynamiqueSchéma équivalent du transistor:

BC

Evbe+VBEo

ib + IBo

ie+ IEo

ic+ICo

vce + V

CEo

vberb

ic = β.ib

vce

icib

BC

EvCE

vBE

iC

iB

iE

R2

E2E1

eg

R1

RL Vs

CL

C

E

B

B

C

E

vce

vbe

ib

ie

R2

eg

R1

RL Vs

ic

Page 32: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

32

Transistor bipolaire et régime dynamiqueTransistor bipolaire et régime dynamique

Schéma équivalent du transistor:

B

C

E

vcevbe

ib

R2

eg

R1

RL Vs

ic

B C

E

vcevbe

ib

R2eg

R1

RL Vs

ic

rb

Page 33: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

33

Transistor bipolaire et Transistor bipolaire et régime dynamiquerégime dynamique

Schéma équivalent du transistor:

Le générateur de courant n’est pas parfait.

Zone linéairevCE

iC

La pente de la tangente au point de fonctionnement Mo vaut 1/rc

si la source n’est pas parfaite.

icT

vce

Pente = 1/rc

Droite de charge dynamique: -1/RT1/RT

Mo

icT = ic + vce/rc

ic

BC

Evbe+VBEo

ib + IBo

ie+ IEo

ic+ICo

vce + V

CEo

vberb

ic = β.ib

rc vce

icTib

Page 34: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

34

Transistor bipolaire et régime dynamiqueTransistor bipolaire et régime dynamique

Schéma équivalent du transistor:

vberb

ic = β.ib

rc vce

icTibR1

R2eg

Vce = -R2.icT

ic = β.ib

icT = ic + vce/rc

ib = eg/(R1+rb)

Vce = -R2.β.eg/(R1+rb). 1/(1+R2/rc)

BC

E

B

E

NPN

ic = β.ib

rBE

ib

vberb

ic = β.ib

rc

icTib

E

B

C

E

B C

rb=β.rBE= β.UT/IE

rBE = r diode

Schéma statique

Schéma dynamique

rb = vbe/ib= (vbe/iE).(iE/ib) = rbe. β

C

Page 35: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

35

Transistor bipolaire et régime dynamiqueTransistor bipolaire et régime dynamique

2

1

2221

1211

2

1

ii

ZZZZ

vv

2

1

2221

1211

2

1

vi

hhhh

iv

Paramètre du transistor:

Qv1

i1 i2

v2

Matrice impédance

Matrice hybride

cteICE

C

cteVB

C

cteICE

BE

cteVB

BE

B

CE

B

CE

VIh

IIh

VVh

IVh

22

21

12

11 h11 = résistance dynamique de la jonction BE

h12 = 0 ;

h21 = gain en courant du transistor

h22 = conductance de la source de courant

Page 36: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

36

Transistor bipolaire et Transistor bipolaire et régime dynamiquerégime dynamique

Schéma équivalent du transistor:

BC

Evbe+VBEo

ib + IBo

ie+ IEo

ic+ICov

ce + VC

Eo

vbe

rb

ic = β.ib

rc vce

icTib

h12.VCE ≈ 0 rc=1/h22

Page 37: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

37

Amplificateurs à Amplificateurs à TransistorsTransistors

Les études précédentes étaient considérées avec l’hypothèse quel’émetteur du transistor était relié à la masse. En réalité, rien n’empêche de choisir comme électrode de référence la base oule collecteur.Dans tous les cas, on s’attache à déterminer le quadripôle équivalentsuivant:

Ze

rg

CL

CL

Zs

Av.VeVeeg

Vs

1) Montage à émetteur commun (masse)

VCEvBE

iC

iB

R2CE

Vcc

Ve

R1

Vs

RE

RC CLCL

Page 38: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

38

Amplificateurs à Amplificateurs à TransistorsTransistors

2) Montage à charge répartie

VCEvBE

iC

iB

R2

Vcc

Ve

R1

Vs

RE

RC CLCL

3) Montage à collecteur commun

VCEvBE

iC

iB

R2

Vcc

Ve

R1

VsRE

RC

CL

CL

CE

Page 39: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

39

Amplificateurs à Amplificateurs à TransistorsTransistors

2) Montage à base commune

VCE

vBE

iC

iB

R2

Vcc

Ve

R1

Vs

RE

RC CL

CL

CL

RcβRc/rb(rb/(β+1)) //

REbase

collecteur

Charge répartie

Emetteur

Résultats attendus :

RE // ( rb / (β+1) )≈1RB//(β.RE)

Rc-RC/RERB//(β.RE)

Rc- β .Rc/rbRB//rb

ZsAvZe

Page 40: Cours Electronique UE12P

Toutes reproductions interdites sans l'autorisation de l'auteur

40

Amplificateurs à Amplificateurs à TransistorsTransistors

Ampli RF

Adaptation d’impédance

Pas de β

amplificateur

utilisation

RcβRc/rbtrès faiblebase

collecteur

Charge répartie

Emetteur

Résultats attendus :

faible≈1forte

Rc-RC/REforte

Rctrès fortfaible

ZsAvZe

Montage Darlington

B1C1

E1 B2C2

E2

C

E

B

β = β1. β2

rb = β1.rb1 rc = β2.rc1

On peut associer tous les montages mais il est nécessaire d’utiliser des capacités de liaisons ce qui exclut les signaux TBF.

Amplificateurs à structures différentielles