7/27/2019 Electronique Analogique _ II1F
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Electronique Analogique
UNIVERSITE DE LA MANNOUBA
Premire anne-II1
A.U. 2012-2013
http://www.isi.rnu.tn/isihttp://www.isi.rnu.tn/isi7/27/2019 Electronique Analogique _ II1F
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2
Contenu du cours d lectronique analogique
1. Les Diodes et applications des diodes
2. Le Transistor bipolaire et applications
3. Les Amplificateurs oprationnels et applications
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Chapitre 1
3
Les Diodes
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Id
Vd
1.1 Dfinition
Caractristique courant-tension dunediode idale :
Id
Vd sous polarisationdirecte
(Vd0), la diode = court-circuit
(i.e. conducteurparfait)
sous polarisation inverse (Vd
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1.2 Caractristiques dune diode relle base de Silicium
hyp:rgime statique
(tension et courant
indpendants dutemps)
Vd-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1
20
60
100
140
Id
Is
PourVd> ~0.7,le courant augmente rapidement avec une variation peu prs linairela diode est dite passantemaisId nest pas proportionnel Vd (il existe une tension seuil~ Vo)
Vo
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6
Vd-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1
20
60
100
140
Id
1exp
T
dsd
V
VII
Zone du coude : Vd[0,~Vo] : augmentation exponentielle du courant
avec 12 (facteur didalit)
VT= k T/e
k = 1,38 10-23 J/K= constante de Boltzmann
e= 1.6 10-19Coulomb, Tla temprature en Kelvin
Is = courant inverse
le comportement est fortement non-linaire
forte variation avec la temprature
Vo
! VT(300K) = 26 mV / Diode idale car comportement identique celle prvue pour une jonction PN
1.2 Caractristiques dune diode relle base de Silicium
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7
Zone de claquage inverse
Ordre de grandeur :Vmax= quelques dizaines de Volts
! peut conduire la destruction pour une
diode non conue pour fonctionner dans
cette zone.
! Vmax = P.I. V (Peak Inverse Voltage) ou
P.R.V (Peak Reverse Voltage)
Id
Vd
Vmax
claquage par effet
Zener ou Avalanche
Vo
L imi tes de fonctionnement :
Il faut que VdId=Pmax
L imi tation en puissance
VdId=Pmax
I nf luence de T :
Vd( Id constant) diminue de ~2mV/C
diode bloque : Id= IS double tous les 10C
diode passante :
(diode en Si)
(1/2W pour les diodes standards)
1.2 Caractristiques dune diode relle base de Silicium
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1.3 Diode dans un circuit et droite de charge
Point de fonctionnement
Val RL VR
Id
Id , Vd,?
Comment dterminer la tension aux bornes dune diode insre dans un circuit et lecourant qui la traverse?
Vd
Id et Vd respectent les Lois de Kirchhoff
Id et Vd sont sur la caractristique I(V) du composant
Au point de fonctionnement de la diode, (Id,Vd) remplissent ces deux conditions
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Val/RL
Val
Droi te de charge
Id
Vd
Caractristique I(V)
Droite de charge
Loi de Kirchoff :L
dald
R
VVI
= Droite de chargede la diode dans le circuit
ConnaissantId(Vd) on peut dterminer graphiquement le point de fonctionnement
!procdure valable quelque soit la caractristique I(V) du composant !
On peut calculer le point de fonctionnement en dcrivant la diode par unmodle simplifi.
Q= Point de fonctionnementIQ
VQ
Q
1.3 Diode dans un circuit et droite de charge
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Modle de 3ime ApproximationId
Vd tension seuil Vonon nulle
rsistance directe Rfnon nulle
Vd Vo:
Val
Ri
Id
Vd
Val Rr
diode bloqueVal> MW,
1.4 Modles statiques
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Remarques :
d
df
I
VR
Le choix du modle dpend de la prcision requise.
Les effets secondaires (influence de la temprature, non-linarit de la
caractristique inverse, .) sont pris en compte par des modles plus volus(modles utiliss dans les simulateurs de circuit de type SPICE).
1.4 Modles statiques
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Variation suffisamment lente pour queID(VD) soit toujours en accord avec la
caractristique statique de la diode.
Variationde petite amplitude autour du point de fonctionnement statique Q :
la caractristiqueId(Vd) peut tre approxime par la tangente en Q
d
Qd
dd v
dV
dIi
schma quivalentdynamique
correspondant au point Q :
1
Qd
d
dV
dI= rsistance dynamique
de la diode
Id
Vd
Vo
Q
Qdd
dVdI
pente :
Qd
I
Qd
V
2|id|
2| v|
Modle petits signaux, basses frquences
!Ce schma ne peut tre utilis QUEpour une analyse dynamiquedu circuit !
1.5 Modles dynamiques
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Notation :rf= = rsistance dynamique pour Vd
Q> 0
rr= = rsistance dynamique pour VdQ
< 0
1
0
dVd
d
dV
dI
1
0
dVd
d
dV
dI
! temprature ambiante :
125
W mAI
rd
f
Pour Vd>> Vo, rf Rf
Pour Vd< 0 , rr Rr
Pour Vd[0, ~Vo] ,
d
Ts
V
V
sdVd
df
I
VIeI
dV
d
dV
dIr T
d
d
11
!proche de Vo la caractristiqueI(V) scarte de la loi exponentielle
rf ne devient jamais infrieure Rf (voir courbe exprimentale, p27)
1.5 Modles dynamiques
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Exemple :
Vd(t)Ve
ve
Ra
1kW C
10F D
Rb2kW
5V
Analyse statique : VVmAI DD 62,0,2,22000
6,05
diode: Si, Rf= 10W, Vo = 0,6V ,
Temprature : 300K
tve 210sin1,03
Analyse dynamique : ,122,2
26 Wfr ac RZ W16
Schma dynamique :
1kW
ve
2kW
~ 12W
vd
tvd 210sin102,1 33
Amplitude des ondulations rsiduelles : 1,2 mV
1.5 Modles dynamiques
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1 6 Q l di d i l
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20
Sous polarisation inverse, la photodiode dlivre un courant proportionnel
lintensit de la lumire incidente.
Diode Schottky
Une diode Schottky est une diode qui a un seuil de tension Vo trs bas et un temps de
rponse trs court.
Diode Varicap
Une varicap est une diode capacit variable. Elle utilise la variation de Ct avec Vd
en polarisation inverse.
Photodiode
1.6 Quelques diodes spciales
1 7 A li ti d Di d
http://fr.wikipedia.org/wiki/Tensionhttp://images.google.fr/imgres?imgurl=http://www.microscopy-uk.org.uk/mag/imgdec00/photodiode.jpg&imgrefurl=http://www.microscopy-uk.org.uk/mag/artdec00/photodiode.html&h=218&w=360&sz=26&tbnid=A2CejK_ZncKs9M:&tbnh=70&tbnw=117&hl=fr&start=16&prev=/images%3Fq%3Dphotodiode%26svnum%3D10%26hl%3Dfr%26lr%3D%26sa%3DGhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Tension7/27/2019 Electronique Analogique _ II1F
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Limiteur de crte (clipping)
Fonction : Protger les circuits sensibles (circuits intgrs, amplificateur grand gain) contre
une tension dentre trop leve ou dune polarit donne.
Limite dutilisation : Puissance maximale tolre par la diode.
Clipping paral lle
VeVg circuit protger
Rg
Ze
(diode // charge)
Cl ipping srie :
Ve(t)circuit
protgerZeVg
Rg
Ve ne peut dpasser significativement Vo
Ie ne peut tre ngatif
Ie
1.7 Applications des Diodes
1 7 A li ti d Di d
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22
Protection par diode :
Vmax
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Alimentation
Transformer un signal alternatif en tension continue stable
(ex: pour lalimentation dun appareil en tension continue partir du secteur)
Objectif:
Les fonctions effectues par une alimentation :
Redressement Filtrage passe-bas Rgulation
V>0
V
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Redressement simple alternance
220V
50HzR
cV
s
7.0 mVVs
t(cf avant)
Ri =rsistance de sortie du transformateur
Vm =amplitude du signal du secondaire
Redressement double alternance (pont de Graetz)
D1 D2
D3 D4
R
RcVi Vs
Vi
t
Vs,
VVi 4.1
~1.4V
1.7 Applications des Diodes
1 7 A li ti d Di d
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25
avec fi l trage :
avec condensateur
sans condensateur
D1 D2
D3 D4
R
Vs
50 W
Rc=10
kW
Vi200F
Charge du condensateur traversR
et dcharge traversRc
RC
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1 7 Applications des Diodes
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28
VcVg(t)
C
VdD
Rg Cas par ticul ier :
0poursin ttVV mg
0pour0 tVc (C dcharg)
Phase transitoireau cours de laquelle le condensateur se charge
t (s)
C=1F
Rg=1kW
f= 100hz
Vm =5VVc
Vg
Vd
charge du condensateur
Vd0.7V
Simulation
1.7 Applications des Diodes
1 7 Applications des Diodes
http://d/spice8d/Circuits/Cours/Exemple%20Cours%201.DWGhttp://d/spice8d/Circuits/Cours/Exemple%20Cours%201.DWG7/27/2019 Electronique Analogique _ II1F
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29
Exercice :Modifier le circuit pour obtenir une composante continuepositive.
Charge de Cavec une constante de temps de RgC chaque fois que la diode est passante
Dchargede Cavec une constante de temps RrC
Le circuit remplit ses fonctions, si pourf >>1/RrC (105hz dans lexemple) :
en rgime permanent: Vd Vg - Vm
composante continue
1.7 Applications des Diodes
1 7 Applications des Diodes
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Multiplieur de tension
Exemple : doubleur de tension
clamping redresseur monoalternance avec filtre RC
~Vg Rc>> Rg
Rg
VD1 VRcVm=10V, f=50Hz, C=10F
Rc=100kW.
C
Cl
0pour2sin
ttfVV mg
t
VD1,VRc
rgime transitoire / permanent
* En rgime tabli, le courant dentre du
redresseur est faible(~ impdance dentre
leve)
mmR VVV c 24,12
* Il ne sagit pas dune bonne source de
tension,puisque le courant de sortie (dansRc)
doit rester faible (~ rsistance interne leve)
1.7 Applications des Diodes
1 7 Applications des Diodes
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Limpdance dentre de la charge doit tre >>Rf+ Rtransformateur+Rprotection
! source flottante ncessit du transformateur
charge
source
AC
Autreexemples: Doubleur de tension
1.7 Applications des Diodes
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2 1 Introduction
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on distingue le transisorbipolaire du transistor effet de champ
diffrents mcanismes physiques
Ils agissent, en 1ire approx., comme une source de courant command
Idalement : ltage dentre ne dpend pasde ltage de sortie.
Icontrle
source de courant
commande par un
courant
contrlecommand IAI
A =gain en courant
transistor bipolaire : command par un courant
Vcontrle
source de courant
commande par une
tension
contrlecommand VGI
G= transconductance.
transistor effet de champ: command parune tension
2.1 Introduction
2 2 Structure et fonctionnement dun transistor bipolaire
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Structure simplifie
P+
P
N
E
B
C
metteur
collecteur
base
Transistor PNP
E
C
Transistor NPN
N
N
P
B
+
couplage
entre lesdiodes
diode EB
diode BC
Deux jonctions PN ou diodes couples effet transistor
Symtrie NPN/PNP
diode EB
diode BC
2.2 Structure et fonctionnement d un transistor bipolaire
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2 2 Structure et fonctionnement dun transistor bipolaire
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Premires di ffrencesentre le transistor bipolaire et la source commande idale...
Contraintes de polarisation : VBE> ~0.7V, VCB>- 0.5V
.
Symboles
B
NPN
C
E
B
C
E
PNP
IE >0 en mode actif
PNP
IC
IE
IB
Conventions des courants :
NPN
IC
IE
IB
IE= IB+IC
2.2 Structure et fonctionnement d un transistor bipolaire
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2.3 Caractristiques du transistor NPN
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Caractristiques en configuration EC :
IB(VBE, VCE):
VBE(V)
IB(A)
0.1 0.2 0.30
0.51.5
3
0.1V
> 1V
E
IC
IB
IE
N NPVCE=
VBE> 0.6V, jonction PN passante
IB
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2.4 Modes de fonctionnement du transistor dans un circuit
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Point de fonctionnement
VBEQ0.6-0.7V, ds que Vth> 0.7V
(diode passantetransistor actif ou satur)
VBE(V)
IB
0.1 0.2 0.3
QIBQ
VBEQ
thBEthB
R
VVI
CCCECE VVV Qsat
c
CC
c
CECCcCO
R
V
R
VVII sat
Ic(mA)
VCE(V)
IBQ
C
CECCC
R
VVI
Q
VCEQ
ICQ
VCEsat
ICO
Q fixe le mode de fonctionnement du transistor
. odes de o c o e e du s s o d s u c cu
2.4 Modes de fonctionnement du transistor dans un circuit
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44
Exemple : Calcul du point de fonctionnement
+VCC
=10V
Vth =1V
Rth=30kW
Rc=3kW
hFE=100
AIQB
10
mAI QC 1
VVQ
CE 7
On a bien : ~0,3
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Remplacement deRthpar3kW :
AI QB 100
mAI QC 10
VV QCE 20 !!
Rsultatincompatible avec le mode actif
! le modle donne des valeurs erronnes
Cause :Ic(mA)
VCE(V)
IBQQ
VCEQ
En ayant augmentIBQ,(rduction deRth)
Q a atteint la limite de la zone
correspondant au mode actifVV QCE 3.0~
et mAIQC
2.3
+VCC=10V
Vth =1V
Rth=3kWRc=3kW
hFE=100
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2.5 Circuits de polarisation du transistor
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Circuit de polarisation de base ( courant IB constant)
B
cc
B
BEccB
RV
RVVI 7.0
ccccBFEc IRVVIhIQ CEet:
VCC
RC
RB
Consquence : DhFE DIc DVCE
Le point de repos dpend fortement de hFE= inconvnient majeur
Circuit de polarisation peu utilis.
IC
VCE
c
cc
R
V
ccV
Q1
VCE1
IC1
2 transistors
di ffrentsmme IBQ2
VCE2
IC2
Exemple :Transistor en mode satur RB tel que
en prenant pourhFEla valeurminimalegarantie par le constructeur.
FEc
ccBB
hR
VII
sat
Dispersion de fabrication:
hFEmal dfini
p
2.5 Circuits de polarisation du transistor
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Polarisation par raction de collecteur
+VCC
RCRB
FE
BC
CCC
h
R
R
VI
7.0
Le point de fonctionnement reste sensible hFE
Propritintressante du montage :
Le transistor ne peut rentrer en saturation puisque VCE
ne peut tre infrieur 0.7V
Cas parti culi er :RB=0C
CCC
R
VI
7.0
Le transistor se comporte comme un diode.
VVCE 7.0
p
2.5 Circuits de polarisation du transistor
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49
Polarisation par diviseur de tension - polarisation courant (metteur) constant
R1
R2
RE
RC
+VCC
Peu sensible hFE:
Bonne stabilit thermique de IC condition que Vth >>Vo VB >>Vo
E
othCE
FE
th
R
VVIR
h
Rsi
+VCC
Vth
Rth
Rc
CECCCCE IRRVV
CCth VRR
RV
21
2
21 // RRRth
avec et
FEthE
othEC
hRR
VVII
/
(Vo~0.7V)
Rgles dor pour la conception du montage :
Rth/RE 0.1 hFEmin ou encore R2 < 0.1 hFE
minRE IR210Ib
VE ~VCC/3
DiminuerRthaugmente le courant de polarisationIR1
p
2.6 Modle dynamique petits signaux
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50
Variation de faibles amplitudes autour dun point de fonctionnement statique
Comportement approximativement linaire
Modles quivalents
Caractristique dentre :+VCC
VBB
vB
RE
RC
VSortie
E
B
IC
IBQ
VBE
0.2 0.4 0.60
IB
VBEQ
vBE
iB
t
t
Q Bv
Pour vB petit:
"" ie
bebe
TFE
Ebe
QBE
Bb
h
vv
Vh
Iv
V
Ii
FETBEsB hV
VII
1exp
hie = rsistance dentre dynamique du
transistor en EC
y q p g
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2.6 Modle dynamique petits signaux
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Caractristique de sortie en mode actif :
bfec ihi ""
En premire approximation :Ic
VCE
IBQQ
droite de charge
ic=hfeib
t IBQ+ib
QCEV
vce
En tenant compte de leffet Early: ceoebfec vhihi oQCE
coe
V
Ih
hfe= gain en courant dynamiquehFEen Q (* )
ib
hie hfeib
B
E
Cic
B ib
hiehfeib
E
Cic
hoe-1
1oeh = impdance de sortie du transistoren EC
Ordre de grandeur : 100kW- 1MW
Le modle dynamique ne dpend pas du type (NPN ou PNP) du tr ansistor
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+V
2.6 Modle dynamique petits signaux
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+VCC
-VEE RL
vg
Rg
source
charge
vL
ve
ie
iLZe
vsZs
Gain en tension :Comme Zs 0 le gain en tension dpend de la charge
e
s
Re
L
v v
v
v
v
AL
Gain en circuit ouvert :
Dfini ti ons
Gain sur charge :v
sL
L
e
LvL A
ZR
R
v
vA
Comme Ze ,Avc diffre de AvLvLei
e
g
Lvc A
ZR
Z
v
vA
Gain composite:
(tient compte de la
rsistance de sortie
de la source)
Gain en courant :L
evL
e
Li
RZA
iiA
Gain en puissance : iveg
LLp AA
iv
ivA
c
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Chapitre 3
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Amplificateur oprationnel
3.1 structure idale
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e
VS
+
-
+Valim
-Valim
- structure damplification deux entres et une sortie
- lnergie ncessaire pour amplifier est apporte par une alimentation DC externe qui peut-tre :
une alimentation symtrique : Valim = +Valim = -Valimune alimentation positive : Valim = +Valim etValim = 0
En gnral : (Vsat = -Valim + Tdchet) < Vs < (Vsat = +ValimTdche) avec (Tdchet = 0,6 V)
il existe des ampli-oprationnels rail to rail pour lesquels : -Valim < Vs < +Valim
Cest un amplificateur en tension :
Fonction ralise : VSAe AV+-V-)
A: gain en tension infini dans le cas idal
Caractristique de la fonction de transfert :
e
VS
Pente infinie
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3.1 structure idale
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Un fonctionnement linaire
-montage avec contre raction
Un fonctionnement non linaire
- montage avec raction positive
Mais, si on prlve une partie du signal de sortie pour linjecter :
Sur la borne (-) on obtient : Sur la borne (+) on a alors :
Seule, cette structure est peu intressante (except pour le fonctionnement en
comparateur) puisque :
- si e > 0 alors VS = Vsat- si e < 0 alors VS = -Vsat
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3.1 structure idale
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e
vS
+
-v
e
R1
R2
Mise en quation :
V-=Ve
On a diviseur de tension en V+ :
ss kvvRR
Rv
21
1
e V+-V-= kvs - ve
kk
vv eS
e droite de pente 1/k
vSDiscussion :
Reprsentation graphique :
Ve/k nest pas un point de fonctionnement stable :
e > 0 conduit VS = +Vsate < 0 conduit VS = -Vsate
k
ve
+vsat
-vsat
pente : +1/k
A
B
Fonctionnement non linaire :
montage avec raction positive
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3.3 Comportement en frquence
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Avertissement : Pour comprendre le fonctionnement en frquence dun AOP
Il faut abandonner le modle parfait utilis dans la premire partie
Par construction le comportement en frquence de lAOP est de type passe-bas avec :
- une frquence de coupure ( c) de lordre de 10 Hz- un gain en tension Avimportant (et non plus infini) de lordre de 10
5
Ce qui conduit au diagramme de Bode en gain :
Cette fonction de transfert scrit :
C
v
j
A)j(H
1
log
20 log (Vs/Ve)
0 c
pente20 dB/dec
20 log (AV)
3.3 Comportement en frquence
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Comportement en frquence du montage non inverseur (1/2) :
e
vS
-
+ve
R1
R2
ie
ib ss kVVRR
Rv
21
1
Mise en quation :
)VV)(j(H)j(HVdonc
j
A)j(H eS
C
ve
1
Fonction de transfert :
'c
'v
vc
v
v
c
vc
c
v
c
v
c
v
e
s
j
A
)kA(j
kA
A
j
kAj
j
A
j
Ak
j
A
V
V
11
1
1
1
1
1
1
1
1
6
1
21 101
1
v
v
v'v Acar
R
RR
kkA
AA
cvcvckA)kA(' 1
3.3 Comportement en frquence
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Comportement en frquence du montage non inverseur (1/2) :
log
20 log (Vs/Ve)
0 c
20 log (AV)
20 log (AV)
c
Diagramme de Bode obtenu :
On constate que :
le produit gain bande est constant puisque : Avc = Avc
vS
-
+ve
R1
R2
ieib
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3.3 Comportement en frquence
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Montage drivateur ou passe-haut (2/2) :
ve
R
vS
-
+
Ci
i
R1
=> limitation du gain hautes frquences
CjR
CjR
R
R
CjR
jRC
v
v
e
s
1
1
11 11
log
20 log (Vs/Ve)
20 log (AV)
1/RC 1/R1C
20 log (R/R1)
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