Filtrage analogique - Intranet Polytech Paris-Sud

II.1 Les transistors : introduction
Les transistors et leurs utilisations
• Domaines d’utilisation :
– Numérique (CMOS) : µProcesseur, µContrôleurs, FPGA et
ASIC, CAN/CNA, mémoires…
⇒ transistors MOSFET
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– Analogique : amplification (AO, ampli audio, ampli HF),
interrupteurs analogiques, …
⇒ transistors bipolaires et MOSFET
• Présents dans des circuits
– Faible puissance : CMOS, composants analogiques
– Forte puissance : conversion d’énergie (redresseurs, onduleurs,
commandes des moteurs, hacheurs …)
Composants et capteurs
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II.1 Les transistors : introduction
Variétés des composants
• Composants réalisés à base de : SC, isolants et métaux
• Grande variété de transistors :
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o Caractéristiques différentes selon leurs différentes structures
internes
o Domaines d’utilisations différents :




faibles ou très forts courants/tensions
Tailles différentes
Fréquences d’utilisations différentes
…
o Composants discrets ou intégrés
⇒ gammes de courants/tensions et tailles très différents
Composants et capteurs
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II.1 Les transistors : introduction
Broches et grandeurs électriques
• Composant à 3 (ou 4) broches
– 3 grandeurs caractérisent le composant
⇒ 2 degrés de libertés : 2 tensions fixent 1 courant
• Comportement « complexe » / dipôle :
– Source de courant commandée (par une tension/courant)
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⇒ Amplification, sources stabilisées (tension ou courant)
– Résistance commandée (par une tension)
– Interrupteur commandé
⇒ fonctionnement en « tout ou rien » : numérique
Composants et capteurs
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II.1 Les transistors : introduction
Classification des transistors
FET
Type de
contrôle du
« canal »
Jonction
PN
JFET
Canal N
Bipolaires
Capa MOS
Jonction Shottky
MOSFET
Canal P
Canal N
Canal P
MESFET
Canal N
Canal P
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Non décrit
Normally
ON
Normally
OFF
Normally
ON
Normally
OFF
Composants et capteurs
NPN
PNP
Type de
porteur
...
Dopage : existence
ou non du « canal »
à l'équilibre
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II.2 Les transistors : Les MOSFET
Les grandeurs et les broches des FET
• 4 broches :
• Grille (Gate) : G
• Drain : D
• Source : S
• Substrat : Sub, qui est très souvent relié à la source
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• 3 grandeurs pertinentes :
• Courant IDS
• Tension VGS
• Tension VDS
• Courant IGS=0 en statique et
en basse fréquence car
capacité entre G et S
Drain (D)
Grille
(G)
Substrat (Sub)
Source (S)
Composants et capteurs
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II.2 Les transistors : Les MOSFET
Les symboles normalisés (FET)
Normally ON
Normally OFF
(à appauvrissement)
(à enrichissement)
NMOS, Normally ON
NMOS, Normally OFF
NMOS
Drain (D)
Grille
(G)
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PMOS, Normally ON
PMOS, Normally OFF
Substrat (Sub)
Source (S)
PMOS
Composants et capteurs
18
II.2 Les transistors : Les MOSFET
Fonctionnement simplifié (FET)
• 1 grandeur de « contrôle » :
o VGS contrôle la section S(x)
o ⇒ contrôle de la résistance entre D et S (contrôle du débit d’électrons
donc du courant)
• Evolution des grandeurs dans le « dipôle » DS :
• VDS permet de faire circuler les charges (e- ou trous) entre D et S
• Différentes lois de variations entre D et S
• Courant dépend de VGS et de VDS
S(x)
• Canal ∼ résistance entre D et S (1ère approximation)
G
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VGS
Robinet,
Vanne
D
S
IDS
VDS
Composants et capteurs
IDS
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II.2 Les transistors : Les MOSFET
Caractéristiques statiques idéales
• 2 graphes en 2D
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 𝐼𝐷𝑆 = 𝑓(𝑉𝐷𝑆 ) à 𝑉𝐺𝑆 constante
 𝐼𝐷𝑆 = 𝑓(𝑉𝐺𝑆 ) à 𝑉𝐷𝑆 constante (zone de saturation du
courant)
 Rappel : courant IGS = 0 en statique
• On étudiera le NMOS Normally OFF
• Puis on comparera les caractéristiques des
autres MOS
Composants et capteurs
20
II.2 Les transistors : Les MOSFET
Caractéristiques statiques idéales (1)
Caractéristique IDS = f(VDS), paramétrée par VGS
Il existe une tension VT>0, tension de seuil telle que :
• 𝑉𝐺𝑆 < 𝑉𝑇 : pas de courant
• 𝑉𝐺𝑆 > 𝑉𝑇 : courant peu circuler entre D et S si potentiel 𝑉𝐷𝑆 ≠ 0
Datatsheet : BS170
Zone de « pincement » :
// saturation du courant
IDS
𝑉𝐺𝑆4
𝑉𝐺𝑆3
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zone ohmique
(linéaire)
VGS>VT
𝑉𝐺𝑆2
𝑉𝐺𝑆1
VGS<VT
Etat bloqué
VDS
Composants et capteurs
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II.2 Les transistors : Les MOSFET
Caractéristiques statiques idéales (1)
Caractéristique IDS = f(VDS),
paramétrée par VGS
D
IDS indépendant deVDS :
source de courant
D
S
IDS
𝑉𝐺𝑆4
𝑉𝐺𝑆3
S
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RDSon 
1
K VGS  VT 
𝑉𝐺𝑆2
𝑉𝐺𝑆1
VGS<VT
VDS
Source
Datatsheet : BS 170
Composants et capteurs
VGS>VT
Drain
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II.2 Les transistors : Les MOSFET
Caractéristiques statiques réelles
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Datatsheet :
BS170
Datatsheet :
2N 7000
Composants et capteurs
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II.2 Les transistors : Les MOSFET
Caractéristiques statiques
Caractéristique IDS = f(VGS), dans la zone de pincement
IDS
I DS
VT
 VGS
 I DS 0 1 
 VT



2
VGS
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Datatsheet : BS170
Composants et capteurs
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II.2 Les transistors : Les MOSFET
Lien entre les caractéristiques
IDS
IDS
NMOS, Normally OFF
VGS>VT
VGS<VT
VT
VDS
NMOS, Normally ON
VGS
IDS
IDS
VGS=0
VGS<VT
VDS
PMOS, Normally OFF
VT<0
VGS
IDS
VT<0
VGS>VT
VDS
VGS>VT
VGS=0
VGS
IDS
IDS
PMOS, Normally ON
IDS
VT>0
VDS
VGS
II.2 Les transistors : Les MOSFET
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Lien entre les caractéristiques
Composants et capteurs
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II.2 Les transistors : Les MOSFET
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MOS de puissance : aire de sécurité et diode //
Composants et capteurs
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II.2 Les transistors : Les MOSFET
Comportement du transistor en fréquence
• Montages à transistors : quadripôles (potentiel commun
entrée/sortie)
• « Entrée » : entre G et S
– Basse fréquence : circuit ouvert (pas de courant)
– Haute fréquence : condensateur (fF à 10 pF)
• « sortie » : entre D et S
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– Zone linéaire : résistance
– Zone de pincement : source de courant
Composants et capteurs
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II.2 Les transistors : Les MOSFET
Applications : Logique CMOS
IDS
1.Inverseur CMOS
VDD
-VDD -VT
-VDD
VT
Ve
VS
Ve=0 :
VGSn= 0 <VT
 NMOS bloqué
VGSp= -VDD<-VT  PMOS passant
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VGS
Ve=VDD :
VGSn= VDD >VT  NMOS passant
VGSp= 0 > -VT  PMOS bloqué
VS=VDD
VS=0
Pertes par transfert de charge dans les capacités uniquement
Composants et capteurs
29
II.2 Les transistors : Les MOSFET
Applications : Logique CMOS
2. Porte NAND
VDD
a
b
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Vs
Composants et capteurs
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II.2 Les transistors : Les MOSFET
Applications : Logique CMOS
3. Méthode de synthèse : principe
Bloc N :
• actif aux entrées à 1
• inactif aux entrées à 0
• sortie : réalise la valeur 0 en fonction
des entrées (à l'état haut)
s=f( a, b,...)
Bloc P :
• actif aux entrées à 0
• inactif aux entrées à 1
• sortie : réalise la valeur 1
en fonction des entrées
complémentées (état bas) :
s=f(a,b,...)
Pour synthétiser une fonction f(a,b,...):
1. Deux blocs complémentaires (CMOS) :
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•
•
type N : permet de réagir aux entrées à 1 et de fournir 0
type P : permet de réagir aux entrées à 0 et de fournir 1
2. Ecrire la fonction f sous la forme :
•
f(a,b,...)=g(a, b, ...)  synthèse du bloc P
•
f(a,b,...)=h(a, b, ...)  synthèse du bloc N
Composants et capteurs
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II.2 Les transistors : Les MOSFET
Applications : Logique CMOS
4. méthode de synthèse : Exemples
g(a,b)= a + b
mise en //
VDD
a
Porte NAND :
f(a,b)= a . b
b
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Vs
h(a,b)= a . b
mise en série
Composants et capteurs
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II.2 Les transistors : Les MOSFET
Applications : Le MOS en commutation
E
i
E
i
Circuit ouvert :
i =0
Ve < VT
Circuit
Ve
E
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Ve
i
Ve > VT
Circuit
RDS(Ve)
Ve
Composants et capteurs
Circuit fermé :
On peut calculer i
Rem :
• RDS peut être négligée
• Vérifier linéaire
VDS(Ve)
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II.2 Les transistors : Les MOSFET
Applications : Le MOS en commutation
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Commande en pont d’une MCC, ampli audio classe D, …
Datatsheet : IRS2453
Composants et capteurs
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II.2 Les transistors : Les MOSFET
Autres Applications
• Numérique :
– Circuits intégrés CMOS (calcul)
– Mémoire DRAM, SRAM, flash …
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• Analogique/numérique : interrupteur CMOS
bidirectionnel
• Analogique : amplification
Composants et capteurs
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II.3 Les transistors : Les bipolaires
Broches
Bipolaire
MOSFET
• 3 broches :
• Base : B
• Collecteur : C
• Emetteur : E
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• 5 grandeurs pertinentes :
• Courants IC et IE
• Courants IB ou tension VBE
• Tension VCE
• 4 broches :
• Grille (Gate) : G
• Drain : D
• Source : S
• Substrat :
• 3 grandeurs pertinentes :
• Courant IDS
• Tension VGS
• Tension VDS
• Courant IGS=0 en statique et
en basse fréquence car
capacité entre G et S
Composants et capteurs
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II.3 Les transistors : Les bipolaires
Symboles
C
C
B
B
E
E
PNP
(équivalent PMOS)
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NPN
(équivalent NMOS)
E
P
N
C
N
E
C
P
N
P
B
B
Composants et capteurs
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II.3 Les transistors : Les bipolaires
Caractéristique statique
Fonctionnement
saturé
C
B
B
OU
C
E
E
Fonctionnement « normal »
C
Ic= IB
B
IB
IC
E
• Source de courant
• Paramétrée par IB
• 𝐼𝐶 = 𝛽 𝐼𝐵
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IB
VCE
• 𝛽 ∈ 100; 400 ⇒ 𝐼𝐶 ≈ 𝐼𝐸
• 𝛽≫1
• BE : diode (IE courant direct)
𝑉𝐵𝐸
C
Régime
bloqué
B
𝑈𝑇
• 𝐼𝐸 ≈ 𝐼𝑆 𝑒
• Tension VBE : 0.7 V
(tension seuil diode)
E
Composants et capteurs
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II.3 Les transistors : Les bipolaires
Applications
• La plupart des circuits analogiques intégrés :
– Ampli (AO, audio faible puissance)
– Multiplieurs
• Amplificateurs à transistors discrets :
– BF : audio
– HF : télécoms
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Datatsheet : TL081
Composants et capteurs
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II.3 Les transistors : Les bipolaires
Collecteur ouvert
Exemple du LM311 (comparateur)
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R
• la sortie n’est pas reliée à un potentiel
⇒ fixer une résistance R entre
collecteur et niveau haut
⇒ permet de fixer le niveau haut
indépendamment de la tension d’alimentation
⇒ dimensionner la résistance
(transistor saturé)
• Equivalent en MOS : Drain ouvert
Composants et capteurs
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