Amplificateur a charge active et amplificateur operationnel

TP Electronique tronc commun PET
Amplificateur à charge active et amplificateur opérationnel élémentaire
Amplificateur à charge active
et amplificateur opérationnel élémentaire
Objectifs du TP
• Comparer les performances d’un amplificateur de type émetteur commun chargé par
une résistance puis chargé par un miroir de courant
• Etudier un amplificateur opérationnel très rudimentaire à 3 étages (étage d’entrée
différentiel polarisé par une source de courant suivi d’un étage émetteur commun
puis d’un étage suiveur) afin d’en comprendre son fonctionnement
Remarque : modèle équivalent petits signaux des transistors à considérer dans tout le sujet :
ib
ic
B
vbe
h21 ib
h11
C
1/h22 vce
vbe= h11 ib
ic = h21 ib + h22 vce
h22 sera négligeable sauf dans le
montage à charge active
E
Pour les polarisations, on supposera VBE = 0,6V et β=100pour tous les transistors.
I AMPLIFICATEUR A CHARGE ACTIVE
I.1 Rappels sur le miroir de courant
VCC
Les miroirs de courants sont très utilisés dans les circuits intégrés
analogiques pour polariser les étages amplificateurs. Ils
permettent en outre de charger ces derniers par une « charge
active ».
Dans le schéma de la figure 1, T2 et T3 sont supposés
rigoureusement identiques car réalisés sur le même substrat
(même puce) ; attention, ici les IB, VBE, IC sont négatifs puisque
les transistors sont de type PNP !
I REF =
T3
IB
2 IB
IREF
VCC + VBE1
= −(β + 2 ) I B et I 0 = − β I B
RI
D’où I 0 ≅
1
1+
2
IB
RI
I REF ≅ I REF car β >> 2
GND
Figure 1
β
L’impédance en dynamique vue du collecteur de T2 vaut : 1 =
ρ
2
1
h
22
2
= rce (paramètre
I
dynamique du transistor T2), avec ρ ≅ C 2 (VA2 tension de Early et I C 2 ≅ I REF courant de
2 VA 2
polarisation de T2).
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T2
I0
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Le rôle du miroir de courant dans le montage émetteur commun à charge active est de réaliser
une source de courant permettant de polariser le transistor T1 dans sa zone active (voir figure
2). Il permet ainsi comme nous le verrons plus loin d’obtenir un gain élevé en dynamique.
I.2 Montage à charge active
VCC
Prendrons l’exemple d’un montage émetteur commun.
Dans un tel montage, il s’agit de remplacer la résistance de
charge habituelle RC (voir plus loin la figure 5) par le
T3
T2
IB
IB
miroir de courant précédemment étudié (figure 2).
L’avantage est de pouvoir ajuster le courant de polarisation
IREF
2 IB
I0
en ajustant simplement RPol. Le gain ne dépend que des
paramètres petits signaux des transistors T1 et T2.
Le schéma équivalent petits signaux est donné figure 3.
RPol
On montre dans celui-ci qu’en dynamique vgs2=vgs3=0 et
T1 VS
que le schéma dynamique peut se réduire à la partie
Vb1
dessinée en trait plein sur le schéma de la figure 3. Le gain
GND
en dynamique vaut alors simplement :
Figure 2
vS
= − g m1 (rce1 // rce 2 )
ve
Celui-ci est donc indépendant de RPol et du courant de polarisation, il a l’avantage d’être très
élevé mais l’inconvénient d’être peu contrôlable.
ve
g m1ve
rce1
rce2
vs
g m 2 v gs 2
g m3 v gs3
rce3
//rbe2
//rbe3
RPol
vgs 2
= v gs 3
Figure 3
Le schéma de la figure 4 montre les limitations en grands signaux et permet d’estimer
l’amplitude maximale qu’il est possible d’obtenir en sortie. Le réseau de caractéristiques du
transistor T1 est tracé en gras, alors qu’en gris on retrouve la caractéristique de la charge due à
T2 et à VCC. On note que ces deux transistors fonctionnent dans leurs « zones actives » si l’on
reste sur le segment [A;B], et donc que la sortie maximale avant déformation est
VSMax=VCC+VCESat2 (point B, le courant de base de T1 correspondant étant IB1B), alors que la
sortie minimale avant écrêtage est VSmin=VCESat1 (courant de base de T1 correspondant : IB1A).
L’excursion maximale de sortie crête à crête ne doit donc pas excéder :
VˆCrête−crête = VCC − VCE Sat1 + VCE Sat 2 (attention, VCESat2<0 !)
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IC
Limite
saturation
de T2
Limite
saturation
de T1
IB1A
A
IB1B
B
VS
VCESat1
VCC+VCESat2
VCC
Figure 4
I.3 Préparation
Il s’agit de comparer le comportement d’un étage émetteur commun chargé par une simple
résistance (figure 5) à celui à charge active chargé par un miroir de courant (figure6).
VCC
VCC
RC
2,4K
VCC
T3
THAT340
T2
THAT340
Vs1
Vs2
Rpol
4,3K
T1
THAT340
T1
THAT340
GBF_
SIN+OFFSET
GND
GBF
SIN+OFFSET
GND
GND
Figure 5
GND
GND
Figure 6
On suppose l’offset du générateur de fonction réglé de sorte à obtenir VS1=VS2=VCC/2 au
repos avec VCC=5V. On prendra pour tous les transistors |VBE|=0,6V, |VCESat|=0,2V, β≈100 et
|VA|=75V (rappel : h11=UT/IB avec UT=26mV à 20°c).
I.3.a : Cas d’une simple charge résistive (figure 5)
● Calculer le courant de repos IC1.
● Calculer le gain dynamique du montage.
● Quelle est l’amplitude maximale crête à crête du signal de sortie avant écrêtage ? Que vaut
l’amplitude du signal d’entrée correspondante ?
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I.3.a : Cas de la charge active (figure 6)
● Calculer le courant de polarisation circulant dans RPol et dans T1 et T2.
● Calculer le gain en tension du montage.
● Quelle est l’amplitude maximale crête à crête du signal de sortie avant écrêtage ? Que vaut
l’amplitude du signal d’entrée correspondante ?
I.4 Mesures
Pour l’ensemble des mesures qui suivent il est préférable de prévoir une synchronisation
externe (sortie TTL du générateur de fonctions sur l’entrée externe de l’oscilloscope…).
Sur les maquettes la polarisation du transistor T1 d’entrée ne se fera par directement par
réglage de l’offset du générateur de fonction mais par un pont diviseur (RB1, RB2) associé à
un potentiomètre P multitours (voir schéma p8 et sur la maquette). L’entrée VE se fera du
coup via une capacité de liaison CE qui introduira une fréquence de coupure à très basse
fréquence du montage.
I.4.a : Cas d’une simple charge résistive (commutateur de la maquette en position 1)
● Etude de la polarisation
Régler le potentiomètre P de façon à obtenir une tension de sortie de VS1=2,5V et mesurer la
tension VBE1.
● Gain dynamique
- Conserver le point de fonctionnement précédent et mesurer le gain dynamique à 10kHz
(attention à bien choisir l’amplitude du signal d’entrée issu du GBF de façon à ne pas saturer
la sortie). Précisez pour cette mesure les réglages effectués sur l’oscilloscope et le générateur
d’entrée et conclure sur la valeur du gain.
- Augmenter l’amplitude du signal d’entrée jusqu’à saturer le signal de sortie. Relever VSMax
crête à crête (utiliser la fonction curseurs de l’oscilloscope). Commentez le résultat.
- Réduire l’amplitude et augmenter la fréquence jusqu’à observer une atténuation du signal de
sortie de 3dB. Noter la valeur de la bande passante du montage.
I.4.b : Cas de la charge active (commutateur de la maquette en position 2)
● Comportement statique
Régler le potentiomètre de façon à obtenir une tension de sortie de VS1=2,5V et mesurer la
tension VBE1.
● Gain dynamique
- Conserver le point de fonctionnement précédent et mesurer le gain dynamique à 10kHz
(attention à bien choisir l’amplitude du signal d’entrée issu du GBF de façon à ne pas saturer
la sortie ; il sera ici nécessaire de régler l’amplitude du signal d’entrée à sa valeur minimale
tout en ajoutant un atténuateur de 20dB en sortie du générateur). Précisez pour cette mesure
les réglages effectués sur l’oscilloscope et le générateur d’entrée et conclure sur la valeur du
gain.
- Augmenter l’amplitude du signal d’entrée jusqu’à saturer le signal de sortie. Relever VSMax
crête à crête. Comparer les résultats à ceux du montage précédent.
- Réduire l’amplitude et augmenter la fréquence jusqu’à observer une atténuation du signal de
sortie de 3dB. Noter la valeur de la bande passante du montage.
● Bilan
Comparer gains, excursions crête à crête et bandes passantes des deux montages. Que dire sur
la linéarité des montages ?
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II AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL ELEMENTAIRE
On se propose dans cette seconde partie d’étudier un amplificateur opérationnel élémentaire
constitué d’un étage différentiel en entrée (T1 et T2), suivi d’un montage émetteur commun
(T5) apportant un gain en tension élevé puis d’un étage de sortie à collecteur commun
garantissant un gain en courant correct. L’ensemble est représenté figure 7.
VCC
VCC
R1
4700
VCC
R2
4700
VCC
RE2
1K
VD
T5
VE
T1A
e1
e2
T2B
GND
VC
VF
RB1
4700
I0
RB2
4700
R4
27K
RC2
24K
VB
T3C
T6
S
GND
GND
VA
T4D
R3
1200
-VCC
RE3
3K
-VCC
-VCC
-VCC
Figure 7
II.1 Etage différentiel
L’amplificateur différentiel est polarisé par une source de courant I0 (courant de collecteur de
T3) réalisée à l’aide de T3, T4, R3 et R4. Le fonctionnement en source de courant de ce
montage n’est garanti que si les transistors T3 et T4 ne sont pas saturés (c'est-à-dire que les
VCE des ces deux transistors doivent être supérieurs à VCESat, usuellement autour de 0,2V).
Cela signifie que le potentiel VC ne doit pas descendre en dessous de R3I0+VCESat3 !
La paire différentielle est chargée par les résistances R1, R2. On vérifiera dans le travail de
préparation que le courant de base de T5 est suffisamment faible devant le courant I0 pour être
négligé dans l’étude de l’étage différentiel seul.
II.2 Etage émetteur commun
Le second étage de type émetteur commun à contre réaction d’émetteur (T5, RE2, RC2). Le
gain dynamique de cet étage est donc donné par les valeurs de RC2 et RE2 (voir cours
d’électronique). La tension maximale en sortie de cet étage (potentiel VF) est limitée par la
présence de RE2 (voir travail de préparation).
II.3 Etage collecteur commun
L’étage de sortie est de type collecteur commun. Son intérêt est de posséder une impédance
de sortie faible, ce qui permet un courant de sortie relativement élevé.
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II.4 Travail de préparation
Tous les transistors du montage sont supposés identiques ; on prendra|VBE|=0,6V, β≈100,
VCC=15V, |VCESat|=0,2V.
II.4.a : Source de courant
● Montrer que l’ensemble T3, T4 R3 et R4 forme une source de courant I0 dont on calculera la
valeur. Pour cela on supposera les courants de bases de T3 et T4 petits devant les courants
collecteur ou émetteur (T3 supposé non saturé).
● Pourquoi le transistor T4 est-il nécessairement non saturé ?
● En dessous de quelles valeurs les potentiels des entrées e1 et e2 ne doivent-ils pas
descendre pour que la source de courant fonctionne correctement ?
(Si I0 n’a pas pu être calculée, prendre 0,5mA pour la suite)
II.4.b : Polarisation
● Etage de sortie (collecteur commun)
On suppose qu’au repos VS=0V. Calculer les valeurs des courants d’émetteur et de base de
T6. En déduire le potentiel VF.
● Etage intermédiaire (émetteur commun)
Calculer les valeurs des courants d’émetteur et de base de T5. En déduire le potentiel VE.
● Etage d’entrée (différentiel)
Calculer les courants de collecteur de base et d’émetteur de T2. En déduire ceux de T1 et les
potentiels e2, VC, e1, VD (attention, les entrées e1 et e2 sont « en l’air » donc les courants de
bases circulent intégralement dans RB1 et RB2).
Que dire de la tension de décalage de cet AO ?
● Reporter les valeurs des potentiels calculés à chaque nœud du montage sur le schéma donné
en fin d’énoncé (document réponse).
II.4.c : Fonctionnement dynamique, calcul des gains
Faire systématiquement les approximations habituelles : β=h21>>1, 1/h22=rce =∞.
● Etage d’entrée (différentiel)
vE
Donner l’expression du gain différentiel : GMD =
puis faire l’application numérique.
e1 − e2
● Etage intermédiaire (émetteur commun)
v
Idem pour le second étage : GEC = F .
vE
● Etage de sortie (collecteur commun)
s
Idem pour l’étage de sortie : GCC =
.
vF
II.4.d : Montage complet
● Que vaut le gain complet ?
● Quelle est l’entrée inverseuse (e1 ou e2) ?
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II.5 Mesures
II.5.a : Polarisation
Alimenter le montage, ne rien placer en entrées e1 et e2 (celles-ci restent « en l’air »).
● Mesurer les potentiels de chaque nœud du montage y compris VCC et –VCC et reporter ces
valeurs sur le schéma du document réponse (utiliser une autre couleur que pour le travail de
préparation). En déduire la valeur de I0.
● Proposer un montage permettant de régler au repos VS=0V. Effectuer ce réglage et mesurer
à nouveau les potentiels aux différents nœuds du montage (valeur à reporter à nouveau sur le
schéma du document réponse d’une autre couleur). Conclure.
II.5.b : Etude dynamique, mesures des gains
Pour toutes les mesures des gains on placera le générateur de fonction sur l’entrée e1 (câble
BNC). L’entrée e2 restera « en l’air » sauf pour la mesure du gain de mode commun où on
reliera e2 à e1. On fera attention à ne pas saturer les sorties ! Précisez systématiquement les
réglages et amplitudes d’entrée et de sorties. Faire ces mesures à 1kHz.
● Mesurer le gain de mode différentiel (GBF sur e1 seulement) de l’étage différentiel :
vE
v
GMD =
≈ E.
e1 − e2 e1
v
v
● Mesurer le gain de mode commun de l’étage différentiel : GMC = E = E . Que vaut le taux
e1 e2
de réjection de mode commun. Conclure sur l’étage différentiel.
v
● Mesurer le gain en tension du second étage : GEC = F .
vE
v
● Mesurer le gain en tension de l’étage de sortie : GCC = S .
vF
II.5.c : Montage complet
vS
v
= S à 1kHz (attention à ne saturer aucun des 3
e1 − e2
e1
étages) et vérifier quelle est l’entrée inverseuse. Augmenter la fréquence et déterminer la
bande passante de l’amplificateur complet (correspondant à une atténuation du gain de 3dB).
● Vérifier le gain complet GCC =
Question subsidiaire
● Câbler l’amplificateur en suiveur et observer la sortie lorsque l’entrée est à 0V. Demander
des explications à l’encadrant…
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ANNEXES
Maquette de la partie I : « Amplificateur à charge active »
Maquette de la partie II : « Amplificateur opérationnel élémentaire »
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