Cours d'Électronique Linéaire : Amplificateurs et Filtres

Université de Yaoundé 1 / Département de Physique. Cours d’électronique linéaire.
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COURS D’ELECTRONIQUE LINEAIRE
Dr. B. BODO
Chapitre 1 : L’Amplificateur opérationnel en mode linéaire.
Chapitre 2 : Le Filtrage analogique
Chapitre3: Synthèse des filtres analogiques
Chapitre : Oscillateurs harmoniques à transistors.
Chapitre : Synthèse des Filtres actifs

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Chapitre 1 : L’ Amplificateur Opérationnel en mode
linéaire
Objectif :
Le tiers environ de tous les circuits intégrés (CI) linéaires est constitué d’amplificateurs opérationnels
(AOP). Ce sont pour la plupart des dispositifs de petite puissance puisqu’ils dissipent moins d’1 W.
L’AOP typique à un gain élevé pour un courant continu dans la bande allant de 0 Hz à 1 MHz. En
pratique, on ajuste le gain en tension et la bande passante de l’AOP en fonction de ses besoins par des
résistances externes. Dans ce cours, nous évoquons de façon linéaire la fabrication d’un CI, ensuite nous
étudions avant les amplificateurs différentiels et achevons le chapitre par l’étude de quelques montages
avec des AOP.
I. Fabrication d’un circuit intégré.
La fabrication des Aop a considérablement évoluée. Initialement, s’ils étaient constitués de composants
discrets et ils sont de nos jours fabriqués sur des puces électronique qui contiennent des centaines de
composants. Il importe donc d’avoir certaines notions de leur fabrication. Le procédé de départ est
l’invention en 1958 d’un employé de Texas Instruments : Jack Kilby. Il existe des CI analogique (dont
le composant le plus simple est le transistor…) et les CI numériques (construit à partir de portes
logiques, c’est l’exemple des composants de logique programmable tel que le FPGA : field-
programmable gate array, réseau de portes programmables ou des PLA : programmable logic array,
réseau logique programmable)
I.1. Substrat P
Le substrat P sert de support aux composants intégrés. Pour le obtenir, le fabricant commence par
produire un cristal dopé P (par exemple) de plusieurs centimètres de long (figure 1.a), qu’il découpe en
plusieurs tranches ou pastilles (figure 1.b). Il rode et polit une des faces de chaque pastille pour la
débarrasser des ses imperfections. On appelle une telle pastille un substrat P.
I.2. Couche épitaxiale N
Le fabricant place ensuite les pastilles dans un four et envoie un mélange gazeux d’atomes de silicium et
d’atomes pentavalents sur elles. Il se forme une mince couche de semiconducteur N sur la surface
chauffée du substrat (figure 1.c). On appelle cette mince couche, la couche épitaxiale. Son épaisseur est
d’environ 2.5
m
µ
à 25
m
µ
(figure 1.c).

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I.3. Couche isolante
Pour éviter toute contamination de la couche épitaxiale, on souffle de l’oxygène pur sur les pastilles.
La combinaison des atomes d’oxygènes et des atomes de silicium forme une couche de dioxyde de
silicium (
2
SiO
) sur la surface (figure 1.d). Cette couche de
2
SiO
semblable à du verre étanchéise la
surface et évite toute réaction chimique ; l’étanchéification de la surface s’appelle la passivation.
I.4. Puces
Rendue à l’étape de la figure 1.d, on procède au quadrillage de la pastille comme illustré à la figure 2. On
obtient ainsi des petits carreaux. Par découpage, chaque petit carreau donnera une puce. Mais avant de
découper de découper la pastille, le fabricant élabore des centaines de composants sur chaque petit
carreau. A partir de chaque pastille, on peut également fabriquer des composants intégrés tels que les
transistors, les diodes où les résistances : on parle de circuits intégrés monolithiques.
II. Amplificateur différentiel ou de différence.
L’amplificateur différentiel sert d’étages d’entrées dans un amplificateur opérationnel. Il nous semble
donc opportun d’étudier l’amplificateur différentiel puisqu’il détermine les caractéristiques d’entrée d’un
amplificateur opérationnel typique.
II.1. Montages Darlington
Figure 1
(a)
Cristal P
Substrat P
(b)
N
Substrat P
de 2.5 à 25
m m
µ µ
N
Substrat P
(c)
Couche épitaxiale
Couche de
2
i
S O
(d)
Figure 2 : Découpage d’une pastille en puces

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Les montages Darlington (les transistors composés) sont des associations de transistors équivalents à un
transistor avec un
β
élevé. A la figure 3, nous avons l’association de deux transistors T1 et T2 de même
type (deux PNP ou deux NPN). T2 est un transistor de puissance donc de gain en courant petit et dont
l’impédance d’entrée
'
11
h
pour le courant nominal est faible ; T1 est un transistor d’usage général de gain
normal. La base du transistor T2 est reliée à l’émetteur de T1 et les deux collecteurs sont reliés.
L’ensemble est un dispositif à trois électrodes équivalent à un transistor unique dont on va déterminer les
paramètres.
Les équations de Kirchhoff donnent :
1 2 1 01 2 2 02
C C C B CE B CE
I I I I I I I
β β = + = + + +
2 1 1 1 01
B E B C B B CE
I I I I I I I
β = = + = + +
d’où :
(
)
(
)
1 1 2 1 2 01 02
1
C B CE CE
I I I I
β β β β β = + + + + +
En considérant que :
1 1 2 1 1 2
β β β β β β
+ +
≃
et que
(
)
0 2 01 02
1
CE CE CE
I I I
β = + + , on a :
0
C B CE
I I I
β = +
En somme :
- Le
β
statique du transistor équivalent est égal au produit des bêta des deux transistors. Il en est de
même pour le bêta dynamique. : C’est l’avantage principale du montage Darlington.
- En revanche,
0
CE
I
le courant inverse du transistor équivalent est plus grand que le courant inverse de
chacun des transistors.
- Le schéma équivalent du transistor est donc (voir figure 4 ci-dessous) :
On peut à l’aide du schéma équivalent dynamique, déterminer les grandeurs suivantes :
IC
IE1
IC1
IC2
IB2
Figure 3 : Montage Darlington à deux transistors NPN
IB =IB1 T1
T2
C
E
B

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 Résistance d’entrée du transistor équivalent.
Par définition :
0
CE
BE
Bv
v
ri
=
=. On montre que La résistance d’entrée du transistor équivalent est deux fois
plus grande que la résistance d’entrée du premier transistor et beaucoup plus grande que la résistance
d’entrée du deuxième transistor.
Quand
0
CE
v
=
, on montre que
1 1 2
r r
β
= et
1
2
r r
=
d’où
1 1 2
2 2
r r r
β
= =
En fait :
1 2 2
BE B B
v ri r i
= +
2 2
2 1 1
CE B
B B B
v r i
i i i βρ
−
= + + or
0
CE
v
=
d’où
( )
(
)
1
22 1 2
12
1
1
1 1
1
B B B B
r
i i i i
r
β
β
ρρ
+
+ = + ⇒=
  +
Il vient donc :
(
)
1
1 2
2
1
1
1
BE B B
v ri r i
r
β
ρ
+
= +
+
d’où
1 2 1
r r r
β
= + avec
2
1
1
r
ρ
≪
et
1
1
β
≪
d’où
2 1
B B
i i
β =
De même et par définition
1 1
11 1
T
C
mV
rs I
β β
= = et
2 2
22 2
T
C
mV
rs I
β β
= = . Où
1
s
(voir
2
s
) est la transconductance
du transistor. De plus
2 2 2 2 1 2 1
C B B C
I I i I
β β β β = = = d’où
1 1 2
r r
β
=. Par conséquent :
1 1 2
2 2
r r r
β
= =
 Résistance de sortie du transistor équivalent.
Par définition :
0
B
CE
Ci
v
i
ρ
=
=. On établit que dans tous les cas, la résistance de sortie du transistor
équivalent
ρ
est inférieure à la résistance de sortie du deuxième transistor et très inférieure à celle du
premier transistor (en fait
1
2
2
ρ
ρρ
ρ
ρ
ρρ
ρ
β
ββ
β
=
==
=). On montre que :
1 2
2
2 2
ρ ρ
ρβ = = .
1
B B
i i
=
BE
v
1
β
B
i
1
ρ
1
r
C
i
CE
v
●
●
●
● ●
r2
2
ρ
2 2
β
B
i
Figure 4
2
B
i