Amplificateur a charge active et amplificateur operationnel

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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 :
Pour les polarisations, on supposera VV
BE
6,0= et β=100pour tous les transistors.
I AMPLIFICATEUR A CHARGE ACTIVE
I.1 Rappels sur le miroir de courant
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, T
2
et T
3
sont supposés
rigoureusement identiques car réalisés sur le même substrat
(même puce) ; attention, ici les I
B
, V
BE
, I
C
sont négatifs puisque
les transistors sont de type PNP !
( )
B
I
BECC
REF
I
RVV
I2
1
+−=
+
= β
et
B
II
β
−
=
0
D’où
REFREF
III ≅
+
≅
β
2
1
1
0
car β >> 2
L’impédance en dynamique vue du collecteur de T
2
vaut :
ce
r
h==
2
22
1
2
1
ρ
(paramètre
dynamique du transistor T
2
), avec
2
2
2
A
C
V
I
≅
ρ
(V
A2
tension de Early et
REFC
II ≅
2
courant de
polarisation de T
2
).
I
B
I
B
V
CC
I
0
I
REF
R
I
2 I
B
T
3
T
2
GND
Figure 1
v
be
i
c
i
b
h
21
i
b
h
11
1/h
22
B
E
C
v
ce
v
be
= h
11
i
b
i
c
= h
21
i
b
+ h
22
v
ce
h
22
sera négligeable sauf dans le
montage à charge active

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Amplificateur à charge active et amplificateur opérationnel élémentaire
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 T
1
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
Prendrons l’exemple d’un montage émetteur commun.
Dans un tel montage, il s’agit de remplacer la résistance de
charge habituelle R
C
(voir plus loin la figure 5) par le
miroir de courant précédemment étudié (figure 2).
L’avantage est de pouvoir ajuster le courant de polarisation
en ajustant simplement R
Pol
. Le gain ne dépend que des
paramètres petits signaux des transistors T
1
et T
2
.
Le schéma équivalent petits signaux est donné figure 3.
On montre dans celui-ci qu’en dynamique v
gs2
=v
gs3
=0 et
que le schéma dynamique peut se réduire à la partie
dessinée en trait plein sur le schéma de la figure 3. Le gain
en dynamique vaut alors simplement :
( )
211 // cecem
e
Srrg
v
v−=
Celui-ci est donc indépendant de R
Pol
et du courant de polarisation, il a l’avantage d’être très
élevé mais l’inconvénient d’être peu contrôlable.
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 T
1
est tracé en gras, alors qu’en gris on retrouve la caractéristique de la charge due à
T
2
et à V
CC
. 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
V
SMax
=V
CC
+V
CESat2
(point B, le courant de base de T
1
correspondant étant I
B1B
), alors que la
sortie minimale avant écrêtage est V
Smin
=V
CESat1
(courant de base de T
1
correspondant : I
B1A
).
L’excursion maximale de sortie crête à crête ne doit donc pas excéder :
21
ˆ
Sat
CE
Sat
CECCcrêteCrête
VVVV +−=
−
(attention, V
CESat2
<0 !)
I
B
I
B
V
CC
I
0
I
REF
R
Pol
2 I
B
T
3
T
2
GND
Figure 2
Vb1
T
1
VS
r
ce1 e
v
r
ce2
s
v
em
vg
1
22 gsm
vg
33 gsm
vg
r
ce3
//r
be2
//r
be3
R
Pol
2gs
v
Figure 3
3gs
v
=

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A
B
Limite
saturation
de T
1
Limite
saturation
de T
2
IB1
B
IB1
A
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).
T1
THAT340
T1
THAT340
T2
THAT340
T3
THAT340
4,3K
Rpol
2,4K
RC
GBF
SIN+OFFSET
GND GND GNDGND
VCC VCCVCC
GBF_
SIN+OFFSET
GND
Vs1 Vs2
Figure 5 Figure 6
On suppose l’offset du générateur de fonction réglé de sorte à obtenir V
S1
=V
S2
=V
CC
/2 au
repos avec V
CC
=5V. On prendra pour tous les transistors |V
BE
|=0,6V, |V
CESat
|=0,2V, β≈100 et
|V
A
|=75V (rappel : h
11
=U
T
/I
B
avec U
T
=26mV à 20°c).
I.3.a : Cas d’une simple charge résistive (figure 5)
● Calculer le courant de repos I
C1
.
● 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 ?
VCE
Sat1
V
CC
+VCE
Sat2
V
CC
I
C
VS

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I.3.a : Cas de la charge active (figure 6)
● Calculer le courant de polarisation circulant dans R
Pol
et dans T
1
et T
2
.
● 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 V
S1
=2,5V et mesurer la
tension V
BE1
.
● 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 V
SMax
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 V
S1
=2,5V et mesurer la
tension V
BE1
.
● 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 V
SMax
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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Amplificateur à charge active et amplificateur opérationnel élémentaire
II AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL ELEMENTAIRE
On se propose dans cette seconde partie d’étudier un amplificateur opérationnel élémentaire
constitué d’un étage différentiel en entrée (T
1
et T
2
), suivi d’un montage émetteur commun
(T
5
) 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.
T6
T5
4700
R1 4700 R2
27K
R4
24K
RC2
1K
RE2
3K
RE3
GND
VCCVCCVCC VCC
-VCC -VCC -VCC -VCC
1200
R3
VE
VF
VA
VC
VB
VD
T1A T2B
T3C
T4D
4700
RB1
4700
RB2
GND GND
e1 e2
S
I0
Figure 7
II.1 Etage différentiel
L’amplificateur différentiel est polarisé par une source de courant I
0
(courant de collecteur de
T
3
) réalisée à l’aide de T
3
, T
4
, R
3
et R
4
. Le fonctionnement en source de courant de ce
montage n’est garanti que si les transistors T
3
et T
4
ne sont pas saturés (c'est-à-dire que les
V
CE
des ces deux transistors doivent être supérieurs à V
CESat
, usuellement autour de 0,2V).
Cela signifie que le potentiel VC ne doit pas descendre en dessous de R
3
I
0
+V
CESat3
!
La paire différentielle est chargée par les résistances R
1
, R
2
. On vérifiera dans le travail de
préparation que le courant de base de T
5
est suffisamment faible devant le courant I
0
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 (T
5
, R
E2
, R
C2
). Le
gain dynamique de cet étage est donc donné par les valeurs de R
C2
et R
E2
(voir cours
d’électronique). La tension maximale en sortie de cet étage (potentiel VF) est limitée par la
présence de R
E2
(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.