République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique UNIVERSITE DES SCIENCES ET DE LA TECHNOLOGIE HOUARI BOUMEDIENE Faculté d’Electronique et d’Informatique Département Télécommunications Rappels de cours d’électronique générale avec exemples A l’usage des étudiants de 2éme année licence : Electronique, Télécommunications et Electrotechnique Réalisé par : Dr Fatma zohra CHELALI Enseignante à l’USTHB, Faculté d’électronique et d’informatique Année universitaire : 2013-2014 Dr. Fatma Zohra CHELALI 1 Préambule Ce polycopie résulte de notes de cours d’Electronique générale que j’ai enseigné au niveau de l’école supérieure des Techniciens d’Aéronautique. Il comporte des notes de cours et quelques exercices d’applications. Le manuscrit est présenté comme suit : Le chapitre 1 présente quelques rappels sur les semi-conducteurs ; Le chapitre 2 présente une étude sur le fonctionnement des diodes ; Le chapitre 3 décrit le transistor à jonction ainsi que ses applications ; Le chapitre 4 présente l’amplification à base de transistors ; Le chapitre 5 présente le transistor à effet de champ ; Le chapitre 6 présente l’amplification à plusieurs étages ; Le chapitre 7 présente l’amplificateur à courant continu. Ce polycopie étant essentiellement un ouvrage d’enseignement, je souhaiterai qu’il soit enrichi dans le futur avec d’autres exemples. J’espère qu’il sera utile pour les étudiants de la deuxième année Licence Electronique, Télécommunications et automatisme. Dr. Fatma Zohra CHELALI 2 Sommaire Rappels fondamentaux .................................................................................................... 5 Conduction dans les solides ............................................................................................. 5 Chapitre I .......................................................................................................................... 5 Les Semi-conducteurs ..................................................................................................... 5 Rappels fondamentaux sur les conducteurs .................................................................. 5 Mécanisme de conduction .................................................................................................................. 5 Mobilité-Résistivité ............................................................................................................................. 5 Isolants ............................................................................................................................... 6 1.1 Définition ..................................................................................................................... 7 1.2 Agitation thermique ................................................................................................... 7 1.3 Résistivité .................................................................................................................... 7 1.4 Les semi-conducteurs extrinsèques .......................................................................... 8 1.4.1 SC extrinsèque type N (SC dopé).............................................................................................. 8 1.4.2 SC extrinsèque type P ................................................................................................................ 9 1.4.3 Relation entre les concentrations en porteurs , résistivité ................................................... 10 1.5 La jonction PN ......................................................................................................... 10 1.5.1 Généralités ............................................................................................................................... 10 1.5.2 Jonction PN non polarisée ...................................................................................................... 11 1.5.3 Jonction PN polarisée .............................................................................................................. 13 Chapitre 2 ........................................................................................................................ 15 La diode à jonction ......................................................................................................... 15 2.1 symbole ..................................................................................................................... 15 2.2 Caractéristique courant – tension.......................................................................... 16 2.3 Diode zener ............................................................................................................... 18 2.4 Fonctions à diodes .................................................................................................... 21 2.4.1 Redressement simple alternance........................................................................................... 21 2.4.2 Redressement double alternance ........................................................................................... 22 2.4.3 Redressement simple alternance avec filtrage...................................................................... 24 2.4.4 Redressement double alternance avec filtrage capacitif ..................................................... 25 2.5 Autres applications ..................................................................................................................... 26 2.5.1 les limiteurs à diode.................................................................................................................. 26 Chapitre III ..................................................................................................................... 29 Le transistor à jonction .................................................................................................. 29 III- Description générale du transistor ........................................................................ 29 III-1- constitution ........................................................................................................... 29 III-2- Principe de fonctionnement et effet transistor .................................................. 29 III-3- Relations fondamentaux ...................................................................................... 31 III-4- Les trois montages fondamentaux à transistors ............................................... 31 III-5- réseaux de caractéristiques du transistor .......................................................... 33 III-6- Polarisation d’un transistor ................................................................................ 37 III-6-1- Polarisation par une résistance unique ............................................................................. 37 III-6-2- Polarisation par pont........................................................................................................... 39 Dr. Fatma Zohra CHELALI 3 III-6-3 résistance entre base et collecteur ....................................................................................... 40 III-6-4- Blocage et saturation d’un transistor ................................................................................ 40 Chapitre IV ..................................................................................................................... 42 Amplification à transistor .............................................................................................. 42 IV-1- Comportement en dynamique............................................................................. 42 IV-1-a-les divers paramètres de définition d’un transistor ........................................................... 42 IV-1-b- les différentes configurations de montage d’un transistor .............................................. 43 IV-2-Schema dynamique du transistor émetteur commun ........................................ 44 IV-3-Amplificateur à émetteur commun ..................................................................... 44 IV-4- Amplificateur émetteur commun avec RE découplée ..................................... 47 IV- 5- Amplificateur à collecteur commun .................................................................. 50 IV-6- Amplificateur à base commune .......................................................................... 53 Chapitre 5 ........................................................................................................................ 58 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP ................................................................ 58 5.1 Introduction ............................................................................................................. 58 5.2 Transistor à effet de champ à jonction .................................................................. 58 2.2.1 Constitution schématique ....................................................................................................... 58 5.2.2 Représentation symbolique .................................................................................................... 58 5.3 Fonctionnement du TEC ........................................................................................ 59 5.4 Polarisation automatique ........................................................................................ 61 5.5 Les applications du transistor à effet de champ .................................................... 61 5.6 Calcul des paramètres dynamiques de l’amplificateur ....................................... 62 Chapitre 6 ........................................................................................................................ 68 Amplification à plusieurs étages ................................................................................... 68 Liaison entre plusieurs étages ( couplage) ................................................................... 68 6.1 La fonction amplification......................................................................................... 68 6.2 Introduction ............................................................................................................. 70 6.3 Couplage par un condensateur ............................................................................. 71 VI- 4- Couplage par transformateur ............................................................................ 72 6.5 couplage direct ......................................................................................................... 73 Chapitre 7 ........................................................................................................................ 75 Amplificateurs à courant continu ................................................................................. 75 7.1 Amplificateur différentiel ....................................................................................... 75 7.1.1 Définition................................................................................................................................... 75 7.1.2 Schéma du montage ................................................................................................................ 75 7.2 Amplificateur opérationnel .................................................................................... 79 7.2.1 Définition.................................................................................................................................. 79 7.2.3 Opérations sur les signaux à laide d’un AOP ....................................................................... 81 7.2.3.3 Intégration et dérivation .................................................................................... 85 7.2.3.4 Amplificateur exponentiel : .................................................................................................... 86 Exercices d’applications ................................................................................................ 89 Dr. Fatma Zohra CHELALI 4 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Rappels fondamentaux Conduction dans les solides Chapitre I Les Semi-conducteurs Rappels fondamentaux sur les conducteurs Les conducteurs ont la propriété de permettre un passage facile du courant électrique. cette propriété est dû au fait que les électrons dits externes se libèrent très facilement de la couche périphérique pour circuler de façon désordonnée à travers le réseau d’ions fixes du cristal . Mécanisme de conduction Appliquer une différence de potentiel revient à appliquer un champ électrique E A l’intérieur du conducteur, dirigé vers le potentiel le plus faible. Sens conventionnel du courant E F é F é e * Les é libres sont alors soumis à une force et acquiérent un mouvement F E d’ensemble vers l’extrémité de potentiel le plus élevé . ce déplacement constitue le courant électrique . Remarque : Le sens de déplacement est l’inverse du sens conventionnel du courant. Mobilité-Résistivité Les é soumis à une force constante devraient selon le principe fondamental de la dynamique prendre un mouvement uniformément accéleré ; or les mailles du reseau ont des dimensions tel que les é en moucvement heurtent sans cesse les ions fixes constituants le motif de ces mailles , ces chocs provoquent un freinage très vite, les é libres acquiérent une vitesse limite que l’on admettera proportionnelle au champ V=µE. Le coefficient de proportionnalité µ s’appelle « mobilité » s’exprime en métres carrés par volt par seconde. E V V Vdt Dr. FZ CHELALI 5 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Soit dQ la charge qui traverse une section droite du conducteur pendant un intervalle de temps dt infiniment petit. dQ=e.n.s.v.dt e :charge de l’électron n :la concentration en électrons par unité de volume . s :section du conducteur. V : vitesse d’écoulement. dQ e.n.s.v Par définition dt et v .E I=e.n.s.µ.E Si on définit la densité de courant dans le conducteur par la relation I J J e.n..E et on tire J .E S Le coefficient dépend de n et µ du matériau , est appellé « conductivité » s’exprime en . 1 .m 1 Son inverse est appelé « résistivité » du conducteur s’exprime en .m I Isolants Les isolants ou diélectriques sont des matériaux ayant une résistivité très élevée : 108 à1016 .m , car ils contiennent très peu d’électrons libres. Un isolant est caractérisé par ses propriétés électriques, mécaniques, chimiques et thermiques. Les isolants interdisent le passage du courant (clacquage de l’isolant) est élevée E E Bc Bc Eg BI Bv Metal Semi- conducteur E Bc Bande interdite Isolant Dr. FZ CHELALI 6 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique La bande de conduction contient des niveaux d’énergie succeptibles d’etre occupés par les é ayant une énergie suffisante pour se libérer de l’attraction du noyau. La bande de valence : succeptible d’etre occuppée par des é de valence lorsqu’ils sont dans leurs états énérgétiques les plus faibles (au zéro absolu). 1.1 Définition Les semi-conducteurs utilisés dans la fabrication des diodes et transistors sont des corps solides qui ont des propriétés intermédiaires entre celles des conducteurs et celles des isolants à la température ordinaire (25°c) . Aux très basses fréquences se comportent comme des isolants et aux températures élevées comme des conducteurs. Etudions la structure d’un semi-conducteur : Silicium L’atome Si a 04 électrons sur la couche externe et pour se mettre à l’état stable ; il forme 04 liens covalents avec les 04 atomes qui l’entourent. 1.2 Agitation thermique Si la température du cristal de Si est supérieure au zéro absolu ; le cristal a reçu de l’énergie sous forme thermique, cet apport d’énergie se traduit par une vibration des atomes. L’amplitude augmente avec l’énergie sous l’action d’une agitation thermique intense, des électrons peuvent quitter leurs atomes d’origine et devenir des é libres. Si Si Si Si Si Electron(-e) Une liaison covalente Trou(+e) Un semiconducteur qui posséde un nombre égal de porteurs de deux éspéces est dit intrinséque (ni=pi) 1.3 Résistivité Si on applique un champ éléctrique à l’intérieur du semiconducteur les porteurs libres prennent un mouvement d’ensemble : - les trous dans le sens du champ. - Les é au sens inverse. Dr. FZ CHELALI 7 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Ce double déplacement constitue le courant électrique. E Vp Vn é Vn é - + On définit pour les porteurs négatifs : Vn=µn .E tel que µn : la mobilité des é Et pour les porteurs positifs : Vp=µp.E tel que µp : mobilité des trous. La conductivité des semi-conducteurs = conductivité des é + conductivité des trous. n p e(ni . n pi . p ) la résistivité : 1 1 1 e(ni n pi p ) e.ni ( n p ) e. pi ( n p ) 1.4 Les semi-conducteurs extrinsèques 1.4.1 SC extrinsèque type N (SC dopé) le dopage d’un SC consiste à introduire des atomes étrangers dans la structure du SC à l’ordre d’un atome d’impuretés pour 100 millions d’atomes de Si ou de Ge . les atomes dopeurs , sont des atomes pentavalents comme L’ARSENIC (AS) ; le phosphore (P) : introduisons un atome pentavalent (P) dans un cristal intrinsèque , cet atome ne peut créer que 04 liaisons avec les 04 atomes du Si voisins. Le 5éme électron non engagé dans une liaison covalente sera facilement expulsé (En=0.01ev) Si Si 5éme é en excès P Si Dr. FZ CHELALI Si Si 8 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Si Electronique et informatique Si Si Electron libre P+ Si Si Ion positif Electron libre (e) Atome donneur Ion positif (P+) 1.4.2 SC extrinsèque type P Si on introduit dans un réseau une impureté trivalente ( Al, Bore, Galium) , les atomes d’impureté ne peuvent établir que 03 liaisons covalentes avec les atomes de Si voisins ( ils fournissent un trou) , une très faible énergie sera nécessaire pour qu’un électron d’une liaison voisine vienne combler ce trou avec apparition d’un nouveau trou ( ces atomes trivalents appelés atomes accepteurs). Trou en excès Si Si B Si Dr. FZ CHELALI Si Si 9 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Ion négatif Si Si Electronique et informatique Si B- Si Si Trou libre 1.4.3 Relation entre les concentrations en porteurs , résistivité Pour un semiconducteur type N : Soit : ND la concentration en atomes donneurs. (nn la concentration en porteurs négatifs (pn la concentration en porteurs positifs Un semiconducteur neutre nn =ND+pn) La concentration en porteurs négatifs ( majoritaires ) est très supérieure à la concentration en porteurs np np positifs ( minoritaires) nn >>pn p n i i i i nn Nd 1 La résistivité N e.N d . n Pour un semiconducteur type P : Soit : Na : concentration en atomes accepteurs. ( np : concentration en porteurs négatifs) ( pp : concentration en porteurs positifs) neutralité électrique du Sc : pp =Na+np la concentration en porteurs positifs >>concentration en porteurs négatifs. Pp>>np c'est-à-dire Pp=Na n .p n .p Pp.np =pi .ni n p i i i i pp Na La résistivité p 1 e.N a . p 1.5 La jonction PN 1.5.1 Généralités On réalise dans un barreau de semiconducteur une conductibilité de type P dans une région et de type N dans l’autre ; la zone de séparation est appelée jonction PN. Dr. FZ CHELALI 10 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Si Si Si Si Electronique et informatique P Si Electron libre Trou Si Si B Si Si Si CRISTAL dopé N Dans la région P : les trous sont porteurs majoritaires et les é sont porteurs minoritaires : les ions sont stables négatifs. Dans la région N : les é sont porteurs majoritaires ; les trous sont porteurs minoritaires : les ions stables sont positifs. P - - N + + - + + Jonction PN 1.5.2 Jonction PN non polarisée 1.5.2.1 Mécanisme et équilibre Dans une jonction PN non polarisée , les porteurs majoritaires auront tendance à diffuser vers la région opposée ou ils sont neutralisés par recombinaison ; on dit qu’il y’a diffusion par porteurs majoritaires . Après diffusion ;il résulte après voisinage de la jonction une disparition de porteurs libres , une charge spatiale négative prend naissance dans la région P , et une charge spatiale positive prend naissance dans la région N ; d’où l’apparition d’un champ éléctrique interne dirigé de N vers P . Dr. FZ CHELALI 11 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique - Un champ interne veut dire création d’une différence de potentiel ; cette ddp est appelée E barriére de potentiel. les trous ( charge +e) sont soumis à qui les renvoie vers la zone P. e. F Ei - les électrons ( charge –e) sont soumis à qui les renvoie vers N. e. Ei F' Eint P - - + N + + - + + + Zone de charge d’espace Remarque : Seuls quelques électrons dotés d’une énergie cinétique suffisante pourront franchir la barriére de potentiel ; ils donnent naissance à un courant naissance à un courant de diffusion Id. Accélère les porteurs minoritaires de chaque région, on a alors création d’un courant de Ei saturation IS . La jonction en circuit ouvert ; un état d’équilibre s’établit : IS=Id . 1.5.2.2 Evaluation du courant Soit Vd= ddp de la barrière de potentiel. Nd le nombre de porteurs majoritaires qui se présentent devant la barrière. Seuls les porteurs qui ont une énergie e.Vd vont traverser la zone de transition. e.Vd ) I D a.N D KT e.V e.V I D a.N 0 . exp( d ) ; I D I 0 . exp( d ) kT kT à l’équilibre : e.V I S I D I 0 . exp( d ) kT N D N 0 . exp( Dr. FZ CHELALI 12 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ 1.5.3 Jonction PN polarisée 1.5.3.1 polarisation directe Electronique et informatique E ext Id Eint Vd IS P N - + On porte l’extrémité de la région P à un potentiel supérieur à celui de l’extrémité de la région N. Une telle ddp crée un nouveau champ externe E et de sens inverse. Ei ext va aider les porteurs majoritaires à se déplacer ( vont franchir la barrière de potentiel) : Id E ext augmente la jonction PN en direct est conductrice. 1.5.3.2 polarisation inverse On porte l’extrémité de la région N à un potentiel supérieur de la région P. Cette nouvelle ddp crée un champ électrique externe < et de même sens. Ei E ext Id Eint Vd IS P - + N Ainsi, la barrière de potentiel est surélevée, le nombre de porteurs majoritaires qui franchissent la barrière diminue. La jonction polarisée en inverse est bloquée tandis que le courant de saturation du aux minoritaires reste constant. 1.5.3.3 Evaluation du courant La jonction PN polarisée en direct (la tension V diminue) I=Id – IS Dr. FZ CHELALI 13 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ I d I 0 . exp e( Avec Electronique et informatique Vd V eV eV ) I 0 exp( d ) * exp( ) kT kT kT eV ) kT eV I I d I S I S exp( ) I S kT eV I I S (exp( ) 1) pour une jonction conductrice. Avec k=1.38*10-23 J/K kT I d I S . exp( la jonction PN polarisée en inverse : le courant qui circule dans le circuit externe est très faible ( la tension V augmente) i i S i2 i S i0 exp( e. V Vd ) kT eV ) KT eV i i S [1 exp( ) KT i i S i S . exp( Dr. FZ CHELALI 14 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Chapitre 2 La diode à jonction 2.1 symbole L’application la plus élémentaire du semi-conducteur dopé est la diode. Les diodes sont des composants actifs qui laissent sens du passer le courant dans un seul sens : celui de leur + courant P N flèche. Les diodes sont formées de deux cristaux semi-conducteurs en Silicium ou en Germanium dopés N ou P. Le courant électrique va dans Anode Cathode le sens P N. Lorsque la diode est passante, l'anode est reliée au + et la cathode au -.En sens inverse, la 0,65V (Si) ou 0,3V (Ge) résistance est très importante (plusieurs centaines de k). Si : VA> VC :la jonction PN est conductrice : diode conductrice Si : VA < VC : la jonction PN est bloquée : diode bloquée Courant traversant la diode : Id = I diffusion – I saturation. P Barrière de Potentiel N Electrons libres Trous I CC CO V Caractéristique d’une diode idéale Dr. FZ CHELALI 15 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique 2.2 Caractéristique courant – tension 2.2.1 polarisation directe Id 0,6V 0,7V SENS INVERSE SENS DIRECT Ud V0: tension du seuil. la résistance Rd de la diode : Id V0 Rd Vd Le courant croit de manière exponentielle puis tend à devenir linéaire à partir d’une tension de seuil V0 : I devient proportionnel à V. V= V0 + K Id =V0 + Rd. Id. Dr. FZ CHELALI 16 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique On écrira donc : Diode( récepteur de Fcem V0 et de résistance interne rd. 2.2.2 Polarisation inverse Id RI grande SENS INVERSE Ud Clacquage Iinv La tension VA-VC est importante et le courant i est faible : on l’appelle courant de fuite .la caractéristique inverse peut être assimilée à une droite passante par 0 Vd = k id . En polarisation inverse, une diode est équivalente à une résistance RI de très grande valeur. Schéma équivalent caractéristique idéale Id V Uinv d Iinv Dr. FZ CHELALI 17 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique 2.2.3 Point de fonctionnement en régime variable Id D1 D2 Ud Le problème consiste à déterminer le point de fonctionnement du montage. Les coordonnées de ce point sont solutions du système : - id = f(Vd) caractéristique du dipôle - Vd= e (t) – R id droite de charge Le point de fonctionnement est donc l’intersection Mt des deux courbes dans le plan (Vd, id). Supposons que e (t) soit de la forme : e (t) =E+em sin (t. e (t) varie entre les valeurs limites. 1ér cas : em faible => le système travaille en régime de petits signaux.=> Régime linéaire . La portion de caractéristique M1 M2 décrite peut-être assimilée à un segment de droite dont la pente est appelée résistance dynamique du dipôle ; on définit : U rd résistance dynamique. i 2éme cas : em important.=> Le système travaille en régime de grand signaux => Il y a distorsion. 2.3 Diode zener la diode zener est une diode a jonction pour laquelle la tension de claquage est connue avec précision la valeur absolue de la tension inverse correspondant au claquage s’appelle : tension de zener Uz0 Dr. FZ CHELALI 18 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Id (mA) Vmax V0 VZ0 Vinv Ud Imin Plage Zener I0 IZmax Quant la tension inverse augmente => le champ électrique augment => Courant électrique inverse intense. La diode en inverse est équivalente à un récepteur de F.c.e.m Uz0 et de résistance interne rz . a- En direct Rd V0=0. 7 b- En inverse Dr. FZ CHELALI 19 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique UZ RZ VZ Tant que la tension E n’atteint pas VZ ; la diode est bloquée : iZ=0. Interrupteur ouvert Dés que la tension E dépasse VZ , la diode Zener est passante. Remarque : Pour une diode Zener idéale : En direct : Vseuil=0 ; rd =0 En inverse : rZ=0. VZ Id V VZ d VZ iZ 2.3.2 Protection contre les surtensions Lorsqu’on veut limiter la tension entre deux points d’un circuit à une valeur V0, il suffit de placer entre ces deux points une diode zener de tension UZ0=V0. Dr. FZ CHELALI 20 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Si e< UZ0 : la diode set bloquée. Si e> UZ0 : la tension à ces bornes reste pratiquement égale à UZ0. 2.4 Fonctions à diodes 2.4.1 Redressement simple alternance Ve VS em de 0 à : Ve > 0 => Va – Vc > 0 : diode passante => Vs =Ve . de à 2 :Ve < 0 => Va - Vc => diode bloquée => Vs =0 . V tension continue : V em Une tension redressée idéale devra comporter seulement la composante continue ; pour caractériser l’écart de ce cas idéal ; on définit le taux d’ondulation résiduelle. V V Dr. FZ CHELALI 21 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique V la moitié de l ' amplitude créte à créte de l’ondulation résiduelle. E 0 Em V d’où : le taux est très élevé. V m V 2 2 2 2.4.2 Redressement double alternance 2.4.2.1 Redressement à prise –médiane (transformateur à point milieu) Un transformateur à point milieu est un transformateur qui permet de délivrer deux tensions de même amplitude et de sens opposée. de 0 à on a : Ve1 0 V AC 1 0 : la diode D1 est passante Ve 2 0 V AC 2 0 : la diode D 2 est bloquée d ' ou VS Ve1 de à 2 on aura : Ve1 0 V AC 1 0 diode D1 bloquée Ve 2 0 V AC 2 0 Diode D 2 passante VS Ve 2 Dr. FZ CHELALI 22 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique 2.4.2.2 Redressement en pont de diode de 0 à on a : D2 et D3 sont conductrices ; D1 et D4 sont bloquées : VS=Ve Dr. FZ CHELALI 23 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique De à 2 on aura : D2 et D3 bloquées ; D1 et D4 conductrices : VS=Ve La valeur moyenne de ce signal redressé est : V 2.E m V E m Le taux d’ondulation : bien meilleur mais encore très élevé. . 2 2Em 4 V 2.4.3 Redressement simple alternance avec filtrage T: période du signal qui .alimente le circuit redresseur .choix de C tel que RC>>T.C Commence à ce charger rapidement dès que e>0, la tension V à ces bornes monte pratiquement jusqu'à Em à t=T/4.A partir de ce moment e décroit et la diode polarisée alors en inverse cesse de conduire, le condensateur commence alors à se décharger à travers R. Cette décharge se poursuit jusqu'à ce qu’elle devienne égale à V (point B). La diode redevienne conductrice et recharge le condensateur jusqu'à point C et ainsi de suite. V A Vmax Vmin B C t Dr. FZ CHELALI 24 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ On définit le taux d’ondulation : Electronique et informatique 1 2.RL .C. f Pratiquement : On calcule le taux d’ondulation comme suit : V V V Vmin avec V max 2 Vmax Vmin V 2 V Vmin d ' ou max Vmax Vmin 2.4.4 Redressement double alternance avec filtrage capacitif Filtrage d’un signal double alternance Soit e Em . sin t on définit le taux d’ondulation : Dr. FZ CHELALI 25 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique V 1 4.R.C. f V f : Fréquence du signal. Le filtrage assure une amélioration du taux d’ondulation (résistance de charge très élevée) Si tend vers 0 => Vs tend vers une tension continue . • Définition : .U = Uond = ONDULATION du signal redressé • Idéalement : signal DC Uond = 0 (en pratique: Uond < <) 2.5 Autres applications 2.5.1 les limiteurs à diode 2.5.1.1 limiteur à un niveau E : tension de référence D : diode réelle. V est de la forme : Vm . sin t avec Vm E On se propose de tracer la caractéristique de transfert U=((V) et determiner graphiquement u(t). *Si V<E+E0 la diode est bloquée, courrant dans R set nul et la tension U sera égale à U=V………..(A) *Si V>E+E0 diode passante, un courant i circule dans R et rd. V ( E E0 ) V-(E+E0) = (R+rd) d’où I 0 R rd On détermine la fonction de transfert U = f(V). U= rd i + (E+E0)………..(1) V=Ri+U ………………(2) . V U De (2) on tire: i R V U rd rd et de (1) on tire : U rd ( ) E E0 U V U E E0 R R R Dr. FZ CHELALI 26 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ U (1 U( Electronique et informatique rd rd ) V E E0 R R R rd rd rd R ) V ( E E0 ) U V .( E E0 )..................( B) R R R rd R rd à partir de (A) et de (B) ; on peut tracer la caractéristique suivante : U U La diode conduit Vm E+E0 Diode bloquée U=V E+E0 V t - Um II-5-1-b- limiteur à deux niveaux : (écréteurs) Soit VR1 et VR2 deux tensions de référence, supposons que VR2 > VR1>>Vd (R>>rd. D1et D2 Dr. FZ CHELALI 27 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ identiques. 1er cas :V<0 Electronique et informatique D1 passante ,D2 bloquée,U=VR1 une droite constante . 2ème cas : 0<V<VR1 U rd .i ( E E0 ) D1 passante , D2 bloquée. V R.i U rd R U .V .( E E0 ) R rd R rd 3éme cas : VR1 V VR 2 ; D1 et D2 sont bloquée U=V droite de pente 1. 4éme cas : V VR 2 D1 est bloquée et D2 passante . U U VR2 VR1 VR1 Dr. FZ CHELALI VR2 V 28 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Chapitre III Le transistor à jonction III- Description générale du transistor III-1- constitution Un transistor à jonction comporte deux jonctions PN réalisés à partie de matériaux semi-conducteurs extrinsèques dopés N(-) et P(+) de façon à obtenir 03 régions : 02 régions de même type séparés par une région de type opposé. Pour les deux types NPN et PNP , les 03 régions semi-conducteurs sont appelés : Emetteur (E) , base (B) , Collecteur(C). N P N Emetteur Base Collecteur P N P + Base +++ Collecteu r Transistor NPN Emetteur + Base Collecteu r PNP Emetteu + +r + III-2- Principe de fonctionnement et effet transistor Dr. FZ CHELALI 29 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Le transistor possède 02 jonctions : Jonction Emetteur-base : E-B Jonction Collecteur-base : C-B Eint N Electrons émis collectés Eint P N IE Ic Diffusion des trous recombinaison Ou le principe dans un transistor PNP la jonction E-B est polarisée en direct , il y’a donc diffusion des électrons majoritaires de l’émetteur vers la base et diffusion des trous majoritaires de la base vers l’émetteur . les é de l’émetteur arrivant dans la base y deviennent porteurs minoritaires dans la base ; ceux qui échappent aux recombinaisons , arrivant aux voisinage de la jonction collecteur-base sont accélérés par le champ interne et propulsés dans le collecteur . pour qu’un nombre maximal des é émis par E soit collecté par « C » , il suffit que le nombre de recombinaisons soit le plus faible possible , cette condition sera remplie si : - la base est très mince et la surface de jonction C-B importante. - La base est très faiblement dopée. Ces particularités de structures étant réalisées , le pourcentage de recombinaisons est très faible et l’ensemble des é émis est collecté presque intégralement , ce phénomène est appelé effet transistor. Dr. FZ CHELALI 30 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique III-3- Relations fondamentaux Soit IE : courant émetteur ; IB : courant de base ; IC : courant collecteur. est appelé Gain en courant. IE=IB+IC IC= .I E I CB0 ICB0 : courant inverse à émetteur ouvert. I C ( I B I C ) I CB0 I c .I c ..I B I CB0 I c (1 ) .I B I CB0 I * I B CB0 1 1 on pose 1 1 1 1 I C * I B ( 1) * I CB0 1 1 IC III-4- Les trois montages fondamentaux à transistors Un transistor est défini comme étant un quadripôle ayant un circuit d’entrée et un circuit de sortie on réalise le transistor à 03 électrodes donc forcément une électrode commune à l’entrée et à la sortie. On obtient 03 montages ou le comportement du transistor est différent : 1-Emetteur commun. 2-Collecteur commun 3-base commune Dr. FZ CHELALI 31 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique III-4-1- Montage EC : Les grandeurs d’entrée : VBE ; IB Les grandeurs de sortie : VCE ; IC III-4-2- Montage BC : Les grandeurs d’entrée VEB ;IE Les grandeurs de sortie : VCB , IC III-4-3- montage CC : Les grandeurs d’entrée VBC , IB Les grandeurs de sortie VEC , IE Dr. FZ CHELALI 32 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique III-5- réseaux de caractéristiques du transistor Déterminer l’état de fonctionnement d’un transistor nécessite la connaissance de 06 variables : -trois courants : IB ; IE ; IC. -trois tensions : VCE ; VBE ; VCB. pour un montage émetteur commun : Ic=f(VCE) pour différentes valeurs de IB Ic=f(IB) pour différentes valeurs de VCE IB=f(VBE) pour différentes valeurs de VCE VBE =f(VCE) pour différentes valeurs de IB. signification des courbes : III-5-1- Ic=f(VCE) à IB différents : Cette famille de courbe permet de calculer la résistance de sortie , son gain en courant et la droite de charge de l’étage. La résistance de sortie du transistor est : VCE RS à I B cons tan t I C Dr. FZ CHELALI 33 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ III-5-2-Ic=f(IB) à VCE différents : cette famille de courbe permet de controler le gain en courant du transistor et l’étude de ces variations . I c I Ic(mA) à VCE cst VCE3 VCE2 Ic1 Ic2 VCE1 IB1 III-5-3- IB=f(VBE) à VCE différents : IB= f(VBE) permet de calculer la résistance D’entrée du transistor : VBE Re I B Electronique et informatique IB2 IB(A) VCE3 VCE2 VCE1 IB à VCE cst IB2 IB1 VBE1 VBE2 Dr. FZ CHELALI VBE (V) 34 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ III-5-4- VBE= f(VCE) à IB différents : Cette famille de courbe permet de déterminer Le taux de contre réaction externe du transistor. Electronique et informatique VBE(v) IB3 VBE VCE IB2 à I B const IB1 VBE1 VBE2 VCE1 VCE2 VCE(v) Courbe de caractéristique d’un transistor : Dr. FZ CHELALI 35 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Dr. FZ CHELALI Electronique et informatique 36 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Caractéristiques idéalisées : III-6- Polarisation d’un transistor La polarisation d’un transistor a pour but l’obtention des conditions de fonctionnement correspondant au régime statique. Le transistor est en régime statique lorsque la jonction E-B est polarisée en direct et la jonction C-B polarisée en inverse, et que le transistor n’est traversé que par des courants continus . les grandeurs électriques ( tension ,courant) prennent des valeurs déterminées notées IB0 , IC0 , VBE0 , VCE0 , l’ensemble de ces valeurs caractérisent l’état du repos du transistor. III-6-1- Polarisation par une résistance unique Détermination de la droite d’attaque : Dr. FZ CHELALI 37 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique VBB polarise en direct la jonction B-E à travers RB. VBB -RB*IB –VBE=0 VBB VBE RB cette relation IB=f( VBE) représente l’équation de la droite d’attaque statique. IB (VBE0 ,IB0) sont les coordonnées du point d’intersection E0 de la droite d’attaque et de la Caractéristique d’entrée du transistor . IB(A) Caractéristique D’entrée VBB/Rb E0 IB0 Droite D’attaque VBE0 Ic (mA) Ic(mA) Détermination de la droite de charge statique : Vcc polarise la jonction C-B en inverse Vcc/Rc A travers Rc . Vcc-Rc Ic – VCE=0. Vcc VCE Cette relation Rc est l’équation de la droite de charge statique les coordonnées du point S0 pour un courant IB0 IC0 Ic Dr. FZ CHELALI VCE0 Vcc VCE 38 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique de base de repos ( VCE0 ; IC0) pour IB=IB0. E0 et S0 sont dits points de repos du transistor. III-6-2- Polarisation par pont on applique le théorème ( on déconnecte la charge entre B et M et on calcule la tension VBM) R2 * Vcc R1 R2 Pour la résistance de thé venin : on court- circuite Vcc et on calcule Req entre B et M : VBM R2 * I p Rth R1 R2 R1 R2 R1 R2 Le circuit équivalent est le suivant : même calcul qu’en III-6-1 pour retrouver Ic0 , IB0 , VCE0 et VBE0. Dr. FZ CHELALI 39 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique III-6-3 résistance entre base et collecteur VCE0-VBE0-RB*IB0=0 VCE 0 VBE 0 I B0 Vcc-Rc*I-VCE0=0 Vcc-Rc(IC0 +IB0)-VCE0=0. RB Vcc VCE 0 I C 0 I B0 On a supposé VBE0 ; IB0 ; VCE0 ; IC0 connus et on détermine les résistances RB et RC. RC III-6-4- Blocage et saturation d’un transistor Ic Vcc/Rc Icsat VCEsat Vcc VCE Le point ou la droite de charge rencontre la courbe IB=0 s’appelle le point de blocage (VCE(blocage)=Vcc). Dr. FZ CHELALI 40 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique L’intersection de la droite de charge et de la courbe IB=IBsat s’appelle le point de saturation ICsat=Vcc /RC et IBsat= ICsat/ . A la saturation VCE = VCEsat : quelques dixièmes de volt . tous les points de fonctionnement entre le blocage et le point de saturation composent la zone dite « active » zone ou le transistor est polarisé normalement et ou l’effet transistor est obtenu. Dr. FZ CHELALI 41 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Chapitre IV Amplification à transistor IV-1- Comportement en dynamique IV-1-a-les divers paramètres de définition d’un transistor Un transistor peut être considéré comme un quadripôle caractérisé par les relations existantes entre les grandeurs d’entrée V1 , I1 et les grandeurs de sortie V2 , I2. On définit un quadripôle par ses paramètres impédances - admittances ou hybrides. I2 I1 V2 V1 V1 Z11.i1 Z12.i2 Les paramétres impédances : V2 Z 21.i1 Z 22.i2 i1 Y11.V1 Y12.V2 Les paramétres admittances : i2 Y21.V1 Y22.V2 V1 h11 .i1 h12..V2 Les paramétres hybrides : i2 h21.i1 h22.V2 Les paramétres hybrides sont les plus utilisés pour l’étude des transistors en régime dynamique en basse et moyenne fréquence. V1 h11 h12 i1 * i2 h21 h22 V2 V Par définition h11 1 V2 0 impédance d’entrée du transistor i1 V h12 1 i1 0 Inverse du gain. V2 i h21 2 V2 0 gain en courant. i1 Dr. FZ CHELALI 42 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ h22 Electronique et informatique i2 i1 0 Admittance de sortie V2 IV-1-b- les différentes configurations de montage d’un transistor IV-1-b-1- Montage base commune ie ic E Veb C Vcb B Veb h11b .ie h12 .Veb ic h21b .ie h22b .Vcb IV-1-b-2- Montage collecteur commun Ib Ie B Vbc E Vec C Vbc h11c .ib h12c .Vec ie h21c .ib h22c .Vec IV-1-b-2- Montage émetteur commun Ib Vbe Ic B C E Vce Vbe h11e .ib h12e .Vce ic h21e .ib h22e .Vce Dr. FZ CHELALI 43 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique IV-2-Schema dynamique du transistor émetteur commun En pratique : h11=1à5 K ; h12=10-4. négligeable h21=50à200 ; h22= 10-5 à 10-7 -1 le schéma dynamique simplifié : IV-3-Amplificateur à émetteur commun Dr. FZ CHELALI 44 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique CE : capacité de découplage. CL : capacité de liaison. Le schéma équivalent en dynamique : On pose R p R1 R1 et R0 Rc RL Le schéma simplifié deviendra : Dr. FZ CHELALI 45 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique 1- Calcul du gain en tension : V GV S gain de l’amplificateur. Ve Ve=h11 . ib ; VS = -R0. iC =- R0. h21. ib V h .R GV S 21 0 la tension VS est déphasée de par rapport à Ve. Ve h11 2- Calcul d’impédance d’entrée Ze : V V Z e e ; on a Ve ( R p h11 ).ie e R p h11 ie ie Ze R p .h11 R p h11 3- Calcul du gain en courant : Rp i Gi c ; ic h21.ib ; ib .ie ie R p h11 ic h .R 21 P ie h11 R p 4- Calcul de l’impédance de sortie : Gi VS eg 0 pour eg=0 ; V1=ib=0 iS iS= iL+iR+iC ; on a ic=0. ZS Dr. FZ CHELALI 46 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ iS Electronique et informatique VS V S i R .R 1 1 S Z S RC RL C L Rc RL VS RC RL RC RL IV-4- Amplificateur émetteur commun avec RE découplée le schéma équivalent en dynamique : 1- Calcul du gain en tension : VS RL .i S RC .i ( RC RL ).iC Ve RB .i ' V V ' h11.ib RE .(iC ib ) VS ( RC RL ).iC ...........................(1) Ve h11.ib RE (ic ib ).................(2) Dr. FZ CHELALI 47 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ iC .ib Vce .h22 ..............(3). VS Vce RE .(ic ib ).........(4) Electronique et informatique VCE VS RE (iC ib ).........(5) (5) dans (3) : ic .ib (VS RE (ic ib )).h22 (4) dans (6) : ic .ib h22 .RE .ib h22 .RE .ic h22 .( Rc RL ).ic D’où l’amplification en courant : i h22 .RE Ai c ib 1 h22 .RE h22 .( Rc RL ) pour h22=0 ; Ai ic Ai .ib .........(7) VS ( Rc RL ) Ai .ib Ve h11.ib RE .( Ai 1)ib GV Ai Ai ( Rc RL ) VS si h22=0 ; h11 RE ( 1) RE . Ve h11 RE ( Ai 1) d’où GV Rc RL RE 2- Impédance d’entrée du montage : V Ve ie i ' ib e ib ; Ve h11.ib RE ( Ai 1).ib ib RB h11 RE ( Ai 1) Ve h11 RE ( Ai 1) Z eT : impédance d ' entrée du transistor ib V V i 1 1 1 ie e e ; e d ' ou Z e Z eT RB RB Z eT Ve RB Z eT Z e 3- Calcul du gain en courant : V Ve i e i ' ib e ib ; ib RB h11 RE ( Ai 1) ic Ai .ib iS Rc .ic Rc RL d ' ou G I ; ib RB .ie RB Z eT iS Rc RB Ai . . ie Rc RL RB Z eT Dr. FZ CHELALI 48 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique 4- Impédance de sortie : ZS VS eg 0 iS i S ic i ic VS Rc ic f (VS ) ic .ib Vce .h22 ; VS Vce RE (ic ib ) Vce VS RE (ic ib ) ic .ib h22 .VS h22 .RE .ic h22 .RE .ib Nœud A : diviseur de courant : RE ib .ic RE h11 R g RB ic h22 .RE .ic .ib h22 .RE .ib h22 .VS .R E 2 h22 .RE ic h22 .RE .ic .ic .ic h22 .VS RE h11 R g RB RE h11 R g RB R ( h22 .RE ) ic 1 h22 RE E h22 .VS RE h11 R g RB 1 1 RE .h22 ( h22 .RE ) ic h22 RE VS RE h11 R g RB 1 1 RE .h22 . ic h22 RE VS RE h11 On néglige Rg RB devant RE+h11 et h22.RE devant Dr. FZ CHELALI 49 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique 1 h22 .RE . RE h11 VS VS ic donc i S .ic 1 RC RE .h22 . RE h11 1 On néglige h22 RE devant iS VS VS 1 Rc RE .h22 . RE h11 i 1 1 1 S 1 ZS VS Rc RE .h22 . RE h11 1 RE .h22 . ) Rc Z S RC RE h11 L’émetteur commun utilisé comme amplificateur : - GV : gain en tension grand. - GI : gain en courant grand. - Ze : impédance d’entrée moyenne. - Zs : impédance d’entrée moyenne. Z S RC ( IV- 5- Amplificateur à collecteur commun Dr. FZ CHELALI 50 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique 1- calcul du gain en tension : V GV S Ve 1 VS (h22 RE RL ).( 1).ib 1 Ve h11.ib VS h11.ib (h22 . RE RL )( 1).ib 1 Ve h11 (h22 RE RL ) .ib 1 ; h11est trés petit devant (h22 RE RL ) / 1 1 (h22 RE RL ).( 1) VS GV 1 Ve (h22 RE RL )( 1) h11 le montage CC n’amplifie pas en tension. Dr. FZ CHELALI 51 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique 2- Impédance d’entrée : V Ze e ie i e i ib ie Ve Ve 1 RB h11 ( 1).(h22 RE RL ) Ve V e RB Z eT Z e RB Z eT ; ie 1 1 1 Ve RB Z eT Z e : grande 3- le gain en courant : i GI S ie i S ( 1).ib . 1 h22 RE 1 22 (h RE ) RL ie f (ib ) ; ie i ib ib ; Z eT RE ( 1).ib RE RL Ve ib R Z eT RB .ie ie ib . B RB Z eT RB d ' ou G I ( 1). RE RB . RE RL Z eT RB : G I grand 4-Impédance de sortie : VS ZS eg 0 iS i S i ' i '' ( 1).ib VS VS i S R h 1 ( 1).ib E 22 VS V (h R R ).I I S 11 g B b b h11 R g RB Dr. FZ CHELALI 52 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ iS Electronique et informatique VS VS VS 1 RE h22 h11 R g RB 1 IS 1 1 1 1 VS R E h22 h11 R g RB 1 1 Z S RE h22 h11 R g RB 1 h11 Rg RB h11 h Z S 11 trés faible 1 1 1 Pour un amplificateur collecteur commun : GV 1; GI grand ; Z e grande ; Z S petite Rg faible IV-6- Amplificateur à base commune Dr. FZ CHELALI 53 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique 1- le gain en tension : V GV S Ve Ve h11.ib ..................(1) VS ( RC RL ).iC ..........(2) iC .ib V S Ve .........(3) 1 h22 2dans (3) iC .Ve VS Ve 1 1 .................(4) h11 h22 h22 (4)et (2)dans (3) iC .ib ( RC RL 1 22 h )ic h11 h22 1 .ib RC R L h11 iC .1 ( 1 )ib 1 h22 h22 Généralement : h22=0 ; ic .ib ..................(5) Dr. FZ CHELALI 54 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ VS ( RC RL ) .ib GV Electronique et informatique ; Ve h11.ib RC RL VS . : grand h11 Ve 2- Impédance d’entrée : V Z e e ; i e i ib i c ie ic .ib ie i ( 1).ib ie Ve V V V ( 1). e e e h11 RE h11 RE 1 Ve : impédance d ' entrée du transistor h11 1 Ie 1 1 1 h Ve Z e RE 11 1 Z e RE h11 h 11 trés faible 1 1 3- Impédance de sortie : Dr. FZ CHELALI 55 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ ZS Electronique et informatique VS eg 0 IS i S i ' iC VS ic RC 1 1 VS h22 .ic .h22 .ib h11.ib ib ( Rg RE ) R g RE h11 1 22 VS [h .iC 1 .h22 ( Rg RE ) h11 R g R E h11 ( R g RE ) h11 R g R E ].iC 1 1 .h22 .( R g RE ) 1 h22 grand : R g VS h22 .iC h11 R g R E 1 h22 ( Rg RE ) VS . .iC h11 RG RE IS VS VS I 1 1 1 S 1 1 RC h22 .( R g RE ) VS Z S RC .h22 .( R g RE ) h11 R g RE h11 R g RE Z S RC 4-le gain en courant : I RC GI S ; I S .I C Ie RC RL IS .RC RC RL RE ie h11 1 RE Dr. FZ CHELALI ; I C .ib ; Z eT h11 ; i '' 1 .ib ; i e i i '' .i '' ; i '' ic ib ( 1)ib RE h RE 11 1 .ie 56 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ RE ie h11 1 RE Electronique et informatique .( 1).ib GI is .RC . ie RC RL GI RC RC RL RE h ( 1).( 11 RE ) 1 L’amplificateur base commune n’amplifie pas en courant. Conclusion : Le gain en tension grand. Le gain en courant 1 Impédance d’entrée faible. Impédance de sortie moyenne. Dr. FZ CHELALI 57 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Chapitre 5 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP 5.1 Introduction Le fonctionnement du transistor fait intervenir deux types de porteurs de charges ; porteurs majoritaires et porteurs minoritaires. Le transistor à effet de champ ne faisant intervenir qu’un seul type de porteurs de charge. On l’appelle aussi transistor unipolaire. Il existe deux familles de transistor à effet de champ : Des transistors à effet de champ à jonction JFET. Des transistors à effet de champ à grille isolée ou le (MOST) (métal oxyde semi-conducteur transistor). 5.2 Transistor à effet de champ à jonction 2.2.1 Constitution schématique Source Drain Grille ou porte Grilles de commande Source Drain Canal N Bague P Substrat N conducteur Zone isolante P commandée par les grilles Le TEC est constitué d’un barreau de Si de forme aplatie ; très souvent de type N ( TEC à canal N) . les soudures placées aux extrémités du barreau sont des contacts purement résistants. Lorsqu’elles sont reliées à un générateur de courant continu convenablement disposé , un courant de porteurs majoritaires traverse le barreau , ces porteurs entrent dans le barreau par l’électrode appelé « source » et en sortent par l’électrode appelé « drain ». une mince couche de silicium P fortement dopé (P+) est déposée sur deux faces latérales opposées du barreau pour former une électrode unique appelée « porte » du transistor. 5.2.2 Représentation symbolique Le FET est un dispositif à 03 électrodes : grille ; source ; drain. + + Drain Drain Grille Source Transistor FET Canal N et bague P (la flèche pénètre) Grilles Source La flèche indique le sens passant de la jonction grille canal. Dr. FZ CHELALI 58 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique 5.2.3 Utilisation Les TEC à jonction sont utilisées comme étage d’entrée dans les étages amplificateurs. 5.3 Fonctionnement du TEC On polarise le TEC à l’aide de deux alimentations variables VGG et VDD . la jonction grille- source est polarisée en inverse par VGG ; le courant qui la traverse est pratiquement nul ; d’où la grande valeur de la résistance d’entrée du FET . Dr. FZ CHELALI 59 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique IS : courant source. ID : courant drain IG : courant grille . I S IG I D IG 0 I S I D 5.3.2 Réseau de sortie La caractéristique ID=f(VDS) se décompose en trois parties : Pour les tensions VDS plus petites que Vp ; le courant ID est proportionnel à VDS. Le barreau se comporte comme une simple résistance. pour les tensions VDS supérieurs à Vp , ID garde une valeur pratiquement nulle constante égale à IDSS ( courant drain maximum pour un TEC) : la plage de saturation est atteinte. On limite la tension VDS à une tension maximale qu’on note VDSmax : la zone de fonctionnement normale d’un transistor à effet de champ est définie par : Vp < VDS < VDSmax 5.3.3 Réseau de transfert ID=f(VGS) à VDS constant : pour un VDs donné ; l’évolution du courant drain en fonction de VGS est représenté par la figure suivante : Dr. FZ CHELALI 60 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique L’équation de définition de cette courbe est donnée par : V I D I DSS (1 GS ) 2 Vp Vp :tension de pincement. Le courant ID est nul pour VGS=Vp . I D On définit la transductance « gm » d’un FET : g m VGS La pente de la courbe Id =f(VGS) peut être définie : I V dI D gm ; g m 2 * dSS (1 GS ) dVGS Vp VP g m g m 0 (1 VGS ) Vp g m élevée VGS 0 I d élevé : forte conduction g m 0 VGS V p I d 0 : faible conduction 5.4 Polarisation automatique la polarisation de la porte est assurée par la chute de tension aux bornes de la résistance. VDD=VDS + RS. IS + Rd. Id. Le courant grille est nul IG=0 ; Id = IS La tension grille VG=0. VGS= VG-VS = - RS. Id Le courant Id induit par VDD dans Rd et RS permet d’assurer automatiquement en relation avec cette dernière la polarisation VGS nécessaire au bon fonctionnement du TEC. 5.5 Les applications du transistor à effet de champ 1- les amplificateurs pour les basses et hautes fréquences. 2- les oscillateurs. 3- les résistances variables. 4-les commutateurs analogiques. 5-les sources de courant constant. Dr. FZ CHELALI 61 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique 5.6 Calcul des paramètres dynamiques de l’amplificateur 5.6.1 Schéma équivalent 5.6.2 Montage source commune avec RS découplée : Calcul du gain en tension : V GV S ; Ve VgS ;VS (r RD RL ) Ve V GV S g m .(r RD RL ) Ve Dr. FZ CHELALI 62 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Impédance d’entrée : V Ze S Ze R Ie Impédance de sortie : i S i id iS VS V g m .v gS S r RD or v gs 0 iS 1 1 ( ) Z S r RD VS r RD 5.6.3 Montage drain commun : le schéma équivalent de ce montage est le suivant : Dr. FZ CHELALI 63 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique 1- calcul du gain en tension : Ve= Vgs+VS VS (r RS RL ).g m .v gs Ve v gs (r RS RL ).g m .v gs Ve 1 (r RS RL ) g m .v gs GV r RS R L VS gm. 1 Ve 1 g m .(r RS RL ) 2- Calcul de l’impédance d’entrée : V Ze e Ze R ie 3- calcul de l’impédance de sortie : V Z S S avec e g 0 iS i S i1 i2 g m .v gs Dr. FZ CHELALI 64 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ iS Electronique et informatique vS vS g m .v gs RS r 0 v gs v S v gs v S iS vS vS 1 g m .v S Z S r RS RS R gm 5.6.4 Montage grille commune : Dr. FZ CHELALI 65 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique 1- calcul du gain en tension : V GV S ;Ve V gS et VS ( R D RL ).id Ve id g m .V gS id g m .v gS id g m .v gs V DS avec V DS VS V gS r VS V gS r ( RD RL ) rd .id v gs r RD R L 1 g m .r id 1 .v gs r r VS ( RD R L ).g m .v gs d ' ou GV R D RL .g m 2- calcul de l’impédance d’entrée : V Ze e ie ie i i d Ve id RS V S Ve ;Ve V gS r Rd R L Rd R L V Ve id g m .Ve e .id d ' ou id 1 g m .Ve r r r r id g m .v gs id 1 r.g m .Ve g m .Ve r RD RL Dr. FZ CHELALI 66 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ ie Electronique et informatique Ve 1 1 g m .Ve Z e RS RS gm gm 3- calcul de l’impédance de sortie : ZS iS VS iS ,.Ve 0; v gs 0 VS VS Z S r RD RD RD r Dr. FZ CHELALI 67 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Chapitre 6 Amplification à plusieurs étages Liaison entre plusieurs étages ( couplage) 6.1 La fonction amplification Un amplificateur est un système qui permet d’accroître l’énergie d’une grandeur physique variable dans le temps sans introduire de distorsions totales des autres caractéristiques. Les amplificateurs ne sont pas parfaits, ils présentent : - une impédance interne. - Leur comportement dépend de la fréquence. - Leurs caractéristique sortie= f( entrée) peut être linéaire ou quelques fois logarithmiques Ve VS charge 1-Amplificateur linéaire la sortie est proportionnelle à l’entrée au moins dans une certaine zone de la caractéristique VS=f(Ve). VS= a . Ve a : pente de la caractéristique de transfert ( gain). VS Zone de saturation >0 Ve Zone de linéarité à x% Zone de saturation <0 Dr. FZ CHELALI 68 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Si l’amplificateur ne débite pas dans une charge , on parle d’un gain à vide ; dans le cas contraire , on définit la gain à charge. 2- caractéristiques dynamiques : On peut classer les amplificateurs selon la grandeur qu’ils permettent principalement d’amplifier ( tension ,courant ou puissance) VS V ou GV (dB) 20. log S Ve Ve i i -gain en courant : Gi S ou Gi (dB) 20. log S ie ie P P -gain en puissance : G p S ou G p (dB) 10 log S Pe Pe - gain en tension : GV 3- Bande passante : la bande passante est le domaine d’utilisation d’un amplificateur ; elle est représentée par le gain en tension en fonction des fréquences des signaux à amplifier GV= h(f) Pratiquement ; on admet que le domaine d’utilisation de l’amplificateur est limité par les fréquences fc1 et fc2 pour lesquels l’affaiblissement de GV est de 3dB par rapport à la valeur maximale de ce gain , donc la bande passante est f c 2 f c1 GV(dB) GVmax Gmax-3 Fc1 Dr. FZ CHELALI fc2 (f) 69 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique 4- Modélisation d’un amplificateur électronique linéaire : Un amplificateur peut être représentée par son schéma équivalent : Ze est l’impédance d’entrée de l’amplificateur. ZS est l’impédance de sortie de l’amplificateur. Zg est l’impédance interne du générateur. Zu : impédance d’utilisation. La connaissance de Ze et ZS est nécessaire afin de réaliser l’adaptation des impédances. Ze=Zg et Zu= ZS 6.2 Introduction Lorsque l’amplification apportée par un seul étage est insuffisante, ou bien lorsque les valeurs d’impédances de sortie et d’entrée ne sont pas compatibles avec les autres éléments de l’ensemble dans les quelles s’intègrent l’amplificateur, il faut associer plusieurs étages en cascade. Dans ce cas la tension d’entrée d’un étage c’est la tension de sortie de celui qui le précède. Vem Quadripôle Amplificateur Q1 GBF Quadripôle Amplificateur Q2 Va m Vs m Supposons un amplificateur à 03 étages suivant : Ie V2 V3 V4 Is Ve 1er étage Dr. FZ CHELALI 2éme étage 3éme étage 70 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Supposons : Av1= gain de l’étage I Av2= // // l’étage II Av3= // // l’étage III a- gain en tension : Av= Av1, Av2, Av3 V4 V4 V3 V2 * * AVT AV 3 * AV 2 * AV 1 V1 V3 V2 V1 b- gain en courant total : AiT= Ai1. Ai2. Ai3 c- gain en puissance ApT= Av. Ai d- Impédance d’entrée : L’impédance d’entrée de la chaîne, c’est l’impédance d’entrée du 1er étage compte tenu de la présence des autre étages et de la charge. Il existe plusieurs types de liaison : 6.3 Couplage par un condensateur C’est la méthode la plus utilisée pour les circuits discrets. Dr. FZ CHELALI 71 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Le signal aux bornes de la résistance de collecteur de chaque étage est transmis à la base de l’étage suivant. Les condensateurs de couplage laissent passer le courant alternatif mais bloquent le courant continu ; Ce qui est nécessaire pour évite r l’interférence et le dé calage des points de repos. L’inconvénient de cette méthode est la limitation en fréquence imposée par les condensateurs de couplage. VI- 4- Couplage par transformateur Soit le schéma d’un tel amplificateur Ce montage met en oeuvre une propriété du montage transformateur pour réaliser cette adaptation d’impédance. La bobine du circuit bouchon est couplée par mutuelle inductance à une autre bobine. Si la résistance d’entrée du seconde étage ( résistance vue entre des points B’ et M) n1 est désignée par Ré tout se passe comme si une résistance Ru= Re' ( ) 2 était disposée en parallèle n2 avec le circuit bouchon. En effet, si un transformateur parfait alimente une résistance R. n1 U1eff= n 2 U2eff n1 n1 n1 U1eff= n 2 R I2ff = * R * ( I1eff * ) n2 n2 Dr. FZ CHELALI 72 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ U1eff R( Electronique et informatique n1 2 ) * I1eff . n2 Enroulement du primaire N1 spires PRIMAIRE / ENTREE Enroulement du secondaire N2 spires SECONDAIRE / SORTIE n1 2 n 2 ) était alimentée directement sous la tension U1. n1 L’ensemble transformateur résistance R peut être remplacé par cette résistance R*( n 2 )2 appelée Tout passe comme si une résistance R ( résistance amenée au primaire. 6.5 couplage direct Dr. FZ CHELALI 73 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Avantages : Amplifie tous les signaux. Inconvénients dans le calcul de la polarisation. Dr. FZ CHELALI 74 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Chapitre 7 Amplificateurs à courant continu 7.1 Amplificateur différentiel 7.1.1 Définition Un amplificateur différentiel permet d’amplifier la différence entre deux signaux, il est souvent utilisé dans l'instrumentation, ou l’on doit effectuer un certain nombre de mesures tel que la pression et la température. Il est réalisé avec des circuits intégrés. Description C’est un amplificateur symétrique, à deux transistors, à deux entrée s, permettant d’obtenir à la sortie une tension proportionnelle à la différence des deux tensions d’ entrées. 7.1.2 Schéma du montage Les deux transistors sont identiques. On applique une tension Ve entre la base et la masse et Ve’ entre la base B’ et la masse. Une tension alternative de sortie est relevée entre les deux collecteurs. Ce circuit est équivalent à un tripole à deux entrées et une sortie. Un amplificateur différentiel peut être défini comme un circuit qui amplifie une différence de signaux et la converti en un signal unique. Dr. FZ CHELALI 75 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique on appelle Ad : le gain de l’amplificateur différentiel + Ie- = 0 Ze- = - Ze+ = + Ie+ = 0 - S = (e+ - e-). Gain en tension infini V0= Ad( Ve- Vè) …….(1) cas d’un amplificateur ideal Si Ve= Vé Vo 0 En réalité la tension de sortie ne s’annule jamais. La sortie Vc ne dépend pas seulement de la différence des deux 02 signaux mais aussi d’un signal appelé : signal de mode commun Vc. Qui est défini par la moyenne des deux signaux d’entrée. 1 Vc= Ve Vé ........2 2 Donc Vo dépend de Vb et Vc. Taux de réjection du mode commun En tenant comte de l’équation(2) on peut dire que la sortie Vo est une combinaison linéaire des deux entrées. Vo= A1 Ve+ A2 Vé………..3 Vo A1= / vé 0 Ve Vo A2= / ve 0 Ve A1 et A2 sont des gains des amplificateurs respectives des entrées quand l’une d’elle est reliée à la masse. Ve+ Vé= 2Vc…………1 Ve- Vé= Vd……………2 1 Ve Vc Vd 2 1 Ve Vc Vd 2 On remplace dans l’équation .3 Vo=1/2 ( A1- A2) Vd + ( A1+ A2) Vc…….……..(4) Dr. FZ CHELALI 76 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Ad=1/2 (A1- A2) gain de l’amplificateur en mode différentiel. Ac= A1 –A2 gain de l’amplificateur en mode commun. Vo= Ad. Vd + Ac. Vc Remarque : Un bon amplificateur différentiel est celui qui possède un gain Ad élevé et Ac nul, d’où on caractérise la performance d’un ampli différentiel pour le taux de rejection en mode commun P= Ad/Ac. Ac=0 P : Amplificateur parfait Ac.Vc Vo= Ad. Vd ( 1+ ( ) …………(5) Ad .Vd Pour un bon ampli différentiel. Vc Ac Vc 1 Vc . . <<1 P >> Vd Ad Vd p Vd Taux de rejection en mode commun P= Ad CMRP Ac Ad CMRP Ac Etude de l’amplificateur en dynamique CMRP dp= 20 log 10 Dr. FZ CHELALI 77 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Vs= -Rc h21* lb On détermine le courant qui traverse RE ie=ib+ h21 * ib+ ib’+h21 * ib’= ( h21+1)ib+(h21+1)ib’ ie= (h21+1) *( ib+ib’) Ve= h11 * ib+ RE*(h21+1)( ib+ib’) Ve= (h11+RE( h21+1)ib+RE(h21+1)ib’…………1 Vé= (h11+RE( h21+1)ib’ + RE(h21+1)ib…………..2 On pose: Ve a * ib b * ib ' Vé a * ib 'b * ib Ve- Vé = (a-b)* ( ib- ib’) Ve-Vé= h11 (ib-ib’) ; a-b=h11 Vs Rc * h21 * ib. Vs ' Rc * h21 * ib '. VS- VS’= -RC h21 *( ib-ib’ ) = - RC(h21/ h11) *( Ve- Vé ) VSS ' Rc * h21 ' * (Ve Ve ) h11 Dr. FZ CHELALI 78 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique 7.2 Amplificateur opérationnel 7.2.1 Définition Un amplificateur opérationnel est un circuit intégré linéaire ; possède une entrée différentielle l’empli schématisé possède 2 entrées , l’une dite inverseuse e- et l’autre appelée entrée non inverseuse e+ + Ie- = 0 Ze- = Ze+ = + Ie+ = 0 + S = (e+ - e-). Gain en tension infini - - Vs= A0 (e -e ) A0 : gain en boule ouverte. 7.2.2 Caractéristiques d’un amplificateur opérationnel : les paramètres qui permettent une définition complète d’un amplificateur opérationnel sont : * le gain en tension en boucle ouverte : le cas idéal A0 infini. En réalité ; ce gain peut être mesurable. Vs Ao= . Ve Ve Vs + - Résistance d’entrée différentielle : La résistance d’entrée des A , OP dépasse le Mega – ohm. Ze= Ex : µA 741 : Ze= 3M Dr. FZ CHELALI Ve ie 79 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Impédance de sortie : L’impédance de sortie est faible. Ex : pour l’amplificateur opérationnel µA741 on a :ZS= 75 Tension résiduelle à l’entrée : (offset) Vs + Ed Vs= A0( e+- e- ) Si on relie les 2 entrée ( e- et e+ ) à la masse , normalement Vs est nul , en réalité on mesure une certaine tension à la sortie de L’ AOP il existe une certaine source de tension de décalage Ed à l’intérieur même de l’amplificateur. Vs= A0. Ed. Ed est du : - dissymétrie des étages différentiels d’entrée du circuit AOP. - Caractéristique d’entrée ib= f( Vbe) des deux transistors . Ex. pour le µA741 : Ed= 15 mv. -Bande passante : La courbe de réponse en fréquence d’un AOP dans le cas général est indiqué ci-dessus. La bande passante est définie par B=fc- fo= fc. Ve Vs + - Dr. FZ CHELALI 80 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Rapport de rejection en mode commun : Quand la tension Ve augmente on remarque que la tension Vs varie . On définit le TRMC (taux de rejection en mode commun) Vec TRMC= Ao Vs Pour le µA 741 : TRMC= 70 db. bruit à l’entrée. Vitesse d’excursion. Puissance consommée par un amplificateur opérationnel. Vs Ve + - 7.2.3 Opérations sur les signaux à laide d’un AOP 7.2.3.1 Amplification : a- Amplificateur inverseur C'est le montage de base à amplificateur opérationnel. L'entrée non inverseuse est reliée à la masse ; le signal d'entrée est relié à l'entrée inverseuse par une résistance R1, et la sortie est reliée à cette entrée par une résistance R2. On considère que l’AOP est idéal : gain infini. Re infinie, Rs nulle. i=0 car Re Ve= R1 *i Vs= - R2 *i L’attaque en tension est effectuée sur l’entrée inverseuse (-). Vs R2 R2 le gain du montage est égal à A= Vs déphasé de par rapport à Ve R1 Ve R1 Dr. FZ CHELALI 81 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Le gain en tension est donc négatif, et sa valeur ne dépend que des deux résistances R1 et R2, qui peuvent être très précises : contrairement aux montages à transistors, le résultat va être fiable. Le calcul de l’impédance d’entrée est simple : Ze Ve R1 i b- Amplificateur non inverseur : R2 et R1 forment un pont diviseur entre Vs et V- , soit : l’attaque en tension s’effectue sur l’entrée non inverseuse(+) A0 i=o Ve= R1 i1 Vs= ( R1+ R2 ) i1 R R2 Vs A: gain en boucle fermée. A 1 Ve R1 Le gain en boucle fermée est imposé par le réseau de contre réaction formé par R1 et R2 . Le gain est non seulement positif (ampli non inverseur), mais il est aussi toujours supérieur à 1, alors que l'ampli non inverseur autorisait un gain (en valeur absolue) inférieur à 1, soit une atténuation. Vm(R1+R2 /2) Vm t Dr. FZ CHELALI 82 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique C- Adaptateur d’impédance ou suiveur en tension : Ce montage est une extrapolation de l'ampli précédent, avec R1 = et R2 = 0. On obtient un montage tout simple, de gain unité, dont la seule fonction est l'adaptation d'impédance. On le placera donc en tampon entre deux portions de circuit de façon à les isoler l'une de l'autre pour prévenir toute interaction parasite. Ce circuit est aussi idéal en entrée et en sortie d'un montage pour bénéficier d'impédance d'entrée infinie (ou presque) et d'impédance de sortie très basse. Ve= Vs transfert de la tension d’entrée vers la sortie (suiveur) 7.2.3.2 Addition et soustraction des signaux analogiques a- Circuit sommateur inverseur: On a souvent besoin de mélanger plusieurs signaux ensemble ; la difficulté réside dans le fait qu'il faut éviter toute interaction de réglage des gains affectés aux différentes entrées. À la base de ce montage, on retrouve l'amplificateur inverseur ; on avait vu que l'entrée inverseuse était considérée comme une masse virtuelle, et qu'aucun courant n'entrait dans l'AOP. De ce fait, chaque courant ii ne dépend que de la tension d'entrée Vei et de Ri relatif à sa branche : il n'y aura donc pas d'interaction entre les différentes entrées. L’AOP est ideal . Ve1=R1*i1 ; Ve2=R2* i2 ; Ve3=R3*i3 En sortie, on a : VS=-R*i= -R*(i1+i2+i3) V V V Vs= - R* e1 e 2 e3 R1 R2 R3 Dr. FZ CHELALI 83 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Dans le cas ou R1= R2= R3= R on aura Vs = - ( Ve1+Ve2+Ve3) le signe (-) est du à l’inversion de phase provoqué par l’AOP On voit qu'on peut ajuster le gain globalement en jouant sur R, et le gain de chaque entrée en jouant sur les résistances Ri. Ce montage offre donc toutes les souplesses. On peut obtenir un additionneur inverseur pur en fixant toutes les résistances du montage à la même valeur. L’impédance d'entrée de chaque voie i est égale à la résistance Ri . b- Circuit soustracteur: Ce montage permet d'amplifier la différence de deux signaux. C'est un montage de base très important en mesures. R2 I1 Vs Ve1 + - I2 Ve2 R3 R4 Ve1= R1 i1 + R4 *i2 Ve2 = ( R3 +R4) i2 Vs= - R2 *i1 + R4 *i2 Ve 2 i2 R3 R4 i1 R4 * Ve 2 ve1 R1 R1 ( R3 R4 ) Vs= - Dr. FZ CHELALI R2 R1 R .V R .V Ve1 4 e 2 4 e 2 R3 R4 R3 R4 84 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Vs= - Electronique et informatique R2 R4 Ve1 * R2 R1 Ve 2 . R1 R1 R3 R4 Dans le cas ou R1= R2=R3= R4= R Vs Ve2 Ve1 7.2.3.3 Intégration et dérivation a- circuit intégrateur : Le calcul de la réponse Vs à un signal d'entrée Ve se traite comme dans le cas de l'amplificateur inverseur. On a : Ve R * i En sortie, le condensateur a aux bornes de ses armatures une charge électrique q égale à : q C * VS Cette charge électrique est l'intégrale du courant i qui traverse le condensateur ; compte tenu du sens de i, on a : q i * dt d’où VS 1 * Ve * dt RC Ce montage est souvent utilisé pour obtenir un signal en dents de scie à partir d’une tension en créneaux. le gain en boucle fermé est donnée dans le cas d’un régime sinusoïdal Vs 1 A Ve JCRW Dr. FZ CHELALI 85 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique b- Circuit dérivateur : Ce montage est similaire au précédent et se traite de la même manière. Ve= 1 idt C Vs= -R*i dVe dt La fonction de transfert est donnée Vs R Vs RCW Ve Z Ve Vs=-R*C La sortie est proportionnelle à la dérivée de l'entrée. Comme pour le montage précédent, avec un amplificateur réel, on aura des difficultés à faire fonctionner ce circuit tel quel (système instable), et il faudra rajouter des éléments pour le rendre pleinement fonctionnel. 7.2.3.4 Amplificateur exponentiel : a- Amplificateur logarithmique : Dans ce montage, on retrouve la structure traditionnelle de l'ampli inverseur, mais avec une diode en contre-réaction. Cette diode, dont la caractéristique courant/tension est logarithmique va nous donner une fonction de transfert de ce type. Ve= Ri Vs=- VD Le courant qui traverse la diode est égal : Dr. FZ CHELALI 86 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ i iS (exp( Electronique et informatique eV D ) 1) kT lorsque Ve est élevée : i iS * exp( eV D ) kT evs Ve= R*is * exp kT D’où VS=K1*lnK2.Ve kT K1 e K2 1 Ri S b- Amplificateur exponentiel : Ve doit être supérieur au seuil de la diode. Par des calculs analogues aux précédents, on démontre facilement et de la même manière : I= is. Exp evd kt evd Vs= - R*is exp kT VS=K1*exp(k2Ve) K1 R * i S e K2 KT En pratique, on trouve des circuits intégrés tout faits comprenant le montage Log, le montage exponentiel, ainsi que les compensations thermiques et diverses possibilités de réglage de gain. Ces montages sont des multiplieurs analogiques, et servent notamment, en mesures, à linéariser certains capteurs. A noter que ces composants sont délicats, coûteux, et présentent des dérives importantes. L'utilité de tels montages est devenue douteuse avec l'introduction massive du traitement numérique. Dr. FZ CHELALI 87 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique 7.2.3.5 L’AOP dans la comparaison Un comparateur est un système à deux entrées et une sortie ; cette dernière prend deux états : un état haut et un état bas. La comparaison est effectuée entre deux signaux analogiques l’un sert de référence et l’autre correspond à un signal d’entrée inconnu qu’on désire comparer en amplitude à la tension de référence. Vref Comparateur VS Ve Le principe est simple : on compare un signal d'entrée à une tension de référence, et selon que la valeur du signal est supérieure ou inférieure à la référence, l'ampli prendra l'une ou l'autre des valeurs Vsat+ ou Vsat- en sortie. Si on met un signal sinusoïdal à l'entrée, les chronogrammes d'entrée et de sortie sont : Dr. FZ CHELALI 88 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Exercices d’applications Chapitre I Les semi-conducteurs EXERCICE N°1 Un barreau de Germanium (Ge) de section 1Cm2 et de longueur l=10cm est placé sous une ddp de 10v. Si les mobilités sont à 300°K ; n=0.38 m2/V.S et p=0.18m2/V.S. Calculer : a- la conductivité et résistivité. b- la vitesse de déplacement des porteurs. c- le courant et densité de courant. La concentration est ni=pi =2.5 1013/cm3. Refaire le même travail pour un barreau de silicium (Si) tel que n=0.13 m2/V.S et ni=pi =1.6.1010 cm-3. Conclure. Solution : paramètre Conductivité Barreau de Ge 0.0224 Barreau de Si 4.608*10-6 -1.cm-1 Résistivité 44.46 21.7*104 .cm Vitesse des porteurs. Courant Vn=38 m/s , Vp=18m/s Vn=13m/s , VP=5m/s 22.4 mA 4.608 A Densité de courant. 224 A/m2 46.08 mA/m2 EXERCICE N°2 A quelle tension le courant inverse d’une diode à jonction atteindra t-il 90% de sa valeur de saturation à la température ambiante normale. Solution : Vi= 0.058V Dr. FZ CHELALI 89 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique La diode à jonction Chapitre II : EXERCICE N° 1 : Dans le schéma ci-dessous P est un potentiomètre et x est la résistance comprise entre le curseur et l’extrémité M. 1- calculer x pour que la diode D soit à la limite du blocage (tension de seuil est de 0.7v). 2- On déplace le curseur du potentiomètre de manière que x = 90 K. Quelle sera l’intensité dans la diode ? Quelles seront les intensités UBM et UAM ? On donne : R= 100 K ; R1= 22K ; R2= 82 K ; UA= 12V. Solution: 1- x 73 K 2- UBM=9.46v ; Ux= 10.8 V. EXERCICE N°2 : Soit le montage suivant: Dr. FZ CHELALI 90 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Calculer le courant qui traverse la diode . Sachant que la tension de seuil V0=0.6v et la résistance dynamique rd=0. On travaillera les deux cas : E= 2V ; R1= 4K ; R2=1K ; R3=200 . E= 8V ; R1= 8K ; R2=2K ; R3=200 . Solution: 1er cas : I=-0.2 mA : la diode est bloquée. 2éme cas : I=555A. EXERCICE N°3 : Soit le circuit suivant avec U1=50V. Déterminer V0 lorsque : a- la diode Zener est idéale. b- L’impédance ZZ est de 10. EXERCICE N° 4: Dans les circuits de la figure, les diodes sont parfaites ; la tension de seuil V0=0 . Résistance dynamique rd=0. La tension d’entrée est e(t)=Vm.sint avec Vm >E. Tracer dans chaque cas les graphes suivants Vs(t) et Vs=f(Ve). Dr. FZ CHELALI 91 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique EXERCICE N°5 : On donne le circuit suivant : R=1K ; EZ=8V ; E0 = Edirect = 0 On donne e(t)=10.sint. Tracer le signal Vs(t). Chapitre III : le Transistor bipolaire EXERCICE N°1 : Un transistor au Si est utilisé dans un montage avec polarisation par pont. On veut déterminer les différents éléments du montage de façon que pour un courant de base de repos Ip= 2mA et Vcc=8V . les coordonnées du point de repos sont : VCE = 4.8 V ; Ic=0.2 A ; VBE=0.68V. 1- Déterminer l’équation de la droite de charge. Calculer Rc. 2- sans négliger IB ; calculer les résistances R1 et R2 pour que le courant traversant R2 soit de 25mA. Dr. FZ CHELALI 92 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Solution : 1- Rc= 16. 2- R1= 278. R2= 27.2. EXERCICE N°2 : Le transistor du montage suivant est caractérisé par le réseau de sortie de la figure n°1-a Son réseau d’entrée est idéalisé comme l’indique la figure n°1-b 1- Par application de la loi des nœuds au point B. Déterminer la relation qui lie VBE . IB , U0 ; Ra et Rb . Retrouver cette relation par application du théorème de Thevenin. 2- Déterminer le point de repos du montage pour U0=10v ; Ra=200K ; Rb=50K et Rc=1K. Dr. FZ CHELALI 93 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Ic(mA) Electronique et informatique VBE(V) 0.6 VCE(V) 30 Figure n° 1-a IB(A) Figure n° 1-b Solution : U .R R .R 1- VBE 0 b a b .I B Ra Rb Ra Rb 2- E0(0.6v, 35A) ; S0( 4.8v ; 5mA). EXERCICE N°3 : +VCC RB = 100k VD D RC = 2k VCOM = 10V VCC = 12V RC VBE = 0,6V IC RB VCOM IB B VBE VCE = 1V C VCE E IC = xIB = 50 IE 1- Exprimez IB en fonction de RB, VCOM et VBE. 2- Calculez IB. Dr. FZ CHELALI 94 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique 3- Exprimez VD en fonction de VCC, RC, IC et VCE. 4- Exprimez VD en fonction de VCC, RC, , IB et VCE. 5-Exprimez VD en fonction de VCC, RC, , VCE, RB, VCOM et VBE. 6-Calculez VD. 7-Calculez IC. EXERCICE N°4 : 1- Exprimez IB en fonction de VE, VBE et RB. 2- Calculez IB. 3- Exprimez VS en fonction de RB, RC, VCC, VE et VBE. 4- Calculez VS. 6- Exprimez IC en fonction de VCC, VS et RC. 7- Calculez IC. 8- Calculez . Dr. FZ CHELALI 95 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique +VCC VCC = 15V VE = 5V RC RB = 10k RB VE VS RC = 470 = 50 Chapitre IV Amplification à transistor : EXERCICE N°1 : Soit le montage suivant : ( h11= r = 1.65K ; = h21 = 110 ; VCE0 =4.5V ; IC0= 3 mA ; IB0=27 A ; VBE0 négligeable , RE=1K ; VCC=9V). 1- Déterminer RC , on admettra par la suite que Rc= RL . 2- Calculer R1 et R2 si le courant Ip =10*IB0 ( Ip dans R1). 3- Donner le schéma équivalent. 4- Calculer GV ; GI ; Re et RS. Solution : 1- Rc= 491. 2- R1=11.21K. et R2=20K. 3- Gi =-0.48 ; GV=16.36 ; Re=14 ; RS=Rc. Dr. FZ CHELALI 96 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique EXERCICE N°2 : Soit le montage collecteur commun. 1- Etablir le schéma équivalent pour l’alternatif. 2- Calculer Re , Ai , AV et RS. Solution : (voir cours). EXERCICE N°3 : On veut que la résistance d’entrée du montage entre la base et la masse Re 1- Exprimer V1 soit de 50. i1 V1 , rg 50 K . Quelle condition est alors vérifiée entre le générateur et l’amplificateur. eg Dr. FZ CHELALI 97 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique 2- On veut que la polarisation du transistor en statique soit tel que VCE VCC ; VEM soit de 2V ; 4 ic=0.5mA et IR1=5*iB. Calculer RC , la somme RE+R’E, R1 et R2 . 3- Représenter le schéma équivalent et on posera RB R1 R2 4- Exprimer la résistance d’entrée Re ; RL RC RU . V1 V ainsi que l’amplification en tension AV 2 i1 V1 Quelles seront les valeurs RE , R’E ,AV. On donne VBE 0.7v; h21 150; h11 r 8K; R4 4K ; rg 50K ; h12 h22 0et VCC 20v Solution : V 1 1- 1 eg 2 2- RE RE ' 4K ; R1 162K ; R2 873K 4- RE 278 ; RE' 3.72K ; AV 10.38 *103 Dr. FZ CHELALI 98 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Chapitre V Transistor à effet de champ EXERCICE N°1 On considère un étage simple à J. FET . On donne comme caractéristique Idss= 6 mA et Vp= 3v. 1°/ - quelle valeur devra t- on donner à R1 pour que le transistor soit polarisé au milieu de sa droite de charge statique. 2°/- quelle est la valeur qu’il convient de donner à Cs pour que la fréquence de coupure basse de cet amplificateur soit égal à 50HZ. Solution : Polarisation médiane VGs= -0.9v VG= 2.1v R1=1M 2/- valeur de Gs Cs = 14.27 MF On choisit une valeur normalisée :Cs= 22 F. EXERCICE N°2 On donne E=30V ; R7=5K R4= 4K R1//R2=3M . Dr. FZ CHELALI 99 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique VR7= 20V ; Idss=10mA; Vp= -6V Pour les 2 TEC on prend le même Idss et le même Vp . 1/- trouver les valeurs de R1 R2 de manière à avoir VR7=20v en régime continu. VS 2°/- Exprimer le gain Gv= en dynamique calculer la résistance d’entrée vue par eg. VE Solution : 1-Id2= 4mA VGs= -2.2v Id1=4.4mA. VGs1= -2.02V. VR2= 15.78 V On utilisé thevenin entre Aet M R1R 2 On a aussi 3M Ω R1 R 2 R1= 5.7 MΩ R2=6.3 MΩ 2-gm1= 2.22 mA/V gm2= 2.11 ma/ V A1= 0.89 A2=0.91 A 0.80 Re= R1//R2 Chapitre 6 : Amplification à plusieurs étages EXERCICE N°1 : 1°/-Donner le schéma équivalent en dynamique 2°/- calculer la résistance d’entrée a/- r de T , Re de l’ampli Dr. FZ CHELALI 100 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique b/- r’ de T’ , Re’ du 2èmè étage . 3- pour le transistor T , calculer la charge Ru en dynamique. ( la charge d’un transistor c’est l’impédance portée par l’électrode de sortie du transistor ) VS ' VS V 'S 4°- calculer ; , Gain total VS Ve Ve 5°- calculer la résistance de sortie de l’ampli // // // du 1er étage Solution : 2°/- calcul de la résistance d’entrée : V a- r e h11 ib ve Re de l’amplificateur = RB // h11 avec RB R1 // R2 ie b- r’ de T’ r’= h11+ (RE//RL) (B’+1) Re’= RB’//r’ 3°/- charge Ru du 1er étage Ru= Rc// Re’ VS ' VS ' VS 4°/ . Ve VS Ve VS ' 1 VS Dr. FZ CHELALI 101 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique Ru h11 5°/- Résistance de sortie du 1er étage Rs=Rc résistance de sortie de l’ampli : Ve=0 h11 * ib 0 ib 0 Gv B Rs= 1 1 B'1 RE ' Rc // RB h11' Chapitre VII Amplificateurs à courant continu EXERCICE N°1 Soit l’amplificateur suivent dont les éléments on t pour valeur : R1= 10KΩ ; R2=1MΩ R3=9.5KΩ ; R4=0.5 KΩ 1°/- Calculer l’amplification en tension a- pour R2 Connectée entre E- et S ( soit G1) b- pour R2 Connectée entre E-et S’ ( soit G2) Solution : 1°/- R2 entre E- et S : G1 100 2/- R2 entre E’ et S’ G2=-2000 EXERCICE N°2 : Soit le montage : a - trouver la relation entre R, R1 , et R2 pour avoir Vs= G ( e1-e2) Dr. FZ CHELALI 102 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique b- calculer R1 et R2 avec R= 18KΩ pour avoir GdB= 20dB Solution : 1°/- relation entre R, R1 et R2 : Vs= G ( e1-e2) la condition pour laquelle Vs= G(e1-e2) R2 ( R R1) . 1; R( R2 R) R2( R R1) d’ou R2 = R1R2 R R2 R 2°/- R1= 2K R2= 162K EXERCICE N°3 : Montrer que le circuit de la figure est équivalent à une résistance négative. L’impédance d’entrée est bien négative Ze=- Dr. FZ CHELALI R1R3 R2 103 Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique EXERCICE N°4 Réaliser avec des amplificateurs opérationnels l’équation suivante Y+3y+5y+f(t)=0 Solution : RC=1 R R R 5; 3; 10 R1 R2 R3 Dr. FZ CHELALI 104