Amplificateur à transistors

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Amplificateur à transistors bipolaires Page - 1 -
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Le travail proposé se déroule sur 4 séances, les maquettes seront conservées d’une
séance à l’autre afin de ne pas perdre de temps. Le travail réalisé et les comptes rendus
seront évalués en cours de séance.
Une seconde série de TP sur les AOP démarrera à la suite de ces 4 séances.
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Amplificateur à transistors
On étudie l’amplificateur à transistors de la figure 1. L’objectif de ces séances est
d’appréhender le rôle des divers étages constituant un amplificateur opérationnel : la paire
différentielle, l’étage de gain et l’étage de puissance (non représenté sur la figure 1). Pour
simplifier le travail ce dernier étage ne sera pas câblé immédiatement, l’étude de l’étage push-
pull se fera éventuellement vers la fin de la série de TP.
La caractérisation portera sur la paire différentielle d’entrée constituée par les transistors PNP
notés Q
1
Q
2
, et sur l’étage de gain constitué lui-même d’un transistor NPN Q
3
monté en
collecteur commun (émetteur suiveur) et d’un transistor NPN Q
4
monté en émetteur commun.
De plus il sera demandé d’étudié l’impact et le rôle de la capacité de compensation C2.
La paire différentielle utilise deux transistors PNP appairés issus d’un circuit intégré CA3096
dont le brochage est donné figure 2. Le reste du montage par commodité sera réalisé avec des
transistors NPN Q2N2222 ou équivalent.
+12V
-12V
e+ e-
00
R1
33k
R2
22k
R3
22k R4
3.3k
R5
330
Rg
50
V1
DC =
AC =
VOFF =
VAMPL =
FREQ =
Q1
CA3096pnp
Q2
CA3096pnp Q3
Q2N2222 Q4
Q2N2222
C2
470p
R11
2k
GBF
Sortie
Figure 1 : Amplificateur à transistors bipolaires.

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Figure 2 : Brochage du CA3096.
Réalisation du montage - Réglage d’offset
Manipulation :
Réaliser le montage complet proposé figure 1. Mesurer la tension continue en sortie du
montage et régler le potentiomètre R11 de telle sorte que cette tension soit nulle.
1 - Etude de la polarisation du montage
Relever avec précision les valeurs des résistances ainsi que celle des tensions de
polarisation et des d’alimentations de votre circuit.
Afin de pouvoir réaliser les études théoriques il sera nécessaire de relever les points de
polarisation des transistors pour obtenir les paramètres statiques et dynamiques: gain statique,
tension d’Early, gain dynamique, résistances dynamiques d’entrée et de sortie. Ces
paramètres seront extraits en utilisant les traceurs de caractéristiques à disposition sur les
paillasses. Attention pour ces mesures les composants doivent être sortis du montage.
1 - 1 - Polarisation de l’étage différentiel :
Dans un premier temps on ne câblera que la paire différentielle seule (Figure 3).
Vérifier par le calcul les valeurs obtenues, en posant les bonnes hypothèses. Quelles est la
valeur limite à donner aux résistances R2 et R3 pour que le transistor fonctionne en régime
actif. Faire varier la tension continue sur une entrée (l’autre est conservée à 0 V) et relever
les variations de tension sur les collecteurs : V
C1
= f(V
e
) et V
C2
= f(V
e
) et sur l’émetteur
V
E
=f(Ve). V
e
est une tension continue appliquée sur une des entrées de la paire différentielle.
Expliquez les résultats obtenus et en déduire la ou les plages de tension que l’on pourra
utiliser correctement.
Retrouver par le calcul la fonction mathématique V
C
=f(Ve). Existe-t-il une limite de
validité de cette expression ?

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+12V
-12V
e+ e-
0
R1
33k
R2
22k
R3
22k
Q1
CA3096pnp
Q2
CA3096pnp
0
Figure 3 : étude de la polarisation de l’étage différentiel.
Pour éviter le problème dû à la résistance R1 sur le comportement de la paire
différentielle concevoir un miroir de courant qui délivrera le même courant permettant de
polariser la paire différentielle.
1 - 2 - Polarisation de l’étage de gain :
Ajouter l’étage de gain au montage :
Vérifier que malgré la présence de cette partie du montage les points de polarisation de
Q1 et de Q2 ne sont pas affectés. Expliquez pourquoi ?
Vérifier que les points de polarisations de Q3 et Q4 sont inchangés et réaliser le calcul
de ces points de fonctionnement.
En introduisant une charge en couplage direct en sortie du circuit calculer et vérifier
quelles en sont les conséquences sur le point de polarisation. Proposer une solution pour éviter
ce problème et la vérifier.
2 – Etude du montage en dynamique
Tracer le diagramme de Bode de votre circuit.
Dans la bande passante :
Donner le schéma équivalent petit signal basse fréquence du montage et calculer les gains en
mode commun et en mode différentiel.
Déterminer qu’elle est l’entrée est déphaseuse et l’entrée non déphaseuse.
Calculer et mesurer le gain de mode commun de votre montage et de la paire différentielle
ainsi que son impédance d’entrée.

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Calculer et mesurer le gain de mode différentiel de votre montage et de la paire différentielle
ainsi que son impédance d’entrée.
Calculer et mesuré l’impédance dynamique de sortie de votre circuit. Conclure sur cette
valeur ?
Définir le taux de réjection du mode commun de votre circuit.
2) Etude du montage en suiveur.
0
00
0
e+
-12V
e-
+12V
R5
330
R4
3.3k
R3
22k
R2
22k
CL
120pF
Rg
50
RL
1Még
Q2
CA3096pnp
Q1
CA3096pnp
V1
DC =
AC =
VOFF =
VAMPL =
FREQ =
R1
Q4
Q2N2222
Q3
Q2N2222
C2
470p
R11
2k
Q6
CA3096pnp
Q5
CA3096pnp
Oscilloscope
GBF
Sortie
Figure 4
L’amplificateur réalisé (figure 4) est monté en suiveur (figure 5).
Figure 6.
-
+ v
s
GBF

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Vérifier le fonctionnement du montage en suiveur.
Entrer une tension carrée. Relever la pente du signal de sortie. Donner la valeur du slew rate
de cet amplificateur.
Montrer que pour une sinusoïde en entrée se phénomène peut également être observé sous
certaines conditions.
Expliciter la variation de tension aux bornes d’un condensateur chargé à courant constant.
Expliciter lors de cet état hors équilibre, la variation de tension obtenue en sortie en fonction
du temps, de I
R2
et de C2.
Remarque : Le slew rate est un état hors équilibre différent des modèles petits signaux
classiquement utilisés. Supposons que la tension d’entrée ε=e
+
-e
-
passe instantanément à une
valeur négative constante suffisante pour bloquer Q2, alors I
E1
=I
C6
≈I
C1
. La tension aux
bornes de R2 dépend des tensions base émetteur de Q3 et Q4 ainsi que de la chute de potentiel
dans R5 (que l’on peut considérer comme constante), Ainsi la tension aux bornes de R2 est
constante. Le courant I
R2
circulant dans R2 reste alors constant et le surplus de courant I
C1
-I
R2
=I
max
≈ I
R2
va permettre de charger le condensateur C2 à courant constant.
Si l’entrée ε passe instantanément à une valeur positive suffisante pour bloquer Q1, alors
I
C1
=0. La tension aux bornes de R2 reste imposée par Q3, Q4 et R5, et maintient le courant
circulant dans R2 constant et égal à I
R2
. Le condensateur C2 se décharge par ce courant
constant.
Rôle de la capacité de compensation.
On conserve le montage suiveur.
Revenir à une tension sinusoïdale et observer le signal de sortie lorsque l’on débranche la
capacité.
On revient à un montage en boucle ouverte capacité débranchée.
Relever la fréquence de coupure du montage non compensé.
Comparer à la valeur trouvée avec la capacité.
3- Etage de sortie Push-Pull.
Attention dans cette partie il est important de vérifier les puissances dissipées.
Cet étage donné figure 7 est destiné à amplifier le courant de sortie de l’amplificateur
opérationnel.
Réaliser dans un premier temps le montage seul tel qu’indiqué sur la figure 7.