Amplificateur à transistors
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TP GLEE 502 2012/2013 ******************************************************************** 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. ******************************************************************** 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 pushpull 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 Q1 Q2, et sur l’étage de gain constitué lui-même d’un transistor NPN Q3 monté en collecteur commun (émetteur suiveur) et d’un transistor NPN Q4 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 R1 R11 33k 2k C2 Sortie Q1 CA3096pnp CA3096pnp e+ 470p Q2 eQ3 Q2N2222 R2 R3 22k 22k Q4 Q2N2222 R4 Rg 3.3k R5 330 50 -12V V1 GBF DC = AC = VOFF = 0VAMPL = FREQ = 0 Figure 1 : Amplificateur à transistors bipolaires. Amplificateur à transistors bipolaires Page - 1 - TP GLEE 502 2012/2013 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 : VC1 = f(Ve) et VC2 = f(Ve) et sur l’émetteur VE=f(Ve). Ve 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 VC=f(Ve). Existe-t-il une limite de validité de cette expression ? Amplificateur à transistors bipolaires Page - 2 - TP GLEE 502 2012/2013 +12V R1 33k Q1 e+ Q2 CA3096pnp CA3096pnp e- R2 R3 22k 22k -12V 0 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. Amplificateur à transistors bipolaires Page - 3 - TP GLEE 502 2012/2013 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. +12V Q6 Q5 CA3096pnp CA3096pnp R11 R1 2k C2 Sortie 0 Q1 CA3096pnp CA3096pnp e+ 470p Q2 e- RL Q3 CL 1Még Q2N2222 R2 R3 22k 22k 120pF Q4 Oscilloscope Q2N2222 R4 Rg R5 3.3k 0 330 50 V1 -12V GBF DC = AC = VOFF = 0VAMPL = FREQ = 0 Figure 4 L’amplificateur réalisé (figure 4) est monté en suiveur (figure 5). - + vs GBF Figure 6. Amplificateur à transistors bipolaires Page - 4 - TP GLEE 502 2012/2013 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 IR2 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 IE1=IC6≈IC1. 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 IR2 circulant dans R2 reste alors constant et le surplus de courant IC1-IR2 =Imax ≈ IR2 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 IC1=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 IR2. 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. Amplificateur à transistors bipolaires Page - 5 - TP GLEE 502 2012/2013 12 V Q1 3096NPN R1 47 Sortie R2 47 Rg 50 RL CL 3096PNP 1Még V1 GBF 120pF Q2 DC = AC = VOFF = 0VAMPL = FREQ = Oscilloscope -12 V 0 Figure 7 Observer la forme d’onde obtenue à partir d’une sinusoïde appliquée en entrée. Quel est le gain en tension du montage ? Quel est le gain en courant ? Quel phénomène appelle-t-on la distorsion de croisement ? Quel est le rôle des résistances de 47 Ω ? Pour éviter la distorsion de croisement on utilise un transistor de compensation. Le schéma complet de l’amplificateur est donné figure 8. +12V 12 V R11 R3 Q1 2k 3096NPN 33k 4.7k Q3 Q4 6.8k R12 Q8 R13 R1 47 Sortie 3096NPN C2 e+ CA3096pnp CA3096pnp eQ5 Q2N2222 R4 R2 47 470p 3096PNP Q6 Q2 R5 Q2N2222 22k 22k R6 Rg1 3.3k R7 330 50 V2 -12V -12 V GBF DC = AC = VOFF = 0VAMPL = FREQ = 0 Figure 9 Mesurer la tension entre les bases de Q1 et Q2. Conclure quand à la distorsion de croisement. Vérifier le fonctionnement du montage en boucle ouverte et en suiveur. Amplificateur à transistors bipolaires Page - 6 - TP GLEE 502 2012/2013 ANNEXES Amplificateur à transistors bipolaires Page - 7 -
