Université de Bretagne Sud ELCTRONIQUE ANALOGIQUE L3-PLURI J. LAURENT PLAN DU COURS Introduction : notations Chap 1. Les diodes I. Principe de la diode 1. Semi-conducteurs 2. Dopage 3. Jonction PN - diode a. type N b. type P a. Diode non polarisée b. Polarisation directe c. Polarisation inverse 4. Caractéristique d ’une diode 5. Droite de charge 6. Approximations d ’une diode a. diode idéale b. diode réelle J. LAURENT PLAN DU COURS II. Redressement et filtrage 1. Alimentation stabilisée 2. Transformateur 3. Redresseur demi-onde 4. Redresseur en pont a. diode idéale b. diode réelle 5. Filtrage a. diode idéale b. diode réelle a. signal demi-onde b. signal pleine onde III. Régulation de tension 1. Généralités 2. Diode Zener a. principe J. LAURENT PLAN DU COURS 3. Régulateur Zener b. caractéristique c. régulation de tension d. modélisation a. synoptique b. conduction de la Zener c. analyse des performances 4. Filtrage et diagramme de Bode Chap 2. Le transistor bipolaire I. Présentation 1. Description et symboles a. transistor npn b. transistor pnp 2. Fonctionnement a. transistor non polarisé b. transistor polarisé c. rapport statique a J. LAURENT PLAN DU COURS 3. Caractéristiques a. Transistor interrupteur b. Régime linéaire 6. Circuits de polarisation a. collecteur b. base c. gain en courant 4. Droite de charge statique 5. Régimes linéaire et NL d. tension de claquage e. gain statique b f. conclusion a. de base b. par réaction d ’émetteur c. par réaction de collecteur d. par division de tension 7. Polarisation universelle 8. Circuits à transistors pnp J. LAURENT PLAN DU COURS 3. Caractéristiques a. Transistor interrupteur b. Régime linéaire 6. Circuits de polarisation a. collecteur b. base c. gain en courant 4. Droite de charge statique 5. Régimes linéaire et NL d. tension de claquage e. gain statique b f. conclusion a. de base b. par réaction d ’émetteur c. par réaction de collecteur d. par division de tension 7. Polarisation universelle 8. Circuits à transistors pnp J. LAURENT PLAN DU COURS 3. Montage collecteur commun c. gain en tension à vide d. impédance d ’entrée e. impédance de sortie a. montage initial b. schéma équivalent dynamique c. gain en tension à vide d. impédance d ’entrée e. impédance de sortie 4. Montage à base commune a. montage initial b. schéma équivalent dynamique c. gain en tension à vide d. impédance d ’entrée e. impédance de sortie J. LAURENT PLAN DU COURS Chap 3. Les transistors à effet de champ I. Les JFET 1. Présentation 2. JFET polarisé 3. Caractéristiques a. caractéristiques de drain b. transconductance 4. Circuits de polarisation a. JFET à canal N b. JFET à canal P a. de grille b. automatique c. par diviseur de tension d. de source e. par source de courant 5. Régimes linéaire et non linéaire a. régime non linéaire b. comportement dynamique J. LAURENT PLAN DU COURS 6. Applications à l ’amplification a. amplificateur à source commune b. amplificateur à drain commun c. amplificateur à grille commune II. MOSFET 1. MOSFET à appauvrissement a. présentation b. régimes c. caractéristiques d. polarisation e. applications 2. MOSFET à enrichissement a. présentation b. tension de seuil c. caractéristiques d. polarisation e. polarisations des FET f. applications J. LAURENT Introduction : notations J. LAURENT Introduction : notations V(t) : tension instantanée composée d ’un terme continu V0 et d ’un terme alternatif pur v(t) v(t) = Vmax sin (wt + j) dont Vmax est l ’amplitude crête Veff = Vmax/Ö2 la valeur efficace wt + j : angle en radians w : pulsation en rad/s = 2 p f f : fréquence en Hz = 1/T T : période en secondes j : phase à l ’origine en radians J. LAURENT Introduction : notations Notations en grandeur complexe V = (V ; j) V = V e jj = V (cos j + j sin j) V=a+jb V : grandeur complexe V ou |V| : module (valeur efficace) j : argument a : partie réelle b : partie imaginaire a = V cos j ; b = V sin j V = Ö(a² + b²) ; j = atan b/a J. LAURENT Chap 1. Les diodes J. LAURENT I.1. Semi-conducteurs J. LAURENT I.2. Dopage Semi-conducteur intrinsèque : cristal de silicium pur Dopage : ajout d ’atomes d ’impuretés pour augmenter le nombre de charges à semiconducteur extrinsèque a. Type N ajout d ’atomes à 5 électrons sur la couche périphérique à électrons porteurs majoritaires Arsenic (As), Antimoine (Sb), Phosphore (P) b. Type P ajout d ’atomes à 3 électrons sur la couche périphérique à trous porteurs majoritaires Aluminium (Al), Bore (B), Gallium (Ga) J. LAURENT I.3. Jonction PN - Diode J. LAURENT I.3. Jonction PN - Diode J. LAURENT I.3. Jonction PN - Diode J. LAURENT I.4. Caractéristiques J. LAURENT I.4. Caractéristique J. LAURENT I.4. Caractéristique Polarisation directe : la diode ne conduit pas tant qu ’on n ’a pas surmonté la barrière de potentiel Au-delà de Vd = 0,7 V, une petite augmentation de tension implique une forte augmentation de courant Polarisation inverse : on obtient un courant extrêmement petit diode : conducteur à sens unique Ne pas dépasser la tension de claquageet la puissance limite J. LAURENT I.5. Droite de charge J. LAURENT I.5. Droite de charge J. LAURENT I.6. Approximations J. LAURENT I.6. Approximations J. LAURENT II. Redressement et filtrage J. LAURENT II.2. Transformateur J. LAURENT II.3. Redresseur demi-onde J. LAURENT II.3. Redresseur demi-onde J. LAURENT II.4. Redresseur en pont J. LAURENT II.4. Redresseur en pont J. LAURENT II.5. Filtrage J. LAURENT II.5. Filtrage J. LAURENT III. Régulation de tension J. LAURENT III.1. Généralités J. LAURENT III.2. Diode Zener J. LAURENT III.2. Diode Zener J. LAURENT III.2. Diode Zener J. LAURENT III.3. Régulateur Zener J. LAURENT III.3. Régulateur Zener J. LAURENT III.3. Régulateur Zener J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Lois de base: Loi d’ohm générale: U=ZI I Z U Loi des nœuds: i1 i1 i3 Pour 1 nœud, la somme des courants entrants = somme des courants sortants: ici i3 + i2 = i1 i2 J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Loi des mailles: i1 Somme des tension sur une maille =0 On part d’un point et on revient au même endroit. Z1 i3 Z3 i2 Z4 Z2 Ici: -V + Z1i1+ Z2i2 = 0 Ou: -V + Z1i1+ Z2i3 + Z4i3=0 J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Formule du pont diviseur I V2 = V1* (Z2/(Z1+Z2)) Z1 V2 Z2 V1 Association d’impédances Z1 Série: Zt = Z1+Z2 Z2 Zt J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Parallèle: Zt = (Z1Z2/Z1+Z2) Z1 Zt Z2 Impédance des dipôles passifs Passif: à base de R,L et C -> pertes, pas d’alimentation. Actif: il faut fournir une alimentation continue pour obtenir une amplification de V ou I (T, AOP). J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Résistance: Zr=R -> V=ZrI=RI V et I sont en phase I Zr V Caractéristiques d’une résistance: Valeur en W Précision en % Puissance en W Stabilité (en T°, en temps..) Potentiomètre: R variable Thermistance: R varie en fonction de la température Photo résistance: R varie en fonction de la lumière J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Self inductance ou self: V=Zl*I=jLwI L I V L: inductance en Henri Zl est imaginaire pure et dépend de w, on modélise par approximation le comportement en fréquence. BF: f->0 w->0 Zl->0 L=>CC HF: f->inf Zl->inf L=>CO La self laisse passer le continu mais bloque les HF; elle s’oppose aux variations rapides. En fait la self a une résistance interne r Zl=r+jLw = |Zl|=sqrt(r²+(Lw)²) J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Condensateur: Zc= 1/(jCw) I C V C: capacité en Farad On a une influence de la fréquence qui est l’inverse de la self f->0 Zc-> inf => C=CO f->inf Zc->0 => C=CC Le temps de charge d’un condensateur dépend de t =1/(RC) J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Fonctions de transfert H = Vsortie/Ventrée Impédances d’entrée et de sortie Ze: impédance équivalente vue de l’entrée. Ze=Ve/Ie Zs: impédance équivalente vue de la sortie. Ze=Vs/Is Zg Ze Zs Zl J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Types de filtre Actif, passif (T ou RLC) Passe bas, passe haut, passe bande ou coupe bande Ordre du filtre n (relié au nbre d’éléments C ou L) Fonction du filtre (Butterworth, Chebychev, Bessel…) J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Passe bas 1er ordre R C Ve Passif -> filtre RC C en // -> passe bas Fonction de transfert On regarde la TF à vide H=Vs/Ve = Zc/(Zc+Zr) =1/(1+jRCw) On pose w0=1/(RC) ; w0 pulsation propre D’où H=1/(1+j(w/w0)) Vs Ordre n=1 -> w puissance 1 et 1 condo Etude du module |H|=1/sqrt(1+(w/w0)²) On exprime en dB |H|=20log|H| =-10log(1+(w/w0)²) J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode De manière générale: Atténuation de -20dB/dec ou 6dB/octave La fréquence de coupure est déterminée à -3dB. La bande passante va de 0 à fc |H|dB fc BP=[0;fc] f -20dB/dec J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode De manière générale: Phase de H = arctan(w/w0) Passe bas phase H= -n(p/2) FH fc f -p/2 Forme canonique: H=K/(1+j(w/w0)) J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Passe haut du 1er ordre C Ve R Fonction de transfert Vs H=1/(1-j(1/RCw)); H=1/(1-j(w0/w)) Forme canonique H=K/(1-j(w0/w)) J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Diagramme de Bode |H|dB fc f BP=[f0;inf[ -20dB/dec FH +p/2 f fc J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Passe bande ou coupe bande P bas Combinaison d’un passe haut et d’un passe bas f1 Si f2<f1 Passe bande P haut f2 Si f1<f2 coupe bande J. LAURENT Chap 2. : Transistor bipolaire J. LAURENT I.1. Description et symboles J. LAURENT I.1. Description et symboles J. LAURENT I.2. Fonctionnement J. LAURENT I.2. Fonctionnement Diode émetteur : commande par VBE le nombre d ’électrons libres injectés dans la base 95% des électrons injectés par l ’émetteur atteignent le collecteur IC # IE c. rapport statique = IC /IE souvent > 0,99 d. tension de claquage Breakdown Voltage : dépend du dopage BVBE = 5 à 30 V BVCE = 20 à 300 V J. LAURENT I.2. Fonctionnement e. gain statique = hfe = IC /IB 50 < < 300 (jusqu ’à 1000) f. conclusion transistor bipolaire en régime linéaire si : 1. La diode émetteur soit polarisée en direct 2. La diode collecteur soit polarisée en inverse 3. La tension entre les bornes de la diode collecteur soit inférieure à BVCE Tbip = dispositif actif amplificateur Source de courant IC commandée par IB IE = IC + IB IC # IE J. LAURENT I.3. Caractéristiques J. LAURENT I.3. Caractéristiques J. LAURENT I.4. Droite de charge statique J. LAURENT I.5. Régimes linéaire et NL J. LAURENT I.5. Régimes linéaire et NL J. LAURENT I.6. Circuits de polarisation J. LAURENT I.6. Circuits de polarisation J. LAURENT I.6. Circuits de polarisation J. LAURENT I.7. Polarisation universelle Connus : VCC, R1, R2, RE, RC, T (VBE, b) Inconnus : IB, IC, IE, Vbm, Vem, Vcm Hypo : IB << IR2 alors Vbm # Vcc R2/(R1 + R2) Vem = Vbm - Vbe IE = Vem /RE IC = b IE / (b + 1) Vcm = VCC - RCIC IB = IC / b Vérifier l ’hypo IBmax = IC / bmin << IR2 = Vbm/R2 J. LAURENT I.8. Circuits à transistors pnp J. LAURENT II. Généralités sur l’amplification J. LAURENT II.2. Environnement réel J. LAURENT II.3. Régime petit signal J. LAURENT II.4. Couplage et découplage J. LAURENT II.5. Théorème de superposition Démarche de l ’étude 1. Etude statique grandeurs continues V0, I0 Schéma équivalent statique 2. Etude dynamique grandeurs alternatives v(t), i(t) annuler les sources alternatives (Ve) ouvrir les condensateurs de couplage remplacer les transistors par leur modèle statique annuler les sources continues (Vcc) court-circuiter les condensateurs de couplage remplacer les éléments actifs par leur modèle équivalent dynamique petit signal Schéma équivalent dynamique 3. Etude globale Chaque grandeur est la somme de sa composante continue et de sa composante alternative J. LAURENT III. Régime dynamique J. LAURENT III.1. Modèle dynamique J. LAURENT III.2. Montage émetteur commun J. LAURENT III.2. Montage émetteur commun J. LAURENT III.2. Montage émetteur commun c. Gain en tension à vide G0 si h21 >> 1 alors G0 # - RC/RE Déphasage de p entre ve et vs d. Impédance d ’entrée Ze G0 = vs/ve = - RC h21 /(h11 + RE( h21+ 1)) Ze = RB//(h11 + RE(h21 + 1)) e. Impédance de sortie Zs ZS = RC amplification + déphasage Ze élevée Zs moyenne EC =AMPLI de tension J. LAURENT III.3. Montage collecteur commun J. LAURENT III.3. Montage collecteur commun J. LAURENT III.3. Montage collecteur commun c. Gain en tension à vide G0 G0 = RE (h21 + 1) /(h11 + RE( h21+ 1)) G0 ≤ 1 d. Impédance d ’entrée Ze si h21 >> 1 alors G0 # 1 Ze = RB//(h11 + (RE//ZL)(h21 + 1)) e. Impédance de sortie Zs ZS = RE//((h11 + RB//Zg)/(h21 + 1)) pas d ’amplification ni de déphasage Ze élevée Zs faible CC = SUIVEUR J. LAURENT III.3. Montage base commune J. LAURENT III.3. Montage base commune J. LAURENT III.3. Montage base commune c. Gain en tension à vide G0 d. Impédance d ’entrée Ze G0 = RC h21 / h11 pas de déphasage Ze = RE//(h11/ (h21 + 1)) e. Impédance de sortie Zs ZS = RC forte amplification sans déphasage Ze faible Zs moyenne BC = AMPLI HF J. LAURENT Chap.3 : Les TEC Transistors unipolaires : un seul type de charge (trou ou électron) Transistor à Effet de Champ = TEC Field Effect Transistor = FET 2 familles : JFET : Junction FET ou TEC à jonction MOSFET : Metal-Oxyde- Semiconductor FET commandés par tension 3 électrodes : Drain, Source et Grille J. LAURENT I. JFET J. LAURENT I.2. JFET polarisé J. LAURENT I.3. Caractéristiques J. LAURENT I.3. Caractéristiques J. LAURENT I.4. Circuits de polarisation J. LAURENT I.4. Circuits de polarisation J. LAURENT I.4. Circuits de polarisation J. LAURENT I.4. Circuits de polarisation J. LAURENT I.5. Régimes linéaire et NL J. LAURENT I.5. Régimes linéaire et NL J. LAURENT I.5. Régimes linéaire et NL J. LAURENT I.6. Applications à l’amplification J. LAURENT I.6. Applications à l ’amplification J. LAURENT I.6. Applications à l ’amplification J. LAURENT I.6. Applications à l ’amplification J. LAURENT I.6. Applications à l ’amplification J. LAURENT I.6. Applications à l ’amplification J. LAURENT II. MOSFET J. LAURENT II.1. MOSFET à appauvrissement J. LAURENT II.1. MOSFET à appauvrissement J. LAURENT II.1. MOSFET à appauvrissement J. LAURENT II.1. MOSFET à appauvrissement J. LAURENT II.1. MOSFET à appauvrissement J. LAURENT II.1. MOSFET à appauvrissement J. LAURENT II.2. MOSFET à enrichissement J. LAURENT II.2. MOSFET à enrichissement J. LAURENT II.2. MOSFET à enrichissement J. LAURENT II.2. MOSFET à enrichissement J. LAURENT II.2. MOSFET à enrichissement J. LAURENT II.2. MOSFET à enrichissement J. LAURENT III. AOP Un des composants les plus utilisés et un des plus simples à mettre en œuvre. Présentation C’est un CI comportant de nombreux étages à transistors (20 à 30 T) avec des caractéristiques quasi idéales: Ze = 2MW Zs = 100 W G0 = 200 000 C’est un ampli différentiel avec 2 entrées et 1 sortie V+ + + V- e - J. LAURENT III. AOP e tension différentielle = V+ - VVs = A e avec A: amplification en BO Modèle et caractéristiques is i+=0 V+ e V- Ae Vs i-=0 En pratique Is limité à environ 10mA i- et i+ environ 10-10A Ze de 106 à 1012 W A grand mais dépend de BP Zs de 10W à 100W J. LAURENT III. AOP En régime linéaire e = 0 Vsat+ e Vsat- Régime linéaire et NL La relation i+= i- =0 tjrs vrai. Régime linéaire e = 0 pour cela il faut une contre réaction (sortie reliée à V-) - Ve e + J. LAURENT III. AOP Régime non linéaire alors e≠0 et Vs =+- Vsat AOP en BO donc pas de CR V+ + V- e Vs - Si e>0 alors Vs= Vsat+ Si e<0 alors Vs= VsatQuand e change de signe, la commutation est pratiquement instantanée J. LAURENT III. AOP Réaction (liaison entre la sortie et V+) + Ve - La fraction de Vs réinjectée en entrée est en phase avec V+ donc si V+ augmente, Vs augmente jusqu’à Vsat+ Ici encore, si e>0 Vs=Vsat+ et si e<0 Vs=VsatPour étudier le montage en régime NL: e On détermine l’évolution de V+ et V- pour en déduire e Pour étudier le montage en régime linéaire: On écrit la loi des mailles pour chaque branche avec e =0 On écrit la loi des nœuds pour chaque nœud avec i+ = i- =0 On résout le système d’équations pour exprimer Vs en fct de Ve J. LAURENT III. AOP AOP en régime linéaire Exemples de montages Ampli de tension non inverseur Z2 Z1 - e Ve + Vs G0=1+(z2/z1) Ze ->inf Zs = 0 Montage suiveur V+ + V- Vs Vs= Ve (étage tampon) J. LAURENT III. AOP AOP en régime linéaire Exemples de montages Ampli de tension inverseur Z2 Z1 - e Ve + Vs G0=-(z2/z1) Ze ->z1 Zs = 0 Montage sommateur Z4 Z1 - Z2 Z3 e + Vs Vs= -[(z4/Z1)V1 + (z4/z2)V2 +(z4/z3)V3] J. LAURENT III. AOP AOP en régime linéaire Exemples de montages Ampli différentiel Z2 Z1 - e Z3 + Vs Z4 Vs = [(z1+z2)/z1]x[z4/(z3+z4)]xV2 – (z2/z1)V1 Dérivateur R Vs= -RC dVe/dt e + Vs On produit en sortie un signal rectangulaire si le signal d’entrée est une rampe J. LAURENT III. AOP AOP en régime linéaire Exemples de montages Intégrateur R - e + Vs Vs = -1/(RC) intégral Ve dt J. LAURENT III. AOP AOP en régime linéaire Exemples de montages Filtre actif R2 R1 C2 C1 e + Vs G0 = K/[(1+j(w/w2))x(1-j(w1/w))] Passe bas J. LAURENT Passe haut III. AOP AOP en régime non linéaire Exemples de montages Comparateur à 1 seuil - e Ve + Vs Vref Vsat+ Vref Vsat- J. LAURENT III. AOP AOP en régime non linéaire Exemples de montages Comparateur à hystérésis (ou à 2 seuils) R2 Ve R1 e + - Vs Vref DV Vsat+ Vc Vsat 1 seuil lorsque la grandeur croit Vref+ 1 seuil lorsque la grandeur décroît VrefVref- = [(R1+R2)/R2]Vref – (R1/R2)Vsat DV = Vref+ - Vref- = 2(R1/R2)Vsat Vc = (Vref+ + Vref-)/2 = [(R1+R2)/R2] Vref J. LAURENT BIBLIOGRAPHIE Electronique Dornier Ed Foucher Coll Plein Pot Théorie ISBN 2216-01628-4 Applications et problèmes ISBN 2-216-01629-2 Electronique analogique Merat R. Moreau L.Allay J.P. Dubos J. Lafargue R. Le Goff Ed Nathan Coll Etapes n° 52 ISBN 2-09176893-6 Electronique linéaire : Cours avec exercices et travaux pratiques Blot Dunod Université ISBN 2-10-001133-2 Electronique linéaire : exercices résolus Blot Dunod Université ISBN 2-10-001777-2 Les transistors : Eléments d’intégration des circuits analogiques J. Blot Ed. Dunod Circuits électriques et électroniques Milsant Ed. Ellipses Micro-électronique Millman - A. Grabel Ed. Mac Graw Hill 4 tomes T1 : Dispositifs à semi-conducteurs T2 : Circuits et systèmes numériques T3 : Amplificateurs et systèmes amplificateurs T4 : Traitement de signaux et saisie de données - Electronique de puissance Guide pratique de l’électronique Bourgeron Hachette Technique Guide Pratiques Industriels ISBN 2-01-166590-6 Memotech Electronique Composants J.C. Chauveau G.Chevalier B. Chevalier Coll A. Capliez Educalivre ISBN 2-71351353-7 Guide du technicien en électronique Cimelli R. Bourgeron Hachette Technique ISBN 2- 01-16-6868-9 Technologie des composants électroniques 3 Tomes Besson SECF Ed Radios ISBN 2-7091-0821-6 ISBN 2-7091-0872-0 ISBN 2-70910983-2 Le mémento des fondements de l’électronique Altmann Ed Fréquences Difffusion Eyrolles ISBN 2-903055-26-2 Principes d'électronique A. P. Malvino McGrawHill ISBN : 27042-1176-0 J. LAURENT