amplificateur differentiel a transistors

T.P. d'Electronique
3ème année
AMPLIFICATEUR DIFFERENTIEL
A TRANSISTORS
1. - RAPPELS THEORIQUES
Un amplificateur différentiel doit amplifier la différence entre deux signaux. Pour un
amplificateur différentiel de type tension, les signaux d'entrée sont deux tensions V1 et V2 et le signal
de sortie une tension Vs telle que:
v
s

A (v
d
1
 v2)
Cette relation est caractéristique d'un amplificateur différentiel idéal: tout signal commun aux
deux entrées n'a aucun effet sur le signal de sortie. Cependant, dans un amplificateur réel la sortie
dépend non seulement du signal différence:
Vd  V1  V2
mais aussi du niveau moyen des entrées, appelé signal mode commun:
vc 
v1  v 2
2
La tension de sortie Vs peut s'écrire en fonction des gains A 1 et A2 de l'amplificateur
différentiel, définis respectivement pour (V1, V2 = 0) et (V1 = 0, V2):
v s  A1v1  A 2 v2
Pour un amplificateur idéal on doit avoir naturellement A1 = -A2
• En utilisant les relations ci-dessus montrer que:
v A v Av
s
d
d
c
c
où Ad est le gain différentiel défini par:
Ad 
A1 A 2 
2
vs
v1  v2
avec
V1 + V 2 = 0
et Ac est le gain en mode commun défini par:
A c  A 1 A 2 
2 vs
v1  v2
avec
V1 - V2 = 0
Le rapport de réjection en mode commun RRMC (ou CMRR en notation anglo-saxonne), illustre
le mérite d'un amplificateur différentiel. Il décrit le pouvoir de séparation entre la différence de deux
signaux et leur valeur commune. Il est défini par :
RRMC   
Le signal de sortie peut alors s'écrire :
Ad
Ac
1
v s  A d v d (1 
1

vc
vd
vc )
vd
représente le terme d'erreur par rapport à un amplificateur différentiel idéal.
Plus  est grand plus ce terme est petit. L'amplificateur idéal a un RRMC infini.
Nous allons calculer  dans le cas d'un amplificateur différentiel simplifié (Figure 1).
+Vcc
Rc
Rc
Vs
T1
+
-
T2
+
Re
V1
V2
-V cc
Figure 1: Exemple d'amplificateur différentiel simplifié
Nous sommes en présence d'un montage parfaitement symétrique qui fonctionne aussi bien
en continu qu'en alternatif. L'amplificateur est polarisé entre +Vcc et -Vcc, la masse étant le point
milieu de l'alimentation.
1.1 - GAIN EN MODE COMMUN
Appliquons à l'entrée de l'amplificateur
v1  v 2  v
Dans le cas où les transistors sont identiques la résistance Re sera parcourue par un courant
 ie1 ie2  2 ie1  2
i
ie2
Pour l'étude en mode commun le montage peut donc être simplifié comme indiqué Figure 2.
Vs
+Vcc
Rc
2 Re
+
-V cc
V
Figure 2 : Schéma simplifié en mode commun
• Justifier les simplifications adoptées.
• En utilisant les paramètres hybrides du transistor en montage émetteur commun, dans le cas où on
néglige les paramètres h12 et h22, montrer qu'en régime dynamique le gain en mode commun
s'écrit
Ac 
2vs  vs 
h21Rc
v1  v2 v h11 2Re (1h21)
1.2 - GAIN DIFFERENTIEL
Si on applique à l'amplificateur deux tensions V1 et V2 telles que :
v
v1  v 2  2
Nous avons alors dans le cas de transistors identiques ie1 = - ie2. La résistance Re n'étant plus
traversée par aucun courant, la chute de tension à ses bornes est nulle. Indiquer quel est alors le
schéma simplifié du montage et en déduire le gain différentiel :
Ad 
v s  v s  h21R c
v1 v2 v 2h11
1.3 - RAPPORT DE REJECTION EN MODE COMMUN
RRMC
 
Ad
Ac

1
1h21  1 h21
 Re
Re
2
h11
h11
On voit que plus Re est grand plus le caractère différentiel de l'amplificateur sera affirmé.
Toutefois, la valeur de Re est limitée par la chute de potentiel en continu à ses bornes, d'où l'intérêt de
placer un générateur de courant dans le circuit émetteur. Un schéma possible pour l'amplificateur
différentiel est celui de la Figure 3.
+Vcc
Rc
Rc
Vs
T1
T2
+
+
V1
-
T
-
V2
3
R1
R2
R3
-V cc
Figure 3: Schéma classique
Par R1 et R2 on ajuste le courant dans T 3 à la valeur qu'il avait dans la résistance Re. D'autre
part on peut montrer que l'impédance constituée par T 3 est assez élevée (de l'ordre de quelques
centaines de k), on est donc bien en présence d'une source de courant (impédance élevée et
courant constant).
•Montrer sans calcul comment R1, R2 et R3 peuvent maintenir un courant collecteur constant
dans T3.
1.4 - AMPLIFICATEUR DIFFERENTIEL ETUDIE
Le schéma de l'amplificateur étudié est le suivant:
+Vcc = 15V
15 k
56 k
1,5 k
1,5 k
V1 -
+
27 k
VS2
VS1
T1
T2
50 k
V2
T3
27 k
10 k
1,8 k
180 
Figure 4
• Indiquer brièvement quel est le rôle des capacités figurant dans ce montage ainsi que celui
du potentiomètre P.
Nous disposons sur ce montage de deux sorties Vs1 et Vs2 par rapport à la masse. La sortie
différentielle sera prise entre les deux collecteurs et sera notée:
v12  vs1 vs2
Chacune des tensions de sorties Vs1 et Vs2 peut s'écrire en fonction des tensions d'entrées sur les
transistors V1 et V2 ainsi qu'en fonction de leurs différences sous la forme:
v s1  S11v1  S12 ( v1  v2)
v s2  S22 v2  S21( v 2  v1)
• Montrer que:
v12  vs  vs1  vs2  vc (S11 S22)  vd (S12  S 21
S11  S22 ) 
2
A c v c  A d v d
A  S 11 S 22
c
A
d

S
12
 S 21
S

11
 S 22
2
===>

A
A
d
c

S
12
 S 21 
S
11
S
11
 S 22
 S 22
2
L'intérêt des notations adoptées est que chacun des paramètres Sij est aisément accessible à la
mesure. La manière de procéder pour obtenir les différents paramètres est décrite au paragraphe
2.1.2.
2. - MANIPULATION
On cherche à déterminer | Ad |, | Ac | et |  | en fonction de la polarisation de T 1 et T2.
2.1 - Mesure à l'équilibre
2.1.1 – Equilibrage

Polariser le montage en continu.

L’équilibrage se fait en l'absence de courant alternatif. Cependant, si les deux entrées
sont laissées ‘’en l’air’’, le gain de l’amplificateur est tel que les parasites captés en entrée
suffisent à envoyer les sorties en saturation. Pour éviter cela, placer les 2 entrées à la
masse.

Equilibrer ensuite les tensions continues des collecteurs de T 1 et T2 par action sur le
potentiomètre P.
On doit obtenir

Vs1 = Vs2
==>
V12 = Vs1 - Vs2 =0 Volts
Une fois le réglage effectué, donnez les valeurs de Vs1 et Vs2.
Effectuez cet équilibrage par les 3 méthodes décrites ci-dessous. Vous préciserez les différents
avantages et inconvénients pour ces trois méthodes :
1 - en mesurant Vs1 et Vs2 successivement avec le même voltmètre
2 - en mesurant Vs1 et Vs2 simultanément avec deux voltmètres ou l’oscillo.
3 - en mesurant directement la tension inter-collecteurs V12 à l'aide d'un voltmètre non
référencé à la masse (Travaillez en Vpp).
2.1.2 – Mesures
Mesurer les différents paramètres Sij par la méthode indiquée ci-dessous.
- Mesure de S11 et S22:
On fait E1 = E2 = V, on aura:
Vs1 = S11 V
Vs2 = S22 V
Connaissant V et mesurant Vs1 et Vs2 on en déduit S11 et S22
On injectera pour cela en E1 et E2 des signaux sinusoïdaux de fréquence 1000 Hz et dont
l'amplitude sera convenablement choisie (2Vpp délivré par exemple, faire attention si affiché ou
mesuré). Il faut se rappeler que l’on mesure un amplificateur différentiel.
Quand deux tensions identiques sont présentes sur E1 et E2, leur amplitude doit être
relativement élevée (mais pas trop) pour mettre en évidence l’effet de mode commun (faible
amplification).
On pourra essayer d’augmenter cette amplitude jusqu’à ce que l’on puisse observer un
effet de saturation.
- Mesure de S12:
On fait E1 = 0 (court circuiter effectivement l'entrée 1) et E2 minimum (avec l’atténuateur).
On aura :
Vs1 = - S12 E2
On injectera pour cela des signaux sinusoïdaux de fréquence 1000 Hz et dont l'amplitude sera
convenablement choisie : quand deux tensions différentes sont présentes sur E1 et E2, leur
amplitude doit être faible pour éviter la saturation par l’effet du mode différentiel. Compte tenu
de l’amplitude minimale délivrée par le HP33120, il faudra donc utiliser un atténuateur de
tension par 10.
- Mesure de S21:
On fait E2 = 0 (court circuiter effectivement l'entrée 2) et E1 minimum (avec l’atténuateur).
On aura :
Vs2 = - S21 E1
Même chose que précédemment pour le signal injecté.
• Faire figurer sur le compte rendu les valeurs adoptées pour E1 et E2 (préciser si valeurs pp
ou rms)
• Calculer à partir des coefficients S11, S12, S21 et S22 les valeurs de | Ad |, | Ac | et |  |.
• Par un raisonnement simple s'appuyant sur les propriétés connues des montages émetteurcommun et base-commune déterminer le signe de S11, S12, S21 et S22. Vérifier à l'oscilloscope en
regardant les signaux en opposition de phase (Attention à S11).
2.2 - Influence du déséquilibre
Par action sur le potentiomètre P on va créer, en continu, une tension de déséquilibre v12
entre les collecteurs de T 1 et T2. L'expérience consiste à trouver qu'elle est la tension de déséquilibre
v12 qui va donner le meilleur RRMC possible.
Pour cela, on mesurera les coefficients S11, S12, S21 et S22 pour des valeurs de V12 variant
par pas de 1 V entre -4 et +4 et on tracera sur un même graphe les courbes donnant | Ad |, | Ac |
et |  | en fonction de V12.
Une fois localisée la zone de v12 pour laquelle || passe par un extremum, on recommencera
quelques mesures dans cette zone.
Conclusion générale.