AMPLIFICATEUR DIFFERENTIEL A TRANSISTORS BIPOLAIRES

AMPLIFICATEUR DIFFERENTIEL A TRANSISTORS BIPOLAIRES NPN
Philippe ROUX © 2005

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1ère PARTIE : PRESENTATION DU MONTAGE
L’amplificateur différentiel (figure1) est un dispositif électronique à deux entrées et deux
sorties. Il est alimenté par deux sources d’alimentations de tensions opposées : +VCC et –VEE (le plus
souvent VCC = VEE). Ceci pour éviter les circuits de polarisation habituels (entre base et masse) et les
condensateurs de liaisons dans les bases des transistors. Aussi, ce montage offre la possibilité, sous
certaines conditions qui seront développées, d’amplifier la tension continue différentielle d’entrée
VED= VE1-VE2, contrairement aux montages fondamentaux habituels.
+V
CC
-V
EE
Am
p
li différentiel
V
E1
V
E2
V
ED
V
S2
V
S1
V
SD
Entrées Sorties
Figure 1
La présence des deux sorties VS1 et VS2 offre à l’utilisateur deux possibilités d’exploitation :
• Lorsque la différence VSD des deux sorties VS1
et VS2 est utilisée, le montage est dit
« symétrique ». L’éventuel étage amplificateur suivant comportant alors deux entrées doit
être aussi de type différentiel.
• Lorsqu’on exploite uniquement la sortieVS1 (ou VS2) le montage est « dissymétrique ». Ce
mode de fonctionnement est celui des amplificateurs opérationnels qui comportent deux
entées (notées + et –) et une seule sortie VS.
Le montage différentiel a pour fonction principale l’amplification de la tension différentielle
d’entrée VED. Il est caractérisé par son gain différence Ad défini selon :
AVV
VV
V
V
d
SS
EE
SD
ED
=−
−=
12
12
(1)
Cependant le montage est aussi sensible à la somme des tensions continues d’entrées : (VE1+VE2).
En effet, les entrées VE1 et VE2 peuvent varier tout en conservant une différence constante. On parle
alors de « mode commun » caractérisé par le gain de mode commun Ac tel que :
AVV
VV
c
SS
EE
=+
+
12
12
(2)
Calculons à l’aide des relations (1) et (2), l’expression des tensions VS1 et VS2 :
VAVVAVV
SdEEcEE11212
1
2
=−++ (( ) ( ))
(3)
VAVVAVV
SdEEcEE21212
1
2
=− − − + (( ) ( ))
(4)
Les relations (3) et (4) montrent qu’en mode « dissymétrique », les tensions VS1 (ou VS2) seront
proportionnelles à la tension différentielle d’entrée VED à condition que le gain de mode commun Ac

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soit très faible vis-à-vis du gain différence Ad. Aussi, on définit un coefficient de qualité du
montage, le facteur de différentiation Fd ou (R)apport de (R)éjection du (M)ode (C)ommun :
FRRMCA
A
d
d
c
== .. ..
(5)
Un amplificateur différentiel de bonne qualité doit donc posséder un Fd > 80 dB).
La figure 1 ne rend pas compte physiquement du mode commun, aussi on préfère représenter les
entrées continues selon la figure 2.
+V
CC
-V
EE
Ampli différentiel
V
S2
V
S1
Entrées
Sorties
V
ED
V
SD
+
VV
EE12
2
−
VV
EE21
2
−
VV
EE12
2
+
+
+
V
E2
V
E1
1
2
3
Figure 2 : Mise en évidence aux entrées du mode différence et du mode commun
• Pour analyser le montage en « mode différence », on annule le générateur n°3 et l’on tient
compte uniquement des générateurs n° 1 et n°2.
On remarque alors que la relation : VED = VE1-VE2 est encore satisfaite.
• Pour analyser le montage en « mode commun », on annule les générateurs n°1 et n°2 et l’on
tient compte uniquement du générateur n°3.
Cette méthode qui sera utilisée par la suite revient en fait à appliquer le théorème de
superposition. Elle permettra de mettre en évidence le gain différence et le gain de mode
commun des montages proposés.

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2ème PARTIE : AMPLIFICATEUR DIFFERENTIEL A TRANSISTORS BIPOLAIRES NPN
EN MODE CONTINU
La figure 3 représente le schéma de base d’un amplificateur différentiel à transistors
bipolaires NPN. Ces transistors sont supposés rigoureusement identiques et soumis à la même
température soit 300 K. Les résistances de charge RC sont aussi identiques. Ce montage est donc
celui d’un circuit intégré qui est le seul capable de satisfaire à ces critères. Les tensions d’entrées
VE1 et VE2 sont des tensions continues de valeur évidemment différente.
+VCC = +15 V
-VEE =-15 V
IC1 IC2
RCRC
I0
T1T2
R
10 kΩ10 kΩ
VBE1
VBE2
VED
+
VV
EE12
2
−
VV
EE21
2
−
VV
EE12
2
+
+
+
1
2
3
B1
B2
VE1
VE2
VS1VS2
Figure 3 : Amplificateur différentiel à transistors bipolaires NPN identiques.
1 Polarisation du montage
La résistance R reliant le point commun d’émetteur à la tension d’alimentation négative
assure la polarisation des transistors. Pour obtenir le point de repos des transistors, on relie
les bases B1 et B2 à la masse de telle manière que la tension différentielle d’entrée VED soit
nulle (figure 4).
+V
CC = +15 V
-V
EE =-15 V
I
C1 repos
I
C2 repos
R
C
R
C
I
0
T
1
T
2
R
10 kΩ10 kΩ
V
BE1
V
BE2
Figure 4 : Etude de la polarisation des transistors

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Les transistors T1 et T2 obéissent à la loi :
II
V
U
C repos SBC
BE repos
T
exp( ) =
(6).
Sachant que les transistors sont identiques, on a de plus ISBC1 = ISBC2 (même courant inverse
de saturation de la jonction bloquée base-collecteur).
Le montage indique : VBE1-VBE2 = 0 soit : VBE1=VBE2. Compte-tenu de la loi (6) les courants
de repos de collecteur sont alors égaux.
Le courant Io est tel que : Io = IC1 repos + IC2 repos. On a donc :
II IRVV
I
C repos C repos
EE BE
12
01
0
2
== =
−
Pour un courant I0 de 1 mA, la résistance R de polarisation doit être de 14.4 kΩ.
2 Analyse du montage en « mode différence »
+V
CC = +15 V
-V
EE =-15 V
I
C1
I
C2
R
C
R
C
I
0
T
1
T
2
R
10 kΩ10 kΩ
V
BE1
V
BE2
V
ED
+
VV
EE12
2
−
VV
EE21
2
−
+
1
2
B 1
B 2
14.4 kΩ
1 mA
V
S1
V
S2
Figure 5 : excitations du montage en mode différence
Selon la méthode d’analyse indiquée en première partie, pour étudier le mode différence,
seuls les générateurs continus 1 et 2 excitent le montage.
Sachant que VE1 est une tension ayant une valeur différente de celle de VE2, les courants de
collecteurs IC1 et IC2 sont alors différents. Cependant leur somme est toujours égale à I0 (on
suppose que le gain en courant de T1 et T2 est important).
La relation (6) permet d’écrire :
II V
U
C SBC
BE
T
1
1
= exp( )
II V
U
C SBC
BE
T
2
2
= exp( )
soit :
I
I
VV
U
C
C
BE BE
T
1
2
12
=− exp( )
Sachant que : VED = VBE1-VBE2 et IC1+IC2 = I0 , on obtient finalement les relations :
II
V
U
C
ED
T
1
0
1
=
+−
exp( )
(7) et
II
V
U
C
ED
T
2
0
1
=
+
exp( )
(8)
L’évolution des courants IC1 et IC2 en fonction de la tension VED est donnée en figure 6.