+ V - CINaM
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11/09/01 Cours d ’électronique analogique 1 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait Zediff A Zsortie Ze + •Gain en tension infini •Impédance d’entrée différentielle, Zediff infinie •Impédance d’entrée Ze infinie •Impédance de sortie nulle 11/09/01 V2 Cours d ’électronique analogique ~ 103 à 106 ~ 104 à 109 ~ 104 à 109 ≤ 100 Ω 2 REACTION ET CONTRE REACTION I – BOUCLE OUVERTE - BOUCLE FERMEE Considérons un amplificateur A qui est attaqué par une source S et qui attaque lui-même un circuit de charge C : Source S1 Amplificateur Gain : A S2 Charge Ce montage est dit en boucle ouverte S1 est le signal en entrée de l’amplificateur S2 est le signal en sortie de l’amplificateur S2 = A.S1 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 3 REACTION ET CONTRE REACTION I – BOUCLE OUVERTE - BOUCLE FERMEE (suite) Mais, … le gain de l’amplificateur peut varier à cause de différents paramètres extérieurs • • • • Température, Dérive des tensions d’alimentation, Changement d’un composant, Etc… Il faut donc trouver le moyen de stabiliser le gain de l’amplificateur. Le moyen le plus simple consiste à réinjecter une partie du signal de sortie, S2, en entrée de l’amplificateur (c’est à dire sommer cette partie de S2 avec S1). On dit alors que l’on opère une réaction de la sortie sur l’entrée (on parle aussi d’asservissement de l’entrée par la sortie). Le système est dit alors en boucle fermée 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 4 REACTION ET CONTRE REACTION I – BOUCLE OUVERTE - BOUCLE FERMEE (suite) Deux cas se présentent alors : 1. Le signal réinjecté à l’entrée est en phase avec le signal d’entrée, on parle alors de réaction positive (que l’on désignera tout simplement par réaction). Nous verrons par la suite que la réaction est à l’origine de la conception des oscillateurs. 2. Le signal réinjecté à l’entrée est en opposition de phase avec le signal d’entrée, on parle alors de réaction négative (que l’on désignera plus simplement par contre-réaction Source S S1=S - Sr Amplificateur Gain : A S2 Sr = B.S2 11/09/01 B Cours d ’électronique analogique S2=A.S1 Charge C B est le gain de la chaîne de contre-réaction. B comme A peut être réel ou complexe 5 REACTION ET CONTRE REACTION I – BOUCLE OUVERTE - BOUCLE FERMEE (suite) Dans le système contre-réactionné le gain global, comme nous allons le voir, est différent du gain de l’amplificateur utilisé seul. Nous avons en effet : S1 = S − Sr= S − B.S2 S2 = A.S1 S2 = A.(S − BS2) S2 ACR = = A S 1 + AB Si A varie de ∆A alors : ∆ACR = ∆A 2 (1+AB) Soit : ∆ACR = 1 ∆A ACR 1+AB A Donc le système contre-réactionné est beaucoup plus stable (division par (1+AB)) que le système en boucle ouverte, mais le gain obtenu est plus faible. Il faut donc qu’au départ le gain de l’amplificateur soit très grand (c’est d’ailleurs pour cela que l’on utilise très souvent de amplificateurs opérationnels dont le gain peut dépasser les 105). 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 6 REACTION ET CONTRE REACTION I – BOUCLE OUVERTE - BOUCLE FERMEE (suite) On peut alors définir le facteur de sacrifice (ou taux de rétroaction) comme étant le rapport de A à ACR soit : S = A = 1 + AB ACR Nous allons voir maintenant les différentes possibilités de contre-réaction. Pour ce faire nous allons utiliser une représentation quadripolaire en considérant les différentes possibilités d’association du quadripole amplificateur et du quadripole contre-réaction. Nous avons ainsi quatre possibilités d’association : • • • • 11/09/01 Association série Association parallèle Association série-parallèle Association parallèle-série Cours d ’électronique analogique 7 REACTION ET CONTRE REACTION II – BOUCLE FERMEE – Contre réaction II – 1 Montage série-parallèle (tension – tension) i2 i 1 e V2 Rc A Eg i1 VCR B Impédance d’entrée e = V1 − VCR VCR = B.V2 V2 = A.e = A(V1 − VCR) = A.(V1 − B.V2) Rg V1 Gain V2 ACR = = A V1 1 + AB V2 e = Ze.I1 V1 = Ze .I1 CR V1 = e + VCR= e + B.V2 = e.(1 + AB) V1 Ze = = Ze(1 + AB) I1 Impédance de sortie Zs Zs = 1 + AB CR CR 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 8 REACTION ET CONTRE REACTION II – BOUCLE FERMEE – Contre réaction II – 1 Montage série-parallèle (tension – tension) – Quelques exemples A – Suiveur de tension + V0 1 T1 = 0 1 T2 = 0 R R 1 A 1 T1 × T2 = 0 V1 0 0 B=1 ACR = 0 0 11/09/01 V2 V2 A = = A =1 V1 1 + AB 1 + A V2 = V1 Cours d ’électronique analogique 9 REACTION ET CONTRE REACTION II – BOUCLE FERMEE – Contre réaction II – 1 Montage série-parallèle (tension – tension) – Quelques exemples B – Amplificateur non inverseur 1 T1 = 0 + R 1 V0 1 T2 = ACR 0 R V1 0 0 1 T1 × T2 = ACR 0 11/09/01 V2 A R2 VCR R1 B= 0 0 Cours d ’électronique analogique ACR = R1 R1 +R2 V2 R + R2 A = 1 = V1 1 + AB R1 10 REACTION ET CONTRE REACTION II – BOUCLE FERMEE – Contre réaction II – 2 Montage parallèle-parallèle (courant – tension) Eg Rg i1 i2 ie V1 V2 Rc A iCR Gain Ie = I1 − ICR ICR = B.V2 V2 = A.Ie V2 ACR = = A I1 1 + AB VCR B Impédance d’entrée Ze Ze = << Ze 1 + AB CR B est une admittance et A une résistance 11/09/01 V2 V1 = ZeCR.I1 = Ze.Ie Impédance de sortie Zs Zs = 1 + AB CR Cours d ’électronique analogique 11 REACTION ET CONTRE REACTION II – BOUCLE FERMEE – Contre réaction II – 2 Montage parallèle-parallèle (courant – tension) Un exemple I1 V1 − R2ICR = −V2 V1 V1(A + 1) = R2ICR Convertisseur Courant-tension RI V1 = 2 CR A+1 Ie - 11/09/01 0 0 V2 + ICR V2 = −AV1 ≅ −R2ICR = −R2I1 − 1 A T2 = 1 − R2 A R2 C’est comme si l’on avait une masse virtuelle sur l ’entrée inverseuse Cours d ’électronique analogique 12 REACTION ET CONTRE REACTION II – BOUCLE FERMEE – Contre réaction II – 2 Montage parallèle-parallèle (courant – tension) Un autre exemple: I1 V0 Ie R1 V1 + V2 A ICR 1 T1 = 0 x − 1 A T2 = 1 − R2 R1 1 11/09/01 0 0 R2 ( − 1 + R1 A R2 T = T1 × T2 = − 1 R2 Cours d ’électronique analogique ) 0 0 V2 ≅ − 13 R2 V R1 1 REACTION ET CONTRE REACTION II – BOUCLE FERMEE – Contre réaction II – 3 Montage série -série (tension – courant) i2 i 1 e Gain A Rg Eg i2 i1 V1 VCR V2 Rc V1 = e + VCR VCR = B.I2 I2 = A.e I2 ACR = = A V2 1 + AB B Impédance d’entrée V1 = Ze .I1 e = Z .I e 1 CR Ze = Ze.(1+AB) Impédance de sortie Zs = Zs.(1 + AB) CR CR 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 14 REACTION ET CONTRE REACTION II – BOUCLE FERMEE – Contre réaction II – 4 Montage parallèle-série (courant – courant) Eg Rg i1 i2 ie V1 A iCR i2 VCR B Impédance d’entrée V1 = Ze .I1 CR V1 = Ze.Ie Ze Ze = << Ze 1 + AB V2 Rc Gain Ie = I1 − ICR I2 = A.Ie ICR = B.I2 I2 ACR = = A I1 1 + AB Impédance de sortie Zs = Zs.(1 + AB) >> Zs CR CR 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 15 REACTION ET CONTRE REACTION II – BOUCLE FERMEE – Contre réaction II – 5 Les différents montages à amplificateurs opérationnels A – Suiveur de tension B – Amplificateur non inverseur R1 R + R’ VS Ve R2 + VS Ve VS = (1 + VS = Ve 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 16 R2 )V R1 e REACTION ET CONTRE REACTION II – BOUCLE FERMEE – Contre réaction II – 5 Les différents montages à amplificateurs opérationnels C – Sommateur non inverseur R2 R1 R' - Ve = Ve1 − R' I = Ve1 − Ve1 − Ve2 = Ve1 + Ve2 2 2 + VS Ve1 R' Ve Ve2 Ve1 − Ve2 = 2.R' I R2 Ve1 + Ve2 Donc : VS = (1 + R ) 2 1 Et plus généralement si l’on a n entrées et n tensions d’entrée Vei : n Vei R2 i∑ = 1 VS = (1 + ) R1 n 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 17 REACTION ET CONTRE REACTION II – BOUCLE FERMEE – Contre réaction II – 5 Les différents montages à amplificateurs opérationnels D – Amplificateur inverseur R1 E – Sommateur inverseur R2 R1 Ve1 - R2 - R1 Ve + VS + Ve2 R’ VS R’ Masse virtuelle à l’entrée : VS = −R2I Ve = R1I 11/09/01 VS = − R2 V R1 e I1 = Ve1 R1 V I2 = e2 R1 Cours d ’électronique analogique VS = − I = I1 + I2 R2 (V + Ve2) R1 e1 Et plus généralement : R2 n VS = − V R1 i∑ =1 ei 18 REACTION ET CONTRE REACTION II – BOUCLE FERMEE – Contre réaction II – 5 Les différents montages à amplificateurs opérationnels E – Intégrateur E – Dérivateur C R1 R2 C - Ve Ve + + VS R’ VS R’ Masse virtuelle à l’entrée : t VS(t) = − 1 ∫ i(t)dt t C0 1 V (t)dt VS = − RC 0∫ e Ve(t) = R1i(t) 11/09/01 Cours d ’électronique analogique VS(t) = −Ri(t) i(t) = C dVe(t) VS = −RC dt dVe(t) dt 19 REACTION ET CONTRE REACTION III – BOUCLE FERMEE – Réaction positive - Oscillateurs Il existe différent types d’oscillateurs : Oscillateurs à résistance différentielle négative. Il s’agit de circuits oscillants dont les pertes sont compensées par un amplificateur formé d’un dipole à résistance différentielle négative. Oscillateurs à amplificateur réactionné. Il s’agit d’amplificateurs sur lesquels on opère une réaction de la sortie sur l’entrée c’est à dire que le signal de sortie est en phase avec le signal d’entrée. Quel que soit le type d’oscillateurs, le principe de fonctionnement est le même à savoir que la source initiale qui va donner naissance aux oscillations est le bruit électronique (bruit blanc) présent dans le circuit. Un circuit accordé sélectionne dans ce bruit une fréquence particulière que l’amplificateur en aval du circuit accordé va se charger d’amplifier. Ce signal amplifié puis a nouveau filtré par le circuit accordé est alors réinjecté, en phase avec le signal initial, à l’entrée de l’amplificateur (réaction positive). 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 20 REACTION ET CONTRE REACTION III – BOUCLE FERMEE – Réaction positive - Oscillateurs S1=S + Sr Sr = B.S2 S2=A.S1 Amplificateur Gain : A Circuit accordé Gain B Charge C S2 B est le gain de la chaîne de réaction. B comme A peut être réel ou complexe Comme on peut le voir sur ce schéma, pour que les oscillations naissent puis s’amplifient, il faut que le produit des gains A et B soit supérieur à 1. Les oscillations seront entretenues lorsque le produit des gains sera unitaire. C’est ce que l’on appelle la condition de BARKHAUSEN. AB = 1 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 21 REACTION ET CONTRE REACTION III – BOUCLE FERMEE – Réaction positive - Oscillateurs Ainsi : •Si AB<1 les oscillations ne peuvent prendre naissance et si elles existent elles s’amortiront •Si AB>1 l’amplitude des oscillations aura tendance à croître et ne sera limitée que par la non linéarité du système d’amplification. Oscillateur à résistance négative 11/09/01 Cours d ’électronique analogique C1 Oscillateur àréseau déphaseur 22 R7 C4 R6 C3 R5 C2 T1 R4 C5 R3 R2 Diode tunnel, thyratron, … R1 Différents types d’oscillateurs REACTION ET CONTRE REACTION III – BOUCLE FERMEE – Réaction positive - Oscillateurs 1 - HARTLEY - + C2 L3 IOP1 2 - COLPITTS C1 C2 R3 R4 C4 L2 C3 C1 R4 Oscillateur à réseau déphaseur sélectif T1 R3 R2 C4 C5 L1 C6 Oscillateur à transistors 11/09/01 V1 L1 P1 T1 R3 R2 C1 C3 R4 R2 R1 L2 Différents types d’oscillateurs (suite) Cours d ’électronique analogique 23 V1 REACTION ET CONTRE REACTION III – BOUCLE FERMEE – Réaction positive - Oscillateurs Différents types d’oscillateurs (suite) 4 - QUARTZ 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 24 C2 Quartz C1 Oscillateur à transistors (suite) C3 T1 R1 C4 C2 R1 C3 T1 R3 C4 R3 C5 L2 C1 R2 R2 L1 L1 3 - CLAPP REACTION ET CONTRE REACTION III – BOUCLE FERMEE – Réaction positive - Oscillateurs Dans le cas du montage COLPITTS Oscillateur à transistors - Calculs Z1 = Z2 (L) i2 i Z1 (C1) V1 Z3 V2 (C2) i1 1 jC1ω V2 = − Z2 = jLω Z3 = 1 jC2ω A la résonance : ω2 = i = i1 + i2 ( ) v1 = Z1i1 = Z2 + Z3 .i2 v1 i2 = Z2 + Z3 v2 =Z3i2 = Z3v1 Z2 + Z3 Cours d ’électronique analogique β RC h11e Et donc : A≥ 1 B v1C1 C2 v C B= 2 =− 1 v1 C2 11/09/01 D’autre part : A=− 1 CC L 1 2 C1 +C2 v2 = − V1 LC2ω2 − 1 25 β RC C2 ≥ h11e C1 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP (FET) I – LES FET A JONCTION A – LES FET A JONCTION DE CANAL N Symbole Contact Drain N Grille P + Barreau de silicium dopé + P Source Ne fonctionne que pour VGS<0 Zone déplétée Contact Contact B – LE FET A JONCTION DE CANAL P Grille N Symbole Barreau de silicium dopé Drain P N Zone déplétée Source Fonctionne pour VGS>0 11/09/01 Cours d ’électronique analogique Contact 26 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP C – LE FONCTIONNEMENT DU FET A JONCTION i – Grille court-circuitée Drain G Drain D G P P VDS S IDSS = courant-drain source grille court-circuitée 11/09/01 P Source P P ID G ID + Source - VDD=0 P VDD=VP IDSS Drain - 10 à 20 V VP G VDSmax VDS Tension de pincement Cours d ’électronique analogique P P Source VP<VDD<VDSmax 27 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP C – LE FONCTIONNEMENT DU FET A JONCTION ii – Grille polarisée JFEToperation ID Contact D VGS1 - G VGS2 P + P S IG Extension de VGS et ID : VGS0<VGS<0 0<ID<IDSS 11/09/01 + - IDSS VGS=0 VGS = VGS0 Tension de blocage VP Tension de pincement Cours d ’électronique analogique VDS VP = VGS0 28 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP C – LE FONCTIONNEMENT DU FET A JONCTION ii – Grille polarisée (suite) Résistance d’entrée des FET à jonction : Rentrée VGS = IG Exemple : IG = 1nA pour VGS = -15V Rentrée ~15000 MΩ Rappel transconductance d’un transistor bipolaire IB Pas beaucoup de sens de parler de gain en courant comme pour les transistors bipolaires On préfère parler de transconductance, c’est à dire exprimer le courant de sortie en fonction de la tension d’entrée IC Pour le FET : 2 VBE 11/09/01 VBE Cours d ’électronique analogique VGS ID = IDSS. 1 − V GS0 29 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP C – LE FONCTIONNEMENT DU FET A JONCTION ii – Grille polarisée (suite) 1 ID ID IDSS IDSS 9/16 --> ID ~1/2 I DSS 1/4 0 VGS 0 VGS0 Caractéristique quadratique 11/09/01 1/16 1 3 4 1 2 1 4 0 VGS VGS0 Caractéristique de transconductance normalisée Cours d ’électronique analogique 30 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP C – LE FONCTIONNEMENT DU FET A JONCTION iii – La polarisation standard du FET à jonction en classe A IDSS VGS0 ID ≈ → VGS = 2 4 2IDSS VGS dID ∆ID gm = (1 − → =− ) dVGS VGS0 ∆VGS VGS0 En posant : gm0 = − 2IDSS VGS0 il V vient : gm = gm0. 1 − GS VGS0 Résistance différentielle de drain (rDS) Si VDS>VP, rDS ~ 1kΩ à 1MΩ 11/09/01 Tansconductance (mho ~1/Ω) rDS ∆VDS = I ∆ D V = cste GS gOS = 1 rDS On donne en général : Cours d ’électronique analogique 31 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP II – LE MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ~ FET à grille isolée • La capacité MOS http://www.univ-lille1.fr/eudil/bbsc/sc00a.htm http://jas2.eng.buffalo.edu/applets/education/mos/mosCap/biasBand10.html 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 32 Silicium Dopé P SiO2 Métal La capacité MOS V Wmax V W + W=Wmax + V Couche d’inversion Zone déplétée Silicium Dopé P V - Régime de déplétion 11/09/01 SiO2 Métal + + + Silicium Dopé P Zone déplétée Métal + + + SiO 2 W V Cours d ’électronique analogique Régime d’inversion 33 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP II – LE MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ~ FET à grille isolée Grille Constitution du MOSFET Métal Isolant = oxyde Source N P P N Drain Contact Contact Substrat A l’inverse du FET à jonction, le MOSFET, parce que la grille est isolée, peut travailler avec un VGS >0 ou un VGS <0 à savoir travailler dans les deux régimes que sont : LA DEPLETION 11/09/01 Cours d ’électronique analogique L’ENRICHISSEMENT = Accumulation 34 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP II – LE MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ~ FET à grille isolée A – LA DEPLETION Métal ------------------ G + ++++++++++ Silicium S D N P Effet capacitif N - - + Les charges sont repoussées Le canal a tendance à devenir isolant 11/09/01 Cours d ’électronique analogique VGS1 G VGS2 VGS < 0 N P P N 35 VGS2<VGS1 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP II – LE MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ~ FET à grille isolée B – L’ENRICHISSEMENT Métal ++++++++++ G + S D - N P -----------------Silicium Effet capacitif N - + Les charges sont attirées dans le canal La résistance du canal a tendance à diminuer 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 36 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP II – LE MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ~ FET à grille isolée C – Symboles du MOSFET Drain Drain Grille Grille Source Source D – Résistance d’entrée du MOSFET Du fait de l’isolant (oxyde de silicium = SiO2) entre le silicium et le contact métallique la résistance d’entrée du MOSFET est très grande : ~ 104 à 106 MΩ 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 37 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP II – LE MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ~ FET à grille isolée E – Caractéristiques du MOSFET ID ENRICHISSEMENT VGS>0 ID VGS=0 IDSS VGS=VGS0 tension de blocage DEPLETION VGS<0 VP Tension de pincement IDSS VDS 2 V ID = IDSS 1 − GS VGS0 avec 11/09/01 VGS > 0 ou VGS0 VGS VGS < 0 Cours d ’électronique analogique 38 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP III – LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP, A GRILLE ISOLEE ET A REGIME D’ENRICHISSEMENT SEUL (en fait c'est le regime d'inversion) A – Principe N Drain Oxyde Grille + P N P VGS + - - VDS N Substrat Fabrication Métal N Le silicium prend un caractère de type N Drain Source Drain B – Symboles Grille 11/09/01 Source Cours d ’électronique analogique Grille 39 Source LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP III – LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP, A GRILLE ISOLEE ET A REGIME D’ENRICHISSEMENT SEUL B – Caractéristiques et transconductance ID V GS3 ID V GS2 ID0 V GS1 V GSseuil VDS V GS3 >V GS2 >V GS1 VGS seuil VGS0 Estimation de la constante K Equation caractéristique de le transconductance : 11/09/01 Cours d ’électronique analogique ID = K(VG − VGseuil)2 40 VGS LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP IV – POLARISATION DES FET A – FET à jonction Polarisation automatique Nous avons déjà vu que la polarisation la plus simple en classe A d’un FET à jonction correspond à : ID RD VGS RS RS = − 11/09/01 IDSS 2 V = VDS + (RD + RS).ID VDS RG ID ≈ + - VS=ID.RS V VGS = −VS = −ID.RS Si ID augmente alors VS augmente, mais comme VGS = - VS, ID diminue alors. IDSS VGS0 ID ≈ → VGS = 2 4 VGS V ≈ − GS0 = 1 ID 2IDSS gm0 Cours d ’électronique analogique C’est la polarisation médiane 41 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP IV – POLARISATION DES FET A – FET à jonction Polarisation automatique (suite) Représentation générale de la polarisation automatique ID IDSS On a vu que la caractéristique de transconductance normalisée était sous la forme : 2 VGS ID = IDSS . 1 − V GS 0 1 0.8 0.6 VGS 0 0.4 IDSS = −2 gm 0 VGS = − ID.RS 0.2 ID 0 0.1 1 11/09/01 g m0R S 10 Cours d ’électronique analogique IDSS 2 I Rg = 1 − D S m 0 2.IDSS 42 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP IV – POLARISATION DES FET A – FET à jonction Polarisation par source de courant +VDD RD RD ID Il faut IC IC < IDSS RB1 Le transistor bipolaire fixe le courant drain RG RB2 RE -VEE Avec alimentation symétrique double 11/09/01 +V Cours d ’électronique analogique ID IC RE Avec alimentation simple 43 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP IV – POLARISATION DES FET B – MOSFET ID ENRICHISSEMENT RD DEPLETION RG IDSS VGS0 VGS Polarisation nulle Æ VGS = 0 ÆVDS = V – RD.IDSS 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 44 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP IV – POLARISATION DES FET C – Transistor FET à grille isolée et à enrichissement seul (réaction de drain) ID I VRG ~ 0 I=0 RG ID0 VGS seuil VGS0 VDS = VGS 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 45 VGS LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP V – AMPLIFICATION DES FET Comme dans le cas des transistors bipolaires il y a trois types de montages : i. ii. iii. Source commune Drain commun Grille commune i. Source commune C GD CGD C GS R GS R DS CDS V e CGS Capacités parasites du FET 11/09/01 Vs Schéma équivalent Cours d ’électronique analogique C DS 46 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP V – AMPLIFICATION DES FET i. Source commune (suite) RGS Ve gm.V GS A basse fréquence le schéma équivalent devient : Dans le montage, la résistance de polarisation de drain est en parallèle avec RDS. Comme RDS est très grand, seule la résistance RD est à prendre en compte. RDS Vs vs= iD.RD = gm.ve.RD vS = gm.RD ve 11/09/01 RGS Ve Cours d ’électronique analogique gm.V GS Donc si RD << RDS RDS RD Vs 47 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP V – AMPLIFICATION DES FET i. Source commune (suite) Ve ve = vGS + RS.ID gm.VGS RGS VGS Si l’on met une résistance de source, RS, le schéma équivalent devient : RD Vs vS gm.RD A= = ve 1 + gm.RS RS 11/09/01 vS = RD.ID = RD.gm.vGS Cours d ’électronique analogique 48 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP V – AMPLIFICATION DES FET i. Source commune (suite) Caractéristique de transconductance normalisée. 2 VGS ID = 1 − IDSS VGS0 On avait : VGS et : gm = gm0. 1 − V GS0 10 gm gm0 2 Donc : ID g = m IDSS gm0 1 0.1 0.01 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 0.1 1 10 ID IDSS 49 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP V – AMPLIFICATION DES FET ii. Drain commun ID +V ve = vGS + RS.ID vs = RS.ID Ve RS Vs vS gm.RS A= = ve 1 + gmRS ID = gm.vGS Si gm.RS >> 1 Æ A=1 Gain en tension 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 50 LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP V – AMPLIFICATION DES FET iii. Grille commune ie S Ve vs = RD.ID = RD.gm.vGS D iD G ve = vGS RD Vs vS A= = gm.RD ve Impédance d’entrée en grille commune ve = vGS ie = iD = gm.vGS Ze = C’est donc une impédance très faible ve vGS = = 1 ie gm.vGS gm 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 51 DIODE SHOCKLEY et THYRISTOR I – Rappels sur jonction PN et Transistor i. Jonction PN I=0 + V - VR=0 R e(V0+V) P I≠ ≠0 + V R Avalanche P N W N W V 11/09/01 VR~V - Cours d ’électronique analogique 52 DIODE SHOCKLEY et THYRISTOR I – Rappels sur jonction PN et Transistor ii. Transistor NPN V’=0 Rb + V ’’=0 - + Ib =0 Rc - + V’’≠ ≠0 - + Ib ≠0 IC =0 P N V’=0 Rb IC =0 N N Ib ≠0 R b V’ ≠0 + - V’’ ≠0 + - Rc IC ≠0 N 11/09/01 Cours d ’électronique analogique P N 53 Rc VRC=0 P N - DIODE SHOCKLEY et THYRISTOR II – Structure PNPN – Diode shockley I=0 Anode + V =0 P J1 R - VR=0 EQUILIBRE N P J2 N Cathode J3 I≈ ≈0 POLARISATION DIRECTE Etat non passant Anode + V ≠0 - P N J1 J2 P J1 et J3 polarisées en direct, J2 polarisée en inverse Cours d ’électronique analogique N J3 Courant de minoritaires de la jonction J2 11/09/01 VR≈0 R 54 Cathode DIODE SHOCKLEY et THYRISTOR II – Structure PNPN – Diode Shockley AVALANCHE I≠ ≠0 Anode + V ≠0 P J1 VR⇒V R - POLARISATION DIRECTE Etat passant N P J2 N Cathode J3 Les trois jonctions J1 et J2 et J3 sont Polarisées en direct 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 55 DIODE SHOCKLEY et THYRISTOR II – Structure PNPN – Diode Shockley i. Caractéristiques I + sur région P D V - sur région N 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 56 DIODE SHOCKLEY et THYRISTOR II – Structure PNPN – Diode Shockley ii. Equivalent transistor Anode P PNP N N P P N Cathode 11/09/01 Cours d ’électronique analogique NPN 57 DIODE SHOCKLEY et THYRISTOR II – Structure PNPN – Diode Shockley ii. Equivalent transistor (suite) Dans ce montage les deux jonctions base-collecteur des deux transistors sont en inverse. Il n’y a pas de courant excepté le courant de fuite (de minoritaires) qui est très faible. Lorsque la différence de potentiel augmente, il se produit un phénomène d’avalanche qui se traduit par une brusque augmentation du courant collecteur des deux transistors et donc des courants de base. Ainsi, les deux transistors passent rapidement à saturation et la tension entre les deux émetteurs chute vers 0. Le système reste alors dans cet état passant. Le seul moyen de ramener le système dans l’état initial est de réduire la tension d’alimentation pour désaturer les deux transistors. 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 58 DIODE SHOCKLEY et THYRISTOR III – Structure PNPN – Thyristor Anode P PNP N N P P N Grille Cathode 11/09/01 NPN Cours d ’électronique analogique 59 DIODE SHOCKLEY et THYRISTOR III – Structure PNPN – Thyristor Lorsque une impulsion positive attaque la grille (c’est à dire la base du transistor NPN) celui-ci se met à conduire. La base du transistor PNP étant alors attaquée par ce courant, ce dernier se met à conduire entretenant ainsi la polarisation de base du transistor NPN. La tension aux bornes du sipositif constitué des deux transsitors tend alors vers 0 (les deux transsitors sont alors saturés). Le seul moyen de ramener le système dans son état initial est de réduire le courant de manière à ramener les deux transistors dans l’état bloqué. On obtient cette réduction en réduisant la tension d’alimentation, comme pour la diode Shockley. Un tel dispositif est aussi appelé bascule. Les grandeurs caractéristiques sont: • La tension de blocage direct, • Le courant de déclenchement, c’est à dire le courant qu’il faut appliquer à la grille pour faire conduire le thyristor, • Le courant minimum de fonctionnement, c’est à dire le courant en dessous duquel le thysristor retourne à l’état bloqué. 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 60
