TP-cours : Quadripôle Amplificateur de tension inverseur à émetteur

TP-cours : Quadripôle Amplificateur de tension inverseur à émetteur commun.
Mesures des paramètres du MET du quadripôle . Circuit linéaire et circuit non linéaire.
Eclipse Lundi 3/10/05
But : Quadripôle amplificateur de tension à émetteur commun. Comparaison avec les paramètres
théoriques. Application à l’amplification d’antenne pour réception . Limites de linéarité.
1:Emetteur 2: Base
Montage :Montage émetteur commun à émetteur découplé :
●
RB = 1 MΩ ; Rc= 1 KΩ ; RE = 100Ω ; Ru = 1 KΩ ; f = 20 KHz ;
3:Collecteur soudé au
boitier
T : 2N2222A (NPN) ; U = 18 V; Cle = 100 µF ; Cls= 10 µF; Cd = 470µF
Q
+18 V
Modèle du transistor le plus
simple adopté en première
approximation.
re ~ 1K ; ~100 (constructeur)
Rc
Rb
+
C
GBF
ie
E
~
ve max=
+
B
ve
is
S
Du
T
RE
vs
+
Cd
M
Caractéristique d’entrée du transistor NPN, Q2N2222 pour
Vce = 0.1 V à Gauche et 5.1V à D.
bi
C
re
Ru
E
CLe
f=
B
CLs
E
β . bi
E
ib, l'intensité de courant de base
est la grandeur de commande
du transitor bipolaire. Elle
commande la source de courant
M
de sortie : ic = β .ib
Caractéristiques de sortie du transistor NPN (Q2N222)
Circuit permettant la simulation(DC SWEEP) et le tracé des
caractéristiques d’entrée .Le « Seuil » de conduction de la jonction
base-émetteur augmente si V2=Vce augmente .
Circuit permettant le tracé (V1 de 0 à 5V-DC
Sweep)des caractéristiques de sortie pour
ib=100µA,200µA,..,500µA.
Le constructeur
donne pour le transistor
NPN Bipolaire 2N2222 :
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1. PRÉPARATION ou Protocole Expérimental:
Introduction :
Les consignes propres à tout TP concernant la sécurité et les méthodes de Travail, seront copiées/Collées en pages de
garde du compte rendu , lues, appliquées et signées. Ces consignes peuvent être trouvées, entre autres sur le serveur
pédagogique dans le Répertoire « Ressources de la classe » à la rubrique Physique Appliquée . Il convient de se faire un
document TP modèle qui aura ces consignes en introduction .
0/ Rappeler la définition d'un circuit linéaire , d'un composant linéaire, ainsi que la nature des signaux dans tout le
circuit si l'excitation (signal d'entrée) est sinusoîdale.
Comment peut on vérifier si un circuit est linéaire à l'aide d'un oscilloscope et d'un GBF ?
De même avec un analyseur de spectre ?
Tracer le spectre d'amplitude d'un signal sinusoïdal et d'un signal carré .
Modèle aux variations du
transistor le plus simple adopté
en première approximation
MET d’un quadripôle linéaire .
ei
si
Q uad rpi ô el lni éa ire
ze
B
Zs
vs
ve
bi
C
re
β . bi
( e ht )s
(e ht )e
E
E
1/ TRACER LE MODÈLE aux variations du montage(autour des points de repos (Vbe , Ib ;Vce , Ic )
permettant un fonctionnement linéaire sur les valeurs de ve utiles.
Ceci en s’aidant du cours et du modèle aux variations du transistor, le plus simple, adopté en première
approximation, ci-dessus .
Les condensateurs de liaison Cle et Cls et de découplage Cd sont équivalents à des « court-circuits » aux
fréquences utilisées.
2/ CALCULER Ze = Re ; Zs = Rs ; (eth)e ; (eth)s ,en fonction des données du problème : Rc, Rb, Ru, Rgbf,
RE ,  .
Faire l’application numérique .
3/ RASSEMBLER LES VALEURS DANS UN TABLEAU (Tableur ...), afin de préparer la comparaison
avec les valeurs Expérimentales .
Paramètre du
MET
Ze = Re
Théorique(calcul à partir du modèle)
Expérimental (mesure)
~ re (avec re << Rb) = 1,25 k ( Ic=10mA; constructeur)
½ tension:Rv=1,2 k
(eth)e
0
(Eth)e ~ 3 mV
Zs = Rs
Rc = 1k
Rs~1,153 K
(eth)s
- ( β . Rc / re ) Ve = - 200 . ve ; ( avec  = 200 , Rc = re = 1k )
(Eth)s ~ 173.Ve
(eth)s ~ - 173.ve
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2. PROCÉDURE EXPÉRIMENTALE OU MESURES :
2.1.RÉGLAGE DU SYSTÈME EN RÉGIME LINÉAIRE ET VÉRIFICATION
ON AJUSTERA RB tq Ib ~ 55 µA (ajustement du point de fonctionnement ou de polarisation continue pour
avoir UN FONCTIONNEMENT LINÉAIRE dans les conditions nominales ).
On choisira toujours le signal de sortie (ve) du générateur pour avoir un FONCTIONNEMENT LINÉAIRE .
SI LES SIGNAUX SONT TROP FAIBLES, EN PARTICULIER Ve, ON AJOUTERA ENTRE LE GBF ET LA
BORNE E D'ENTRÉE Rcapt = 10 k . Rcapt pourra aussi servir à mesurer Ie .
À f = 20KHz , RELEVER ve et vs et leur spectres, EN RÉGIME NON LINÉAIRE
à l’ oscilloscope à mémoire .
RÉGLER LE CIRCUIT EN RÉGIME LINÉAIRE EN AJUSTANT ve et Rb.
À f = 20KHz , RELEVER ve et vs et leur spectres, EN RÉGIME LINÉAIRE à l’ oscilloscope à
mémoire.
Vérifier que l’impédance des condensateurs est négligeable( en régime linéaire) . Préciser la
méthode .
●
●
●
●
2.2.EVALUATION DE (Eth)e :
a/ On injecte un signal sinusoidal vsmax ~ 10 V
et f ~ 1 KHz ( on limitera is par Rsl = 1 KΩ)
Q
E
S
Rsl
Dg
G BF ~
em ax =
V
vs
ve
M
f
b/ Mesurer Ve au multimètre AC avec Ie = 0
Vérifier ainsi que (Eth)e = Ve est négligeable .
« PAS DE REACTION SORTIE SUR ENTRÉE
POUR LES QUADRIPÔLES
AMPLIFICATEURS CLASSIQUES ».
M
2.3.MESURE de Ze = Ve/ Ie :
2.3.1.MÉTHODE VOLTO-AMPÈREMÉTRIQUE :
ON MESURE Ve et Ie (par exemple, par relevé à la pince ampèremétrique E1 1V/A).
●
Si ie faible, cas ici, il faut ajouter Rcapt = 10kOhms en amont de Cle, augmenter eGBF , ce qui sortira
ve des parasites .
ATTENTION :MAINTENIR LE CIRCUIT LINÉAIRE .
ON RELÈVE ALORS Rcapt . ie et ON EN DÉDUIT Ie .
LA PINCE AMPÈREMÉTRIQUE N'EST PAS UTILISABLE EN DESSOUS DE 10mA .
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2.3.2.MESURE DE ZE = VE/ IE ; Méthode DITE DE LA ½ TENSION:
MÉTHODE DE SUBSTITUTION VALABLE UNIQUEMENT POUR DIPÔLE PASSIF :
MÉTHODE VALABLE SI RV ET Re >>RGBF , sinon vGBF et ve sont faibles et parasitées.
ON RÈGLE Rv JUSQU'À Ve ~ Vgbf / 2 ALORS Rv = Re ; ON RELÈVE Rv ET ON A Re
Eg
Rv
E ei
S
si
Q
R gb f
G
egb f
Re
ve
vgb f
vs
M
M
M
Montage 1 :
AUTRE MÉTHODE DE SUBSTITUTION
Q
G éné ra teu r
Rg
E
ON CHOISIRA RG ~ Ze À MESURER
i(1 )
eg ~
1/ relever V(1) lorsque le générateur est relié au dipôle
passif.
Ze
v (1 )
2/ lorsque V(2) = V(1) alors Rsubst = Ze.
Il suffit de lire Rsubst (boite à décade) ou de la
mesurer à l’ohmmètre(potentiomètre) pour connaître
Ze .
Rq : La résistance du GBF est contenue dans Rg .
Le générateur est réalisé par ajout d’une résistance Ra
en série avec le GBF .
M
Montage 2 :
G éné ra teu r
Ru
Rg
E
i(2 )
eg ~
R subs t
3/ Vérifier en visualisant l’image de ie (R1.ie) et ve
ϕ ve/ie = 0 => Ze = Re .
v (2 )
M
2.4.MESURE DE (eth)s (R1,R2,ve) :
(E th )s V( e f )
Q
E
Dg
Du
S
G BF ~
em ax =
f
ve
vs
M
V
M
V e V( e ff)
TRACER (Eth)s = f(Ve) et en déduire (eth)s = f (ve)
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2.5.MESURE DE ZS = RS : MÉTHODE DE LA ½ TENSION
a/ ON MESURE Vs À VIDE : VsVIDE (Valeurs efficace)
b/ ON RÈGLE Rsubst JUSQU’À Vs = Vsvide / 2 , ALORS Rsubst = Rs .
RÉGLER vemax à une VALEUR ASSEZ FAIBLE pour ne pas dépasser l’intensité maximale autorisée
(Ex: pour l’Aop ~ 20 mA (limiteur de Courant)) .GARDER LE CIRCUIT LINÉAIRE !!!
Q
E
Dg
S
G BF ~
em a x =
f
ve
vs
M
V
R sub s t
M
Autre Méthode de substitution , lorsque Rs est très Lorque Vs = Vg / 2 alors Rs = Rv que l’on relève sur
faible :
la boite à décade .
Si Rs est trop faible,on ne peut atteindre la demi
tension et on doit conclure que Rs < Rv.
●
●
●
EXPLIQUER pourquoi à vide vs = (eth)s est en
opposition de phase avec ve .
Vérifier qu’en charge ce déphasage n’est pas
modifié.
En déduire que Zs = Rs .
EXPLOITATION:
1. Calculer le coefficient d'amplification en tension du montage AvEXP = Vs / Ve ;
Comparer avec le résultat théorique AvTHEO. Donner une idée de la précision sous forme : ValeurMesurée +/Erreur .
2. Faire un tableau des grandeurs expérimentales, Théoriques et des écarts relatifs .
3. Avec le relevé du spectre du paragraphe RÉGLAGE DU SYSTÈME EN RÉGIME LINÉAIRE ET VÉRIFICATION ,
et les spectres et signaux simulés dans 2-ÉLÉMENTS DE CORRECTION, MONTRER QUE LE
FONCTIONNEMENT EST LINÉAIRE.
Au cas où vous ne parviendriez pas à obtenir les signaux demandés ( problème de montage....) , vous exploiterez les
signaux simulés ou relevés ci-dessous .
Veuillez lire le texte, signaler les éventuelles erreurs ou imprécisions:
CONCLUSION EN FONCTION DU BUT : MET valable ? , limites de linéarité ?
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ÉLÉMENTS DE CORRECTION :RELEVÉS DU GROUPE FABRICE/FERDINAND
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ÉLÉMENTS DE CORRECTION :RELEVÉS DU GROUPE FABRICE/FERDINAND (MÊME ve)
ÉLÉMENTS DE CORRECTION RELEVÉS PAR
LE GROUPE D'ÉLÈVES ÉMILIE/ DAVID
Calcule de Ze =Ve / Ie:
Ie = 187,2e-3 / 1e4 = 18,72µA (calcul fait avec la loi
d'Ohm aux bornes de la resistance ajoutée)
Ve = 28,6 mV
Ze= 18,72 e-6 / 28,6 e-3 = 1,5 KΩ
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ÉLÉMENTS DE CORRECTION: RELEVÉS DU GROUPE ÉMILIE/ DAVID(SUITE)
MESURE DE (Eth)s = f(Ve) :
VE (mV)
VS (V)
4,400
0,740
6,500
1,279
11,200
1,996
13,600
2,404
15,000
2,645
(Et h)s = f (Ve)
3,0 0 0
2,50 0
(Eth)s (V)
2,0 0 0
1,50 0
Co lo nne B
1,0 0 0
0 ,50 0
0 ,0 0 0
0 ,0 0 0
Pente = 173 (calculé à l'aide d'open office)
10 ,0 0 0
20 ,0 0 0
Ve (mV)
DETERMINATION DE RS :
MESURE DE RE
Paramètre du MET
Théorique (calcul à partir du modèle)
Expérimental (mesure)
ZE = Re
~Re (avec re << Rb) = 1,25 Kohms pour ib = 55µA
855 ohms
(Eth)e
0
0,003V
Zs = Rs
Rc = 1kohms
1,153 kOhms
-(β.Rc/re)Ve = -200.ve (avec β = 200, Rc = re =1Kohms)
(Eth)s
(eth)s ~ -173.ve
EN CONCLUSION, le MET est valable car en fonctionnement linéaire, le coefficient d'amplification est
d'environ 200 ce qui implique qu'il existe des limites de linéarité. Au dessus d'une intensité Ic de 18mA,
l'amplificateur sature et en dessous de Ib=55µ , le transistor est bloqué.
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1. ÉLÉMENTS DE CORRECTION
Simulation
Paramètres: du modèle du transistor utilisé par le
logiciel PSPICE(Fichier Output):
BJT MODEL PARAMETERS
Q2N2222A :NPN
IS
14.340000E-15 : BF 255.9
NF
1 : VAF
74.03 : IKF .2847
ISE 14.340000E-15:NE 1.307:BR
6.092
NR 1 : RB 10 : RBM 10 : RC 1
CJE 22.010000E-12 :MJE .377
CJC 7.306000E-12 :MJC .3416
TF 411.100000E-12 :XTF 3 :VTF 1.7
ITF .6 :TR 46.910000E-09 :XTB
1.5
BF :β maximal, RB :résistance entre base et jonction
Point de fonctionnement du transistor pour
RB = 200KΩ et paramètres du modèle utilisé :
MODEL Q2N2222A
IB 6.20E-05 ; VBE 7.09E-01
IC 1.15E-02 ;VCE 5.34E+00
VBC -4.63E+00 ;BETADC 1.86E+02
GM 4.29E-01 ;RPI 4.48E+02
RX 1.00E+01 ;RO 6.83E+03
CBE 2.15E-10 ;CBC 3.73E-12
CBX 0.00E+00 ;CJS 0.00E+00
BETAAC 1.92E+02 ;FT 3.13E+08
Avec CL1= 1µF ;CL2=1µF ; Cd = 470µF
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Numérotation des nœuds utilisé par
PSPICE
Q1(c=$N_0001 b=$N_0004 e=$N_0002 )
Point de fonctionnement du
transistor(saturé) pour RB = 100KΩ
et paramètres du modèle utilisé :
MODEL Q2N2222A IB 1.33E-04
IC 1.62E-02 ;VBE 7.21E-01
VBC 5.93E-01 :VCE 1.28E-01
BETADC1.22E+02 :GM 5.96E-01
RPI 2.93E+02 :RX 1.00E+01
RO 1.14E+02 :CBE 2.89E-10
CBC4.38E-10 :CBX 0.00E+00
CJS 0.00E+00 :BETAAC 1.75E+02
FT 1.31E+08
Avec CL1 = 1µF ; CL2 = 1µF ; Cd = 470µF
Avec CL1 = 1µF ; CL2 = 1µF ;Cd = 470µF
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2. ÉLÉMENTS DE CORRECTION ; Simulation( suite) :
Avec CL1= 100µF ;CL2=10µF ;Cd=470µF-Saturation
Avec CL1= 100µF ;CL2=10µF ; Cd=470µF - Fonctionnement
linéaire
Avec CL1= 100µF ;CL2=10µF ;Cd=470µF-Saturation
Avec CL1= 100µF ;CL2=10µF ;Cd=470µF-Fonctionnement
linéaire
Saturation
Le Spectre d’amplitude de vs fait apparaître des
harmoniques nouveaux. L’ Harmonique 2 est fort, il
apparaît en plus les harmoniques 3,4,5…à
60KHz,80KGz,100KHz… et une composante continue .
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Fonctionnement quasi linéaire .
Le Spectre d’amplitude de vs ne fait pas apparaître
d’harmoniques nouveaux. L’Harmonique 2 à 40Khz est
relativement faible.
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Mesures des paramètres du MET du quadripôle . Circuit linéaire et circuit non linéaire.
3. ÉLÉMENTS DE CORRECTION: Simulation OREGANO (logiciel libre: Licence GPL)
http://arrakis.gforge.lug.fi.uba.ar/
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