petits signaux

Université
de CAEN
IUT
1ère Année
5ème leçon : L'amplification à transistors,
l'analyse petits signaux
• I. Séparation polarisation / petits signaux
• II. Le bipolaire en petits signaux
– Schéma équivalent en petits signaux
– Paramètres hybrides
• III. Fonctions élémentaires à bipolaires
–
–
–
–
–
–
Mesures
Physiques
Montages en classe A
Darlington
Classe B
Miroir de courant
Paires différentielle
Amplificateur opérationnel
Cours d'électronique
1
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1ère Année
Séparer le continu des petits signaux
R1
RC
C1
RS
uS
Source du
petit signal
Mesures
Physiques
u2
u1
+ U CC
C2
R2
RL
CE R
E
Circuit de polarisation
Cours d'électronique
Charge
Alimentation
2
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Rappel : modèle du bipolaire
• Une diode et un générateur de courant quasiment parfait
iC
iC
uCE
iB
uCE
iB
iB
uBE
iE
Mesures
Physiques
uBE
Cours d'électronique
iE
3
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Une fois le bipolaire polarisé,
il est possible de séparer
le continu des petits signaux
• uBE = UBE + ube ,
avec UBE ~ UD0 = 0.6 V, tension de seuil d'une diode
• iC = I C + i c ,
iC
avec IC courant de polarisation
• rbe = UT/IB est la résistance
dynamique de la diode B-E
ib
uCE
UBE
IB
rBE
iB
ube
iE
uBE
Mesures
Physiques
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4
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Le principe de superposition
permet de traiter les petits signaux seuls
Rappel:
• La somme des courants dans une branche d'un réseau linéaire est la somme des
courants imposés (dans cette branche) par chaque source du circuit, supposée seule
active.
iC
Nous pouvons donc supposer éteintes
les sources continues qui modélisent
la polarisation
ib
uCE
UBE
IB
rBE
iB
ube
iE
uBE
Mesures
Physiques
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5
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Le transistor bipolaire
en petits signaux
• rbe : résistance dynamique de la diode B-E passante.
iC
la transconductance gm
est aussi utilisée :
iB
ic = gm ube =
ib
soit gm =
uCE
ube rBE
ib
rbe
iE
Mesures
Physiques
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6
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Modèle mathématique
du transistor bipolaire en petits signaux
• Le réseau des caractéristiques correspond à un système
d'équations
iC
Effet Early
uBE = f(iB, uCE)
iC = f(iB, uCE)
Source de courant quasi parfaite
Saturé
(mA)
iB croissant
Amplificateur de courant
u CE
iB
(µA)
1V
Bloqué
Diode
uB E
Mesures
Physiques
ib
(V)
ube
(mV)
Cours d'électronique
ic
Entrée
uce
Sortie
ie
7
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Etape 1 : différentiation
Etape 2 : identification
• L'établissement des différentielles est un jeu d'écriture
duBE = uBEdiB +
iB
uBEduCE
uCE
iCdiB +
iB
iC duCE
uCE
diC =
Originellement
(Leibnitz, Descartes), le
calcul différentiel a
commencé comme
"Calcul Infinitésimal".
Nous identifions chaque différentielle à une petite variation autour d'une valeur moyenne
En électronique chaque différentielle correspond à un
petit signal autour d'un point de repos
Mesures
Physiques
Cours d'électronique
duBE = ube
diC = ic
diB = ib
duCE = uce
8
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Etape 3 : Matrice Hybride
• Appelée ainsi parce qu'elle mélange variables d'entrée et de sortie
ube =
ic =
uBEib +
iB
iCib +
iB
uBE
uce
uCE
iC uce
uCE
<=>
ube
ic
ib
= [h]
uce
ube = h11 ib + h12 uce
Soit :
ic = h21 ib + h22 uce
Mesures
Physiques
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Les paramètres hybrides
• Chaque élément de la matrice se déduit de sa place dans le système.
ube = h11 ib + h12 uce
ic = h21 ib + h22 uce
Résistance dynamique de la diode B-E
h11 = rbe =
UT
=
IB
Rétroaction en tension : négligeable
uBE
iB uCE = cte
h12 =
-4
uBE
~ 10 ~ 0
uCE
(uce = 0)
Gain en courant
~ h21 =
Mesures
Physiques
Conductance de sortie : Effet Early
iC
iB
(Implicite)
h22 =
Cours d'électronique
iC
=
uCE
1
10
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Schéma équivalent hybride
• Valable pour le montage en émetteur commun
ic
Entrée
ib
ube
uce
Sortie
ib
ic
h11
ube
1 uce
h22
h12 uce
ie
h21 i b
ib
ic
rbe
ube
uce
~0 uce
Mesures
Physiques
Cours d'électronique
ib
11
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Tracé du schéma équivalent d'un
montage à transistors : Méthode
• Remplacer chaque transistor par
son schéma équivalent
• Remplacer
chaque source de tension
continue par un court-circuit
et chaque source de courant
continu par un circuit ouvert
iC
iB
h21 ib
• Vérifier que chaque noeud est
toujours lié aux mêmes
composants
Mesures
Physiques
1
h22
ube h11
Cours d'électronique
uCE
iE
12
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Exemple de tracé d'un schéma équivalent
• Cas d'un montage base commune :
UCC
Surveiller chaque noeud et ses branches
à chaque nouveau schéma tracé
RC
R1
i2
i1
R2
Mesures
Physiques
RE
RS
u1
RL
es
u2
es
RS
Cours d'électronique
i1
u1 RE rbe ib
ib
i2
RC RL u2
13
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Quelques fonctions élémentaires
à base de transistors bipolaires
• Amplificateurs en classe A
– Paramètres caractéristiques des montages les plus courants
•
•
•
•
•
Darlington ou super-transistor
Amplificateurs en classe B
Miroir de courant
Paire différentielle
Amplificateur opérationnel
– Définition de l'électronique "fonctionnelle"
Mesures
Physiques
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Amplificateurs en classe A
• Fonctionnent autour d'un point de repos où le(s) transistor est
passant => Consomment de l'énergie au repos
• Le point de repos est optimal à mi-chemin du blocage (iC = 0)
et de la saturation (uCE ~ 0), ce qui permet la plus grande
dynamique de sortie
(Dynamique : rapport entre le signal le plus grand et le signal
le plus petit)
• Le rendement Pu/Pa est mauvais : Pu/Pa < 25 %
Remarque : Les impédances d'entrée et de sortie Z1 et Z2 sont vues en deçà des
résistances de polarisation. Les impédances complètes sont notées Z'1 et Z'2 .
Mesures
Physiques
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1ère Année
Propriétés de l'émetteur commun
• Forts gains en tension et en courant, impédances regrettables
UCC
Grande amplification de courant :
Ai = h21 ~ 50 à 250
R1
RC
Petite impédance d'entrée :
Z1 = h11 = rbe ~ 100 à 1000
C2
C1
Forte amplification en tension :
RS
uS
u2
u1
R2
RL
Au =
CE R
E
-h21 RC
(h11 + Rs)
Enorme impédance de sortie :
Z2 = 1/h22 ~
Impédance sortie effective :
Z'2 = RC
Mesures
Physiques
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1ère Année
Emetteur commun découplé
• Forts gains en tension et en courant, impédance d'entrée ajustable :
UCC
Grande amplification de courant :
Ai = h21
R1
RC
Grande impédance d'entrée :
Z1 = h11 + (h21 +1)RE
C2
C1
Forte amplification en tension :
RS
uS
u2
u1
R2
RL
Au =
CE R
E
-h21 RC
(Z1 + Rs)
Enorme impédance de sortie :
Z2 = 1/h22 ~
Impédance sortie effective :
Z'2 = RC
Mesures
Physiques
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1ère Année
Propriétés du collecteur commun
• Montage suiveur de tension quasi idéal :
UCC
R1
RC
Grande amplification de courant :
Ai = -(h21 + 1)
Grande impédance d'entrée :
Z1 = h11 + (h21 +1)RE
CC
Amplification en tension ~ 1 :
C1
C2
Au =
RS
uS
u1
R2
RE
u2
RL
(h21 +1)RE
<1
(Z1 + Rs)
Petite impédance de sortie :
Z2 =
(h11 + RS)
(h21 +1)
Impédance sortie effective :
Z'2 = RE // Z2
Mesures
Physiques
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Propriétés de la base commune
• Grand gain en tension, impédances regrettables :
Amplification de courant ~ 1 :
-h21
Ai =
<1
(h21 +1)
UCC
RC
R1
Petite impédance d'entrée :
Z1 = h11/(h21 +1) ~ 1/gm
i2
i1
R2
Mesures
Physiques
RE
RS
u1
RL
es
u2
Forte amplification en tension :
-Ai RC
Au = (Z1 + Rs)
Enorme impédance de sortie :
Z2 ~
Impédance sortie effective :
Z'2 = RC
Cours d'électronique
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1ère Année
Le Darlington, ou super transistor
• Se comporte comme un collecteur commun avec un gain en courant énorme.
UCC
L'amplification en courant totale
est le produit des deux
:
Rb
T'
u1
IC = ( + 1)( ' + 1)IB
T
I
R
u2
Le gain total en courant ic/ib
peut varier de 2500 à 60000
Ce montage est étudié en TD.
Mesures
Physiques
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1ère Année
Les amplificateurs de classe B
• Le point de repos du système est à IC = 0,
donc la consommation au repos est quasiment nulle
UCC
Rendement optimal : 78 %
u2
R
T1
T1 passant
T2 bloqué
Distortion de
croisement
t
T2 passant
T1 bloqué
u1
Mesures
Physiques
T2
R
u2
RE
Cours d'électronique
Le déblocage des
diodes B-E produit
une distortion au
passage par zéro.
Il est possible de
compenser cet effet.
21
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1ère Année
Le miroir de courant :
la source de courant idéale
UCC
I0
•
I = I0
R0
( + 2)
I
I
T1
T2
I'0
Mesures
Physiques
Cours d'électronique
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1ère Année
La paire différentielle
UCC
• Amplifie la différence
de potentiels (u + - u- )
• Les transistors doivent
être rigoureusement
identiques
(i.e. fabriqués ensembles)
RC
T1
u2
RC
u2
u+
T2
u-
I0
Mesures
Physiques
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IUT
1ère Année
L'amplificateur opérationnel
• Amplificateur de différence u2 = A(u+ - u- )
• Amplification énorme, A ~ 105
• Impédances d'entrées infinies
+UCC
Le modèle simplifié
de l'ao 741 comporte
14 transistors bipolaires
npn et pnp.
Ses propriétés indiquent
une paire différentielle
à l'entrée et un push-pull
en sortie
Mesures
Physiques
-UCC
u+
u2
u-
Cours d'électronique
24