Amplificateurs À Transistor [PDF]

Zitiervorschau

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les amplificateurs à transistors I.

Amplificateur 1. Définition

La fonction amplifier consiste à accroître une grandeur physique d’entrée à l’aide d’une structure électronique appelée amplificateur. Il réalise l’opération mathématique élémentaire de multiplication par une constante. La fonction amplifier est définie comme suit : 𝑉𝑠 𝑉𝑒 II.

Amplificateur

𝑉𝑠

𝑉𝑠 = 𝐾. 𝑉𝑒

𝑉𝑒

Les grandeurs physiques qu’on peut amplifier : la tension, le courant ou la puissance. Suivant les domaines d’utilisations, différents composants peuvent réaliser l’amplification : - le transistor (amplification de courant) - l’amplificateur opérationnel (amplificateur de tension) - transistor à effet de champ (TEC) Les amplificateurs sont utilisés dans quasiment tous les circuits électroniques : ils permettent d’élever un signal électrique, comme la sortie d’un capteur, vers un niveau de tension exploitable par le reste du système. Ils permettent aussi d’augmenter la puissance maximale disponible que peut fournir un système afin d’alimenter une charge. 2. Les caractéristiques d’un amplificateur 

Le gain k

L’amplificateur est caractérisé par son gain K (en puissance, en tension ou en courant) qui correspond au rapport entre les signaux de sortie et d’entrée. Type d’amplification Tension Courant Puissance

Formule de l’amplification 𝑈𝑠 𝐴𝑉 = 𝑈𝑒 𝐼𝑠 𝐴𝐼 = 𝐼𝑒 𝑃𝑠 𝐴𝑃 = 𝑃𝑒

Expression du gain 𝐺𝑉 = 20 ∗ log⁡ (𝐴𝑉 ) 𝐺𝐼 = 20 ∗ log⁡ (𝐴𝐼 ) 𝐺 = 10 ∗ log⁡ (𝐴𝑃 )

L’amplificateur électronique peut être vu comme un quadripôle représenté dans la figure suivante :

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𝐴𝑉0



Impédance d’entrée

On cherche à avoir la résistance d’entrée la plus élevée possible. Pour une amplification idéale, on considère qu’elle est infinie. 𝑍𝐸 = 

𝑉𝐸 𝐼𝐸

Impédance de sortie

On cherche à ce que cette résistance de sortie, soit la plus faible possible. Pour un amplificateur idéal, on la considère nulle. 𝑉𝑆 𝑍𝑆 = 𝐼𝑆 𝐴𝑉0 L’amplification de tension à vide. 

La linéarité

Un amplificateur doit fournir une tension de sortie ayant la même forme que le signal d'entrée, mais d'amplitude supérieure. Si la forme du signal de sortie (à l'amplitude près) est différente de la forme du signal d'entrée, on dit qu'il y a distorsion.



Zone linéaire

La bande passante

Zone de saturation

C’est l’intervalle de fréquence [F1 ; F2], pour lequel on a : 𝐴≥

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𝐴𝑚𝑎𝑥 2

𝑜𝑢 𝐺 ≥

𝐺𝑚𝑎𝑥 2

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II.

Amplificateur de puissance 1. Définition

L’amplificateur de puissance permet de fournir une puissance beaucoup plus grande que celle fournie par le signal de commande, tout en gardant la même forme du signal. Dans la plupart des cas, l’amplification en puissance est une amplification en courant. C’est pourquoi on utilise des transistors bipolaires.

L’alimentation du montage fournie une puissance totale Pf qui se répartit entre la puissance utile Pu dissipée dans la charge et la puissance Pd dissipée, en pure perte, dans l’amplificateur. La puissance Pc fournit par le circuit de commande, est en général négligeable devant celle provenant de l’alimentation. 𝑷𝒖 𝑷𝒄



Le gain en puissance 𝑮𝒑 =



Le rendement 𝜼 = 𝑷



Distorsion : Lorsque l’amplificateur travaille en grands signaux, le signal de sortie présente des distorsions dus à la non-linéarité.

𝑷𝒖 𝒄 +𝑷𝒇

On appelle distorsion d’harmonique notée dn le rapport entre l’amplitude Vsn de l’harmonique de rang n et l’amplitude Vs1 du fondamental 𝒅𝒏 =

𝑽𝒔𝒏 . 𝑽𝒔𝟏

2. Critères de sélection d'une classe d'amplificateur De nombreux critères peuvent être pris en compte lors de la sélection d'un amplificateur. Les points importants étant : − La puissance de sortie ; − Le gain (en tension, en puissance) ; − Le rendement ;

− La fréquence maximale de travail.

− La puissance maximale que peut dissiper l'élément actif ; − La distorsion ;

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Transistor bipolaire III.

Le transistor bipolaire 1. Généralités

C’est un composant semi-conducteur fondamental de l’électronique, ces applications étant que composant touchant principalement au domaine de commutation (en partite ou forte puissance). Comme composant intégré, il entre dans la constitution de tous les circuits intégrés. 2. Structures et symboles Un transistor bipolaire est constitué de 2 jonctions P et N, on peut distinguer dons deux types de structure PNP et NPN. type

Structure

Symbole

Courants/ tensions 𝑰𝒄 = 𝑰𝒃. 𝜷 𝛽 𝑔𝑎𝑖𝑛 𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑢 𝑐𝑜𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡

NPN

Vce=Vcb+Vbe Ie=Ib+Ic Vbe > 0 𝑰𝒄 = 𝑰𝒃. 𝜷 𝛽 𝑔𝑎𝑖𝑛 𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑢 𝑐𝑜𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡

PNP

Vce=Vcb+Vbe Ie=Ib+Ic Vbe < 0

3. Les régimes de fonctionnement Saturation

Blocage

Régime linaire

C

C C

C B

C

C

Vcesat

𝑰𝒄 = 𝑰𝒃. 𝜷 B

B E

E

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E

E

E

E

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P a g e | 82 Exemples : Type NPN PNP

réf 2N2222A 2N2907A

Fabricant Motorola Motorola

Vce0max(V) Icmax(mA) 𝛽 40 800 100300 60 600 100300

Vcesat(V) 0.3 0.4

Ft (MHz) 300 200

 ft : fréquence de transition caractérise la vitesse de fonctionnement. 4. Caractéristiques statiques Caractéristiques de sortie Ic=f(Vce) à Ib=cst Caractéristiques de transfert Ic=f(Ib) à Vce=cst

Caractéristiques d’entrée Ib=f(Vbe) à Vce=cst

5. Polarisation d’un transistor a. Rôles La polarisation a pour rôle de placer le point de fonctionnement du transistor dans la zone linéaire de ses caractéristiques, pour cela on utilise des résistances permettant de limiter les courants d’entrée et de sortie. Le point de fonctionnement est fixé par les valeurs de IB et VBE (caractéristiques d'entrée) et les valeurs de Ic et VCE (caractéristiques de sortie). b. Réalisations pratiques de la polarisation  Polarisation par résistance de base

RC

E RB

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P a g e | 83  Polarisation par réaction d'émetteur

 Polarisation par pont de base et résistance d'émetteur

RC

RC R2

E

RB

Ic

E

Ib

RE

R1

RE

c. Point de fonctionnement statique Pour déterminer le point de fonctionnement du montage, il suffit de tracer la droite d’attaque et la droite de charge dans le réseau de caractéristiques associé au transistor.

Droite d’attaque : loi des mailles appliquée au circuit d’entrée : 𝑽𝑩𝑬 = 𝑽𝑬 − 𝑹𝑩 𝑰𝑩

RC

E RB

Droite de charge : loi des mailles au circuit de sortie : 𝑽𝑪𝑬 = 𝑽𝑬 − 𝑹𝑪 𝑰𝑪

Point S Le point P se situe au milieu de la droite 𝐄

𝐄

de charge : 𝐕𝐂𝐄𝟎 = 𝟐 𝑒𝑡 𝐈𝐂𝟎 = 𝟐.𝐑𝐂

Droite de charge

Point B

Droite d’attaque

Au point P le transistor fonction dans le régime linéaire : Ic=Ib.β

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P a g e | 84 Au point B : 𝑉𝐶𝐸 = 𝐸 → 𝐼𝐶 = 0 → 𝐓𝐫𝐚𝐧𝐬𝐢𝐬𝐭𝐨𝐫 𝐛𝐥𝐨𝐪𝐮é Au point S : 𝑉𝐶𝐸 ≈ 𝑉𝐶𝑠𝑎𝑡 ≈ 0 → 𝐼𝐶 = 𝐼𝐶𝑠𝑎𝑡 → 𝐓𝐫𝐚𝐧𝐬𝐢𝐬𝐭𝐨𝐫 𝐬𝐚𝐭𝐮𝐫é.

6. Modélisation du transistor en zone linéaire Le transistor peut être considéré comme un quadripôle :

Schéma équivalent général :

𝑽𝑩𝑬 = 𝒉𝟏𝟏 . 𝑰𝑩 + 𝒉𝟏𝟐 . 𝑽𝑪𝑬 𝑰𝑪 = 𝒉𝟐𝟏 𝑰𝑩 + 𝑽𝑪𝑬 . 𝒉𝟐𝟐 𝒉𝟏𝟏 =

𝑽𝑩𝑬 𝑰𝑩 𝑽𝑪𝑬=𝟎 𝑽

𝒉𝟏𝟐 = 𝑽𝑩𝑬 𝑪𝑬

𝑰𝑩=𝟎

: Résistance d’entrée

: Gain en tension ≈ 0

𝑰

𝒉𝟐𝟏 = 𝜷 = 𝑰 𝑪

𝑩

𝑽𝑪𝑬=𝟎

𝑰

𝒉𝟐𝟐 = 𝑽 𝑪

𝑪𝑬

𝑰𝑩=𝟎

: Gain statique en courant

: Admittance de sortie

Schéma équivalent simplifié : 𝑕12 = 0 𝑒𝑡

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1 𝑕 22

=∞

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P a g e | 85 7. Type des montages amplificateurs Entrée Base Base Emetteur

Sortie Collecteur Emetteur Collecteur

Type amplificateur Emetteur commun Collecteur commun Base commun

8. Transistor en régime dynamique a. Montage émetteur commun Après avoir polarisé le transistor pour qu’il travaille dans la zone linéaire. Les éléments de polarisation (RC, RB et E)  

Les accès d’entrée et de sortie sont 1 et 2. Les capacités C1 et C2 sont des capacités de liaison.

b. Schéma équivalant Etude en statique (en régime continu) :  

La source sinusoïdale est court-circuitée Les capacités de liaison présentent une impédance infinie  circuit ouvert

Schéma électrique en continu

Les circuits de polarisations fixent les valeurs des tensions VBE, VCE et des courants IB, IC. 𝐸 = 𝑅𝐶 . 𝐼𝐶 + 𝑉𝐶𝐸 𝐸 = 𝑅𝐵 . 𝐼𝐵 + 𝑉𝐵𝐸

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P a g e | 86 Etude dynamique (en régime sinusoïdal)  

La source continue est court-circuitée Les capacités de liaison présentent une impédance nulle à la fréquence de fonctionnement  fil

𝑣𝐶𝐸 =

−𝑅𝐿 . 𝑅𝐶 . 𝑖𝑐 𝑅𝐿 + 𝑅𝐿

La tension de sortie est donc un signal composite, somme de la composante continue 𝑉𝐶𝐸0 et de la composante alternative 𝑣𝐶𝐸 : 𝑽𝑪𝑬 = 𝒗𝑪𝑬 + 𝑽𝑪𝑬𝟎 La droite de charge dynamique ∆’’ est la droite passant par le point de fonctionnement P dans le réseau (IC , VCE) et de pente :

−𝑹𝑳 +𝑹𝑪 . 𝑹𝑳 .𝑹𝑳

pente:

−𝑹𝑳 +𝑹𝑪 𝑹𝑳 .𝑹𝑳

𝑽𝑪𝑬 = 𝒗𝑪𝑬 + 𝑽𝑪𝑬𝟎

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P a g e | 87 c. Paramètres de l’amplificateur Résistance d’entrée Re : 𝑹𝒆 =

𝑽𝟏 𝑰𝟏

Résistance de sortie Rs : 𝑹𝑺 =

𝑹𝑩.𝒉𝟏𝟏

= 𝑹𝑩+𝒉𝟏𝟏

𝑽𝟐 𝑰𝟐

= 𝑹𝒄 (la charge RL est débranchée et V1 court-circuitée)

𝑉2

𝑽𝟐

𝑹 .𝜷

𝑪 Gain en tension Av0 : 𝐴𝑣0 = 𝑉1 , 𝑎𝑣𝑒𝑐 𝑉1 = 𝐼𝐵 . 𝑕11 𝑒𝑡 𝑉2 = −𝑅𝐶 . 𝐼𝐵 . 𝛽  𝑨𝒗𝟎 = 𝑽𝟏 = − 𝒉𝟏𝟏

Le moins indique l’opposition de phase entre les tensions d’entrée et de sortie. Les caractéristiques du montage amplificateur à E.C :     

Gain en tension important Gain en puissance également élevée La phase de tension est de 180 degré Impédance d’entrée moyenne Impédance de sortie moyenne

9. Limitations des transistors bipolaires La puissance dissipée dans le transistor est : Pdmax = VCE.IC IC ICmax PTmax

VCE

VCEmax

Le transistor bipolaire est un amplificateur du courant, le choix du transistor se fait selon les paramètres suivants :     

IV.

VCEmax que peut supporter le transistor Icmax Puissance max que le transistor aura à dissiper Le gain en courant 𝜷 Si le transistor fonction en commutation, VCEsat sera un critère de choix essentiel.

Classe d’amplification de puissance

1. Définition Les classes de fonctionnement des amplificateurs électroniques sont un système de lettres utilisé pour caractériser les amplificateurs électroniques.

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Classe A : La totalité du signal d’entrée (100 %) est utilisée (a = 360°). Classe B : La moitié du signal (50 %) est utilisée (a = 180°). Classe AB : Plus de la moitié mais pas la totalité du signal (50–100 %) est utilisée (180° < a < 360°). Classe C: Moins de la moitié (0–50 %) du signal est utilisée (0 < a < 180°) 2. Classe A

 

Rendement max =25% Généralement utilisés pour réaliser des amplificateurs audio, des amplificateurs hautes fréquences à large bande.

3. Classe B



Le rendement est maximum = 78%

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P a g e | 89 4. Classe AB

5. Classe C

 

V.

Le rendement est maximum = 78%  100% Utilisation : amplificateurs ultrasoniques, hautes fréquences sélectifs et micro-ondes et multiplicateurs de fréquence.

Dissipateur thermique 1. Définition

C’est un dispositif destiné à favoriser l'évacuation des pertes dissipées par les éléments semi conducteurs de puissance. Il s'agit de dispositifs généralement munis d'ailettes, qui doivent de préférence être montées verticalement pour faciliter le refroidissement par convection.

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P a g e | 90 2. Critères de choix du dissipateur La forme du dissipateur : Il existe des dissipateurs adaptés à chaque forme de boitier.

La résistance thermique : Elle s’exprime en degrés par Watt (°C/W) et définie les performances thermiques du dissipateur. Plus elle est petite, meilleur est le dissipateur. 𝐑 𝐭𝐡 =  

𝐓𝐣−𝐓𝐚 𝐏𝐝

Tj : température de la jonction en °C et Ta : température ambiante en °C. Pd : la puissance dissipée en W

Remarque : on peut établir une analogie entre les circuits électriques et les circuits thermiques : Circuits électriques Différence de potentiel (V) Courant (A) Résistance ohmique (Ω)

Tj

Circuits thermiques Différence de température (°C) Courant thermique (puissance en W) Résistance thermique (°C/W)

Pd

Rth

∆T

Ta

𝑷𝒅 = ∆𝑻. 𝑹𝒕𝒉 = 𝑹𝒕𝒉. (𝑻𝒋 − 𝑻𝒂) Le radiateur ou dissipateur thermique assure l’échange thermique entre le composant et l’air ambiant :

La résistance thermique de l’ensemble est la somme des résistances thermiques Rth :    

Rth(J-C) : résistance thermique jonction/boîtier (donnée par le constructeur du composant), Rth(C-R) : résistance thermique boîtier/radiateur (dépend des conditions de montage), Rth(R-A) : résistance thermique radiateur/air (fournie par le constructeur du radiateur). Rth = Rth(J-C) + Rth(C-R) + Rth(R-A)

La puissance dissipée par le composant est définie par la relation : Pd =

Tj Max − Ta Rth

Exemple Un appareil à semi-conducteur doit fonctionner avec une température de jonction ne dépassant pas 90 °C tout en dissipant 14,50 watts vers l’air ambiant à une température de 45 °C. La résistance thermique, jonction vers boîtier, est spécifiée par le fabricant à 2,25 °C/W et la résistance thermique, boîtier vers dissipateur adoptée est de 0,50 °C/W. calculer la résistance thermique du dissipateur Rth(R-A) ? BTS SE1 : Physique Appliquée

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TD : Transistor bipolaire Exercice 1 Le transistor T est caractérisé par un gain statique en courant 𝛽 = 150 et une tension courant 𝑉 𝐵𝐸 = 0.7 𝑉 . On désire obtenir pour le point de polarisation 𝐼𝐶 = 2.5 𝑚𝐴 𝑉𝐶𝐸 = 6 𝑉 et 𝑉𝐸 = 2 𝑉. Polarisation par résistance de base 1. Calculer les valeurs des résistances 𝑅𝐵 , 𝑅𝐶 𝑒𝑡 𝑅𝐸 . 2. On remplace le transistor T par un transistor de même famille mais dont le gain statique en courant 𝛽 = 200. Calculer le nouveau point de polarisation du transistor en conservant la valeur des résistances calculées précédemment. Conclure.

Polarisation par pont diviseur Pour fixer le potentiel de base (𝐼𝐵 𝑓𝑎𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑣𝑎𝑛𝑡 𝐼𝑃 ), on choisira 𝑅1 𝑒𝑡 𝑅2 telles que 𝐼𝑃 = 10 𝐼𝐵 . Calculer les valeurs des résistances 𝑅1 , 𝑅2 , 𝑅𝐶 𝑒𝑡 𝑅𝐸

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P a g e | 92 Exercice 2 Soit le montage de la figure suivante. On suppose que le condensateur C a une impédance nulle aux fréquences de travail. 𝑉𝑐𝑐 = 12 𝑉; 𝑅𝑐 = 4.7𝑘Ω ; 𝑅1 = 80𝑘Ω ; 𝑅2 = 8𝑘Ω ; 𝑕11 = 1,8𝑘Ω ; 𝑕21 = 𝛽 = 100 𝑒𝑡 𝑕12 = 𝑕22 = 0

1. Donner le schéma équivalent du montage en régime basse fréquence petits signaux. 2. Calculer les résistances d’entrée Re et sortie Rs. 𝑉𝑠

3. Calculer l’amplification en tension 𝐴𝑉 = 𝑉𝑒 4. Conclure 5. On peut augmenter la résistance d’entrée, en plaçant une résistance d’émetteur RE=800Ω, reprendre les mêmes questions que précédemment.

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Transistor effet de champ FET I.

Transistors à effet de champ à jonction (JFET) 1. Généralités

Le transistor à effet de champ à jonction, abrégé par la suite TEC ou JFET (Junction Field Effect Transistor) est un transistor spécifique qui présente deux propriétés essentielles intéressantes : – un courant d’entrée quasi-nul (résistance d’entrée quasi infinie) ; – pour une tension continue de sortie nulle, le transistor peut être assimilé à une résistance commandée par la tension d’entrée. Comparaison avec le transistor bipolaire : – Très forte impédance d’entrée (MΩ) – Facteur de bruit inférieur au transistor bipolaire. 2. Structure et symboles Un transistor JFET possède trois bornes :   

la grille (g) le drain (d) la source (s)

Il existe deux types de transistors JFET : FET à canal N

FET à canal P

D

D ID

G

IG IS

G S

S

- la tension VDS est positive - la tension VGS est négative ou faiblement positive (< 0,6 V) - le courant de grille est quasiment nul IG = 0 - le courant entre dans le transistor par le drain (ID) - le courant sort du transistor par la source (IS) Loi des nœuds : IS = ID

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- la tension VDS est négative - la tension VGS est positive ou faiblement négative (> - 0,6 V) - le courant de grille est quasiment nul IG = 0 - le courant entre dans le transistor par la source (IS) - le courant sort du transistor (ID) Loi des nœuds : IS = ID

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P a g e | 94 3. Caractéristiques statiques du TEC à canal N



Si VDS > Vp  ID constant dans la zone de saturation du transistor

  

ID=0 pour VGS=VGSoff=-Vp ; avec Vp tension de pincement. Si VGS =0  ID= IDss Pour des valeurs faibles de VDS le FET est équivalent à une résistance Rds. 4. Paramètres statiques du TEC

  

Paramètres d’entrée : IG et VGS Paramètres de sortie : ID et VDS La tension VGS est toujours négative  la jonction Grille-Source est polarisée en inverse donc IG ≈ 0 a. Loi de variation du courant ID dans la zone de saturation 𝑰𝑫 = 𝑰𝑫𝒔𝒔 (𝟏 −

𝑽𝑮𝑺 𝟐 ) 𝑽𝒑

b. Résistance Grille-Source La jonction Grille-Source est polarisée en inverse donc IG ≈0. 𝑹𝑮𝑺 =

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∆𝑽𝑮𝑺 = 𝟏𝟎𝑴Ω → 𝑡𝑟è𝑠 𝑔𝑟𝑎𝑛𝑑𝑒 ∆𝑰𝑮

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P a g e | 95 c. Résistance Drain Source 𝑅𝐷𝑆 =

∆𝑉𝐷𝑆 ∆𝐼𝐷

dépend de la zone d’utilisation du TEC.

d. Transductance ou pente gm : 𝒈𝒎 =

∆𝑰𝑫 ∆𝑽𝑮𝑺

𝑽𝑫𝑺=𝒄𝒕𝒆

Pour un JFET, on a : 𝑰𝑫 = 𝑰𝑫𝒔𝒔 (𝟏 −

𝑽𝑮𝑺 𝟐 ) 𝑽𝒑

En dérivant on obtient : 𝒈𝒎 =

𝒅𝑰𝑫 𝟐. 𝑰𝑫𝒔𝒔 𝑽𝑮𝑺 =− (𝟏 − ) 𝑽𝒑 𝑽𝒑 𝒅𝑽𝑮𝑺

Cette pente est maximale lorsque VGS = 0, elle est alors égale à : 𝒈𝒎𝟎 = −

𝟐.𝑰𝑫𝒔𝒔 𝑽𝒑

D’où : 𝒈𝒎 = −

𝟐. 𝑰𝑫𝒔𝒔 𝑽𝑮𝑺 𝑽𝑮𝑺 𝑰𝑫 𝟏− = 𝒈𝒎𝟎. 𝟏 − = 𝒈𝒎𝟎. 𝑽𝒑 𝑽𝒑 𝑽𝒑 𝑰𝑫𝒔𝒔

Exemple du Transistor JFET : BF245C

La température de jonction en fonction de ID et VGS

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P a g e | 96 Caractéristiques de transfert et de sortie

IDss

VGSoff

Caractéristique de transfert ID (VGS) à VDS=cst

Caractéristique de transfert ID (VDS) à VGS=cst

Zone de blocage La tension VGS règle le courant qui circule dans le transistor (ID). • ID est maximal (IDSS = ……. mA) pour VGS = 0 V. • ID diminue quand |VGS| augmente. • Pour VGS < VGSoff , on peut considérer que le courant ID est …… (< 10 nA) : le transistor est bloqué (off). Zone ohmique Pour de faibles niveaux de la tension VDS, la caractéristique de sortie est linéaire : le transistor se comporte comme une résistance (RDSon). Par exemple, pour VGS = - 2 V : RDSon = ……… Ω VGS = - 3 V RDSon = ……….Ω Vgs=-2V Vgs=-3V

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P a g e | 97 Exercice d’application On désire alimenter une LED à courant constant (10 mA) avec une source de tension (Vcc) qui peut évoluer entre 12 et 24 V. Pour cela, on utilise un transistor JFET BF245C (IDSS = 17 mA, ce qui est suffisant pour fournir 10 mA) fonctionnant en source de courant : 1) Calculer la valeur de la résistance R. ……………………………………………………………………………… …………………………………… 2) Calculer la tension Vcc minimale qui permet d’avoir un courant de 10 mA. On donne : Tension aux bornes de la LED : 2,0 V pour 10 mA ……………………………………………………………………………… ………………………………… 3) Le data sheet du transistor indique que : P = 300 mW (max). Vérifier qu’il n’y a pas de problèmes d’échauffement du transistor. ……………………………………………………………………………… …………………………………… Remarques - Il n’existe pas de transistor JFET de puissance (IDSS est limité à quelques dizaines de mA). - Les transistors JFET ont un faible bruit électrique (inférieur à celui des transistors bipolaires). - Les transistors JFET sont couramment utilisés dans les amplificateurs à hautes fréquences (plusieurs centaines de MHz).

II.

Polarisation du TEC à canal N en zone de saturation

Objectif de la polarisation : Fixer les valeurs des tensions VGS0, VDS0 et du courant ID0 pour l’utilisation du transistor en alternatif Conditions à respecter : –Vp < VGS ≤ 0 et VDS ≥ 0 1. polarisation automatique en zone de saturation

  

IS=IG+ID avec IG très faible (IG ≈ 0)  ID=IS RG élevée RD et RS servent à limiter le continu

Equation de la droite de polarisation ou droite d’attaque : 𝑉𝐺𝑆 = −𝑅𝐺. 𝐼𝐺 − 𝑅𝑆. 𝐼𝑆

Puisque 𝐼𝐺 = 0 𝑒𝑡 𝐼𝑆 ≈ 𝐼𝐷

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 𝐼𝐷 = −

𝑉𝐺𝑆 𝑅𝑆

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P a g e | 98 Equation de la droite de charge statique : 𝑉𝐷𝐷 − 𝑉𝐷𝑆 = 𝑅𝐷. 𝐼𝐷 + 𝑅𝑆. 𝐼𝐷 Car ID=IS  𝐼𝐷 =

𝑉𝐷𝐷 −𝑉𝐷𝑆 𝑅𝐷+𝑅𝑆

2. Schéma équivalent du TEC en régime dynamique Schéma équivalent du TEC en alternatif dans la zone de saturation .Le transistor est considéré comme un quadripôle.

Schéma équivalent général en BF :

Schéma équivalent simplifié, pour 𝑅𝐺𝑆 → ∞ :

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III.

Amplificateur à TEC à polarisation automatique 1. Montage source commune

 

Les accès d’entrée et de sortie sont 1 et 2. Les capacités C1, C2 et Cs sont des capacités de découplage. a. Schéma équivalent en continu

 

Le point de fonctionnement du transistor est imposé par les éléments du montage ID0, VGS0 et VDS0 sont fixés un signal alternatif vGS(t) peut être superposé au signal continu VGS0 b. Schéma électrique en régime sinusoïdal

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P a g e | 100 Schéma équivalent (RGS et RDS sont négligées) :

c. Droite de charge dynamique 𝑅𝐿.𝑅𝐷

𝑣𝐷𝑆 = − 𝑅𝐿+𝑅𝐷 . 𝑖𝐷 

La droite de charge dynamique ∆est la droite passant par le point de fonctionnement de coordonnées (ID0, VDS0) et de pente : −

1 𝑅𝐿 + 𝑅𝐷 =− RL//RD 𝑅𝐿. 𝑅𝐷

Équation de la droite de charge dynamique : 𝐼𝐷 𝑡 = − 

𝑅𝐿 + 𝑅𝐷 𝑣𝑑𝑠 − 𝑉𝐷𝑆0 + 𝐼𝐷0 𝑅𝐿. 𝑅𝐷

Une petite variation de la tension d’entrée vGS(t) autour de VGS0 entraine des variations de courant iDS(t) autour de ID0 et de tensions vDS(t) autour de VDS0.

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P a g e | 101 d. Caractéristiques électriques de l’amplificateur en fonctionnement alternatif





 

Gain en tension GV (en charge) : 𝐺𝑉 = −𝑔𝑚

𝑅𝐿. 𝑅𝐷 𝑅𝐿 + 𝑅𝐷

𝐺𝑖 = −𝑔𝑚

𝑅𝐺. 𝑅𝐷 𝑅𝐿 + 𝑅𝐷

Gain en courant GI :

Résistance d’entrée Re : Re=RG Résistance de sortie Rs : Rs =RD (court-circuitée la tension VGS). 2. Autres types de montage a. Montage drain commun

b. Grille commune

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TD : Transistor JFET Exercice 1 Soit le montage de la figure suivante. On donne le courant : IDSS = 12 mA, la pente : gm0 = 8 mS, la résistance : RG = 1 MΩ et RD = 3 kΩ. 1. On désire polariser le transistor à la valeur UGS = UP/2. Donner la valeur de la résistance RS qui permet d’avoir cette polarisation. 2. Pour la valeur trouvée de RS, déterminer la valeur du courant ID qui circule dans le drain ainsi que la tension UDS. 3. Tracer la droite de charge statique et placer le point de repos P.

Exercice 2 Soit le montage dans la figure. On donne : VP = −4 V , IDSS = 10 mA, VDD = 10 V et RG1 = 100 kV. 1. Écrire l’équation de la droite de charge du transistor ID = f (VGS), tracer la droite de charge et choisir un point au milieu de cette droite. 2. En déduire la valeur de VGS et calculer la valeur de RG2.

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P a g e | 103

Exercice 3 L’étude porte sur la caractérisation du circuit de la figure ci-dessous sous la forme d’un dipôle et d’un quadripôle. Le transistor à effet de champ possède les caractéristiques IDSS = 15 mA,VP = −6 V . La résistance Rch représente la charge extérieure de l’étage. Les condensateurs ont une fonction de liaison (couplage).

Etude du régime continu

1. Déterminez les points de fonctionnement du transistor.

Etude du régime dynamique faible signaux aux fréquences moyennes 2. Dessinez le schéma et évaluez le paramètre gm du modèle du transistor ( rds = ∞ ). 3. Calculez la résistance d’entrée Ze vue par le dipôle d’attaque (vg , rg ). 4. Ecrivez les expressions des éléments du dipôle de Thévenin ( vs0 , Zs ) du montage attaquant la charge Rch . 5. Identifiez les éléments du quadripôle représentatif de l’amplificateur de tension, attaqué par le dipôle d’attaque et chargé par Rch . 6. Evaluez le transfert en tension vs /vg .

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P a g e | 104

Les Amplificateurs sélectifs I.

Introduction

Il est parfois nécessaire de sélectionner des signaux de fréquences bien déterminées comme dans les transmissions radio, il faut alors amplifier les signaux dont les fréquences sont comprises entre deux limites telles que l'écart "B" qui les sépares soit faible devant les valeurs de ces fréquences, d’où la notion d'amplification sélective dont la courbe de réponse idéale est rectangulaire.

Courbe de la réponse idéale d'un Amplificateur Sélectif

Courbe de la réponse réelle d'un Amplificateur Sélectif

Facteur de qualité Q : 

Le facteur de qualité est le rapport de la fréquence propre fo (fréquence à laquelle le gain est maximal) à la largeur de la bande passante B : 𝑸 =

 

II.

𝒇𝟎 𝑩

Plus le facteur de qualité est élevé, plus la bande passante est petite, et plus la résonance est "piquée". Le facteur de qualité permet donc de quantifier la qualité d'un filtre. Plus Q est élevé  plus le filtre est sélectif.

Amplificateur sélectif à circuit intégré linaire

Amplificateur opérationnel parfait : 𝑉 + = 𝑉 − 𝑍𝑒𝑞 = 𝑍𝑅//𝑍𝐿//𝑍𝐶 𝑉+ = 0 𝑉𝑒+𝑅.𝑌.𝑉𝑠  𝑉 − = 1+𝑅.𝑌 𝑇=



1

1

1

𝑌 = 𝑍𝑒𝑞 = 𝑅′ + 𝑗𝐶𝑤 + 𝑗𝐿𝑤

𝑉𝑒+𝑅.𝑌.𝑉𝑠 1+𝑅.𝑌

=0

𝑉𝑠 1 −1 =− = 𝑉𝑒 𝑅. 𝑌 𝑅 1 + 𝑗(𝐶𝑤 − 1 ) 𝑅′ 𝐿𝑤 𝑉𝑠

1

𝑇 = 𝑉𝑒 = − 𝑅.𝑌 =

−1 𝑅 𝑅′

1 ) 𝐿𝑤

1+𝑗𝑅 ′(𝐶𝑤−

=

𝑅′ 𝑅

−

𝑻=

𝑹′

𝑹′

𝑨𝟎 𝒘 𝒘𝟎 𝟏 + 𝒋𝑸 − 𝒘𝟎 𝒘

Avec : 𝑨𝟎 = − 𝑹 ; 𝑸 = 𝑹′ . 𝑪. 𝒘𝟎 = 𝑳.𝒘𝟎 = 𝑹′ . BTS SE1 : Physique Appliquée

Amplificateur sélectif en moyenne fréquence

1 ) 𝐿𝑤

1+𝑗𝑅 ′(𝐶𝑤−

𝑪 𝑳

𝒆𝒕 𝒘𝟎 =

𝟏 𝑳.𝑪

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P a g e | 105 Diagrame de Bode : Q=20 Q=65

Q=100

III.

Amplificateur à circuit oscillant

Un circuit bouchon (oscillant) accordé sur une fréquence f0, constitue la charge d'un étage amplificateur à transistor à effet de champ.

A.S a circuit accordé

Schéma équivalent en régime des petits signaux

On pose : 𝑹 = 𝑹𝒅𝒔//𝑹𝒖 

𝟏

𝟏

𝟏

𝒀 = 𝒁 = 𝑹 + 𝒋𝑪𝒘 + 𝒋𝑳𝒘 𝑽𝒔 = −𝒈𝒎. 𝑽𝒆. 𝒁 = −

𝑻=

𝒈𝒎. 𝑽𝒆 𝒀

𝑽𝒔 𝒈𝒎 −𝒈𝒎 −𝒈𝒎. 𝑹 =− = = 𝑹 𝟏 𝟏 𝑽𝒆 𝒀 𝟏 + 𝒋(𝑹𝑪𝒘 − ) 𝑳𝒘 𝑹 + 𝒋(𝑪𝒘 − 𝑳𝒘) 𝑻=

𝑨𝟎 𝒘 𝒘𝟎 𝟏 + 𝒋𝑸 𝒘𝟎 − 𝒘

𝑹

Avec : 𝑨𝟎 = −𝒈𝒎. 𝑹 ; 𝑸 = 𝑹. 𝑪. 𝒘𝟎 = 𝑳.𝒘𝟎 = 𝑹.

𝑪 𝑳

𝒆𝒕 𝒘𝟎 =

𝟏 𝑳.𝑪

avec 𝑹 = 𝑹𝒅𝒔//𝑹𝒖

w0 est la pulsation propre du circuit oscillant et Q est le coefficient de qualité. BTS SE1 : Physique Appliquée

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P a g e | 106 Courbe de réponse : 𝒘 𝒘𝟎 𝟐 𝑻𝒅𝑩 = 𝟐𝟎. 𝒍𝒐𝒈 𝑨𝟎 − 𝟐𝟎𝒍𝒐𝒈 𝟏 + 𝑸𝟐 ( − ) 𝒘𝟎 𝒘 𝒘 𝒘𝟎 𝒂𝒓𝒈 𝑻 = 𝝋 = 𝝅 − 𝒂𝒓𝒄𝒕𝒈 𝑸. ( − ) 𝒘𝟎 𝒘

Diagramme de Bode

Bande passante. Facteur de mérite On cherche les pulsations qui vérifient : 𝑇 = 𝑇 =

𝐴0 2

=

𝑨𝟎 𝟏+𝑸𝟐

𝒘 𝒘𝟎 𝟐 − 𝒘𝟎 𝒘

 𝟏 + 𝑸𝟐

Les solutions de l’équation : 𝒘𝟏 =

𝐴0 2

ou 𝑇𝑑𝐵 = 𝐴0𝑑𝐵 − 3𝑑𝐵

𝒘𝟎 𝟐 𝒘 − 𝒘 𝒘𝟎

−𝒘𝟎 𝒘𝟎 + 𝟐𝑸 𝟐𝑸

La bande passante : 𝑩𝒓𝒂𝒅/𝒔 = 𝒘𝟐 − 𝒘𝟏 =

𝒘𝟎 𝑸

= 𝟐  𝑸𝟐

𝒘 𝒘𝟎 𝟐 − 𝒘𝟎 𝒘

𝒘𝟎

=𝟏

𝒘𝟎

𝟏 + 𝟒𝑸𝟐 et 𝒘𝟏 = 𝟐𝑸 + 𝟐𝑸 𝟏 + 𝟒𝑸𝟐 et 𝑩𝑯𝒛 = 𝒇𝟐 − 𝒇𝟏 =

𝒇𝟎 𝑸

La bande passante est inversement proportionnelle au coefficient de qualité. Le facteur de mérite M : Le facteur de mérite est égal au produit de la bande passante par l'amplification maximale en tension : 𝐌 = 𝐁. 𝑨𝟎 = 𝐁. 𝐠𝐦. 𝐑 =

𝐰𝟎 . 𝐠𝐦. 𝐑 𝐐

=

𝐠𝐦 𝐂

Le facteur de mérite est constant, il est indépendant de la résistance de charge.

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P a g e | 107

TD : Amplificateurs sélectifs Un amplificateur sélectif a pour fonction d’amplifier de manière sélective les signaux dont la fréquence est dans la bande passante.

1. Exprimer l’admittance équivalente Y de ce dipôle. 2. Le montage de l'amplificateur sélectif est construit autour d'un amplificateur opérationnel. Z1 est une résistance R; Z2 est le dipôle précédent.

a. En déduire T=Vs/Ve en fonction de Z1 et de Z2. b. Mettre T sous la forme : −𝑨𝟎 𝑻= 𝒘 𝒘𝟎 𝟏 + 𝒋𝑸 𝒘𝟎 − 𝒘 Donner: ● Ao en fonction de R et Rp; ● ωo en fonction de C et Lp; ● Qo facteur de qualité du montage en fonction de Rp, Lp et ωo. 3. Calculer le facteur de mérite M

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P a g e | 108

Les amplificateurs HF I.

Récepteur super hétérodyne

Les premiers récepteurs à changement de fréquence ont été mis à la portée du grand public en 1920 sous l’appellation "superhétérodyne“, 1. Définition Le récepteur superhétérodyne est la structure de récepteur la plus utilisée, tant en radio qu'en télévision ou en hyperfréquences (radar, GSM, GPS...). Elle est caractérisée par l'utilisation d'un étage changeur de fréquence, ce qui permet une amplification plus aisée du signal.

2. Schéma synoptique fe Mélangeur Filtre de présélection

Amplificateur HF

Filtre sélectif de FI

Oscillateur local f0

Amplificateur de FI

Démodulation

Amplificateur audio fréquence

Le signal modulé de fréquence fe est capté par l’antenne. Celui ci est amplifié de manière sélective par l’amplificateur HF. L’amplificateur HF à une largeur suffisante pour laisser passer tous les canaux (toutes les stations en radio) de la bande. Le signal est ensuite mélangé avec l’oscillateur local. Le signal obtenu est à la fréquence fI . On a fI= |fe-fo| ou fI = fe+fo . Quand on change de station, la fréquence d’entrée fe varie, la fréquence de l’oscillateur local fo varie mais la fréquence fI reste fixe. Ce qui permet d’avoir tout le temps la même sélectivité quelque soit la station reçue. La notion de sélectivité est abordée dans un paragraphe ultérieur. Le démodulateur permet de retrouver le message basse fréquence. L’intérêt de la structure est que la démodulation se fait à fréquence fixe quelque soit la station reçue. Le démodulateur est un démodulateur d’amplitude ou de fréquence.

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P a g e | 109 3. Structure d’un récepteur FM

Un récepteur radio à changement de fréquence pour la radiodiffusion FM a les caractéristiques suivantes :    

il est construit pour recevoir la bande de fréquences allant de 88 à 108 MHz dans la bande FM, chaque émetteur occupe une bande de fréquence de largeur B = 250 kHz environ la valeur standard du filtre fi est de fi = 10,7 MHz et sa largeur est de 300 kHz la plage couverte par l’oscillateur local va de fo = 77,3 à 97,3 MHz

Exemple : Si on veut capter l’émetteur de Hit Radio à f = 99,5 MHz : l’oscillateur local sera réglé à fo = 88.8 MHz en sortie du mélangeur, l’émission de Hit Radio se retrouvera à f + fo = 110,2 MHz et à f - fo = 10,7 MHz. le signal à 10,7 MHz traversera le filtre fI, et sera amplifié puis démodulé. Pour recevoir une émission à la fréquence f, il faut régler l’oscillateur local à la fréquence fo telle que : 𝒇 − 𝒇𝒐 = 𝒇𝑰  

en radiodiffusion AM, la valeur standard est fI = 455 kHz en radiodiffusion FM, la valeur standard est fI = 10,7 MHz

4. La technologie des filtres fI Différents types de filtres fi sont disponibles, permettant d’obtenir une courbe de réponse proche du gabarit idéal :

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P a g e | 110

le filtre fi céramique utilisé en AM (fi = 455 kHz, B = 10 kHz) et FM (fi = 10,7 MHz, B = 300 kHz)

le filtre à onde de surface, pour les fréquences supérieures à 50 MHz (TV, GSM …)

5. Le problème de la fréquence image Cette structure quasi idéale a un défaut puisque 2 émetteurs seront reçus pour une valeur donnée de l’oscillateur local fo : Pour recevoir l’émetteur de Hite Radio à f = 99,5 MHz, on règle fo = 88.8 MHz La fréquence f’ = fo - fi = 78,1 MHz mélangée à 88.8 MHz tombera aussi à 10,7 MHz, s’il y a un émetteur qui émet à cette fréquence f’, il sera reçu et se superposera à Hite Radio.  Cette deuxième fréquence f’ est appelée fréquence image de f L’émetteur image peut être supprimé par un filtre de bande qui sélectionne la bande à recevoir et supprime la bande image.

f - fo = fi soit f = fo + fi et fo - f’ = fi soit f’ = fo - fi un émetteur et son image sont symétriques par rapport à fo. un émetteur est séparé de son image par un intervalle égal à 2fi.

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P a g e | 111 La suppression de l’image est d’autant plus facile qu’il est éloigné de l’émetteur à recevoir, d’où l’intérêt de choisir une fI élevée :    

fi = 10,7 MHz pour une réception autour de 100 MHz (bande FM) fi = 455 kHz pour une réception autour de 1 MHz (bande PO) fi = 38,9 MHz pour une réception autour de 400 à 800 MHz (bande TV) fi = 70 à 250 MHz pour une réception autour de autour de 900 MHz (bande GSM)

6. Les dispositifs mélangeurs Pour réaliser la fonction de mélange, on dispose d’un grand choix de composants parmi lesquels il faut effectuer son choix en fonction de la fréquence de travail, des performances souhaitées et du coût : a. Le multiplieur analogique AD835 Il permet de multiplier deux signaux de forme quelconque, mais est coûteux et limité en fréquence.

 Lorsque la fréquence augmente l’amplitude démunie b. cellule de Gilbert Le mélangeur à cellule de Gilbert, le plus utilisé actuellement jusqu’à 2 GHz, qui allie bon fonctionnement, prix de revient réduit et facilité d’intégration. Il équipe les récepteurs radio FM (88 à 108 MHz), les récepteurs de télévision (400 à 800 MHz), les téléphones GSM (900 MHz) et dans les réseaux locaux sans fil de type Ethernet ou Bluetooth (2,45 GHz) etc …

Mélangeur de Gilbert NE612 et son schéma

interne

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