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1
ElectroniqueElectroniqueAnalogiqueAnalogique
François MARIEMaître de Conférences
Université de Rennes 1Bâtiment 12 D
Porte 12N°: 02 23 23 57 99
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2
Electronique Electronique AnalogiqueAnalogique
Introduction
La jonction PN
Le transistor bipolaire
Les montages amplificateurs
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Electronique Analogique IntroductionElectronique Analogique Introduction
Amplification d’un phénomène physique, identifier
• les variables d’entrées,• l’énergie qui va fournir l’amplification.
Exemples :
1) Augmentation de la vitesse d’un véhicule mobile Vitesse de rotation moteur, Energie thermique via le carburant.
2) Augmentation du débit de l’eau dans une canalisation• Pression,• Energie potentielle (hauteur du château d’eau).
Vanne hydrauliqueRégulation de la pression P3
Pression P1
P2
P3
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Electronique Analogique IntroductionElectronique Analogique IntroductionDans le cadre de l’électricité, et pour amplifier un signal électrique dépendant du temps :
• Variables : i(t), v(t)
• Energie : alimentation continue (E, Vcc)
L’alimentation continue fournit l’énergie aux composantsde l’amplificateur
Vs > VeVe Amplificateur
Alimentation continue
Le contrôle d’une amplification passe par la maîtrise du flux d’électrons.
+ -
Anode
Grille : Contrôle du flux d’électrons
cathode
Alimentation continue 1000V
Chauffage cathode 20 A sous 6V
e
Tubes : obsolètes sauf pour les amplificateurs > 1kWTDF (broadcast) = 500kW TUBES
Tube électronique
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La jonction PNP N
V
I
Dans un semi conducteur dopé N:• les porteurs majoritaires sont les électrons,• les porteurs minoritaires sont les trous.
Dans un semi conducteur dopé P:• les porteurs majoritaires sont les trous,• les porteurs minoritaires sont les électrons.
La jonction PN au repos
P N++++
++++
++++
++++
++++
++++
----
----
----
----
----
-----
- -
-
++
+
+
+
Porteurs majoritairesPorteurs minoritaires
--
-
-
-+
+
+
5 e
e
e
ee: libre
4
e
e
e3 e
e
e4
e
e
eBore ArsenicSilicium Silicium
trou
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6
La jonction PN au repos
P N++++
++++
++++
--
--
++++
++
++
----
----
----
----- -
--
- +++
+
Porteurs majoritaires ions fixes
Porteurs minoritaires
++
-
E
dxdVE
V = barrière de potentielV = 0.6 V
5 e
e
e
ee: libre
4
e
e
e3 e
e
e4
e
e
e
Ion négatif Ion positif
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7
La diode en inverse
P N++++
++++
++++
--
--
++
++
----
----
----
----- -
--
- +++
+
Porteurs minoritaires
++
-
E
Le champ total au niveau de la jonction :ET = E+Ealim
Valim
Ealim
ETF = -e.E
Is
Is = 1nA = 10-9A
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8
La diode en directe
P N++++
++++
++++
----
----
----
----- -
--
- +++
+
Porteurs minoritaires
++
-
Le champ total au niveau de la jonction : ET = Ealim-E > 0
Valim
Ealim
ET
F = -e.E
Id
Id > 0
++++
++++
----
----
Il faut que Valim > barrière de potentiel
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9
La diodeLa diodeSymbole:
A Ki
u
i = Is.(exp(u/Ut)-1)
Is: Courant inverse ~ 10-9A dépend de T Ut: KT/q ≈ 25mV avec proche de 1K: Constante de BoltzmanT: température en °Kq : charge de l’électron
VBR
u
i
Vo
imax
umaxIs
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Diode polarisationDiode polarisation
E
uD = UD + ud
iD = ID+id
eg
RD
Etude statique (eg = 0):•ID = Is.(exp(UD/Ut)-1)
•E = UD+R.ID
UD
ID
Droite de charge
UDo
IDo
Point de polarisationOu Point de repos
E
E/R
Mo
Maille de tension
ID=(E – UD)/R
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11
Diode polarisationDiode polarisation
E
uD = UDo + ud
iD = IDo+ id
eg
RD
Etude dynamique (eg ≠0):•iD = Is.(exp(uD/Ut)-1)•E+eg = uD+R.iD
uD
iD
E+egUDo
IDo
zone de fonctionnement
E
E/R
E-eg
eg
UDo : tension continueud: tension alternativeuD : somme des tensions
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Diode et petits signauxDiode et petits signauxHypothèse de la linéarisation:Les variations dans la zone de fonctionnement sont
faibles par rapport au point de polarisation.On assimile la zone de variation à une droite qui
correspond à la tangente au point de repos. La pente de la droite peut être obtenue par le calcul de la dérivée de la caractéristique de la diode au point de repos.
(d iD/d uD)Mo = 1/Rd ou Rd est la résistance dynamique de la diode
Rd = Ut/IDo
ud= Rd.id
id
eg
RRd
Ut ≈ 25mV, C’est une constante! Ut ≠ UD
UtI
UtII
uddi
eIIi
eUtI
uddi
DosDo
MD
D
Utu
sDoMD
Utu
s
MD
D
o
oD
o
D
o
)1.(
.
)(
)(
E CE
Zc = 1/(jC)
Zc 0 (C.C.) ∞
0
Zc = 1/(jC)
Zc ∞ (C.O.)
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Le transistor bipolaire
Un transistor bipolaire est un dispositif à semi conducteur comprenanttrois régions de dopage alternées réalisant ainsi deux jonctions. Il existe donc deux types de transistors.
SymboleType NPN
Type PNP
C
E
B
C
E
B
N NPE
B
C
P PNE
B
C
E: émetteur fortement dopéB: base peu dopée et d’épaisseur faibleC: collecteur moins dopé que l’émetteur
Nota : bien que le transistor soit en apparence symétrique, il n’est pas souhaitable de permuter émetteur et collecteur car les jonctionsB-E et B-C ne sont pas identiques.
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Transistor NPN
P N++++
++++
--
--
++
++
----
----
----
----
-
- +++
+++
-
EBE
Ic
----
----
----
++ +
+ ++
N EBC
Collecteur
Base
K
Emet
teur
IB
IE
V1
V2
Interrupteur K : ouvert
P N++++
--
++
----
----
----
-
- +++
+++
-
ET = E1 –EBE> 0
Ic
----
----
----
++ +
+ ++
N
Collecteur
Base
K
Emet
teur
IB
IE
V1
V2
Interrupteur K : fermé
F = -eE++
--
ET = E2+EBC
F = -eEe
On impose un sens aux courants IE, IC, IB
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Transistor NPN
BBCBC
BCB
C
IIII
III
..)1(1
11
P N++++
--
++
----
----
----
-
- +++
+++
-
ET = E1 –EBE> 0
Ic
----
----
----
++ +
+ ++
N
Collecteur
Base
K
Emet
teur
IB
IE
V1
V2
Interrupteur K : fermé
F = -eE++
--
ET = E2+EBC
F = -eEe
e
IC = ICB-IE Note: ICB : courant inverse de la jonction
Dans la réalité, cette relation est approchée car certains des électrons au cours de leur transit dans la base en profitent pour sortir de la base.
IC = ICB- αIE α < 1 est symbolise l’effet transistorLa loi des nœuds impose : IE+IC+IB = 0
BE II )1( IE est dans le sens opposé à celui choisi au départ
0.95<α <0.995
20 <β<200
On impose un sens aux courants IE, IC, IB
β évolue avec IC et t°
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16
Le Transistor bipolaireLe Transistor bipolaire
Le varie en fonction du courant de collecteur IC et de la température de la jonction du transistor.
Si la température est maintenue constante, laisse apparaître une valeur maximale en fonction du courant Ic.
Si Ic est maintenu constant et que t° augmente alors augmente
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Le Transistor bipolaireLe Transistor bipolaireSymboles:
Type NPN
Type PNP
C
E
B
C
E
B
E: EmetteurB : BaseC: Collecteur
Vérification statique d’un transistor:
BC
E
B
C
E
BC
E
BC
E
NPN
PNP
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Le Transistor bipolaireLe Transistor bipolaireEffet transistor:
Type NPN
Type PNP
C
E
B
C
E
B
Caractéristique électrique du transistor:
BC
E
VCE
VBE
IC
IE
IB
-VCE
-VBE
-IC
-IE
IE = IC + IB
IC = β.IB
VBE = 0.6 V
VCEVBE
IC
IB
IE
Le transistor a trois pattes. Pour avoir un quadripôle,une des pattes doit être commune entre l’entrée et la sortie
-IB
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Le Transistor bipolaireLe Transistor bipolaireCaractéristique d’entrée I B = fct(V BE)
Caractéristique de sortie I C = fct (V CE)
IB
VBE
Caractéristique d’une diode
VCE = constante
VCE
IC
IB1
IB2
IB3
IB4
IB5
≈ 0.2V
Zone
satu
rée
I B = c
onsta
nte
! Aux limites courants et tensions
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20
Polarisation d’un transistor Polarisation d’un transistor bipolairebipolaire
Il faut choisir E de façon compatible avec les limitations du transistor (VCB, VCE, VEB, IC) et le cahier de charge (RL).
Icmax
Vce max
E/RL
VCE
IC
IC = Pmax /VCE
VCEo
ICo
La droite de charge doit être tangente à l’hyperbole de puissance
Amplificateur en classe A
Pour obtenir le maximum de puissance, il faut que le point de polarisation se situe au milieu de la droite de charge.
E
E/RLVsmax = E/2
Ismoy
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Polarisation d’un Polarisation d’un Transistor bipolaireTransistor bipolaire
C’est fixer un ensemble de valeurs caractérisant son état de fonctionnement (IB, IC, VBE, VCE)
BC
EVCE
VBE
IC
IB
IE
R2
E2
Le transistor fournit trois équations:IC = f(VCE,IB),VBE = g(IB,VCE),IC = β.IB
Le montage comporte deux mailles:
Maille d’entréeE1 = R1.IB+VBE (droite d’attaque)
Maille de sortieE2 = R2.IC+VCE (droite de charge)
E1
R1
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Polarisation d’un Polarisation d’un Transistor bipolaireTransistor bipolaire
Quadrant n° 1Quadrant n° 2
Quadrant n° 3
VCE = cte
IB
VBE
VCE
IC
β
VBEo
IBo
ICo
VCEo
Mo
Mo
Mo
E2
E2/R2
E1
E1/R1
Droite d’attaque
Droite de charge
Point de polarisationMo(IBo,ICo,VBEo,VCEo)
VBE =E1 - R1.IB (droite d’attaque)
y = b – a.x
VCE= E2 - R2.IC (droite de charge)
VCE
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Polarisation d’un Transistor bipolairePolarisation d’un Transistor bipolaire
Il est rare de disposer de deux alimentations.
Montage à résistance de base:
ERCRB
IC
RCE RB
VCE
Montage à résistance de collecteur:
Soit, on dispose :• des graphes Ic = fct(VCE), IB = fct(VBE) et ,
résolution graphique,• des valeurs numériques,
résolution par les équations.
IB VCEVBEMaille 1
Maille 2
E = VBE+RB.IB
E = VCE+RC.IC
E = VCE +RC.IC
IB
IC
VBE
VCE = VBE+RB.IBet
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Polarisation d’un Transistor bipolairePolarisation d’un Transistor bipolaireMontage à deux alimentations
-VEE
RC
RB
VCE
RE
+VEE
Montage à pont de base avec une alimentation
RCRB
T
RERA
E
IC
VBE
IB
2VEE = RC.IC+VCE+ RE.(1+1/)IC
IE = IC+IB
VEE = RB.IB+VBE+ RE.(1+)IB
RC
RTHT
RE
E
ETH
A
D
A
D
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Polarisation d’un Transistor bipolairePolarisation d’un Transistor bipolaire
Montage à pont de base avec une alimentation
RCRB
VCE
RERA
E A
D
Ip
On impose Ip = 11.IB
VBE
IC
Montage à résistance de base:
ERCRB
ICIB VCEVBE
RE
E = 15V, RE = 70RB = 14k, RC = 50 = 200
Déterminer VB, VC, VE,IC,IB,IE
Exemple de calcul:
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Polarisation d’un Polarisation d’un Transistor bipolaireTransistor bipolaire
Droite de charge et droite d’attaque
Montage à résistance de base:
ERCRB
T
RCE RB
T
Montage à résistance de collecteur:
E = VCE+RC.IC
E = VBE+RB.IB
Droite de charge
Droite d’attaque
E = VCE +RC.IC
Droite de charge
Droite d’attaque
VCE = VBE+RB.IB
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Polarisation d’un Transistor bipolairePolarisation d’un Transistor bipolaire
Montage à deux alimentations
-VEE
RC
RBT
RE
+VEE
Montage à pont de base
RCRB
T
RERA
E
IB = (VEE-VBE)/ (RB+ RE.(1+ ))
Droite d’attaque
Droite de charge
2VEE = RC.IC+VCE+ RE.(1+1/)IC
Droite de charge
E = VCE+RC.IC+RE.(1+1/)IC
Droite d’attaque
ETH = RTH.IB +VBE+RE.(1+).IB
ETH = fct (E,RA,RB)RTH = fct (RA,RB)
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Transistor bipolaire et Transistor bipolaire et régime dynamiquerégime dynamique
On ajoute une source de tension alternative au montage
BC
EvCE
vBE
iC
iB
iE
R2
E2E1
eg
Le théorème de superposition permet d’écrire que toute tension ou tout courant est la somme de deux tensions ou courants, l’une continu(e), l’autre alternatif(ive).
iC = ICo+ic
iB = IBo+ib
vCE = VCEo+vce
vBE = VBEo+vbe
E2 = R2.(ICo+ic)+VCEo+vce
eg+E1= R1(IBo+ib)+VBEo+vbe
R1
D’où
RL Vs
CL
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Transistor bipolaire et Transistor bipolaire et régime dynamiquerégime dynamique
En alternatif les expressions deviennent :
en supposant que la caractéristique iC en fonctionde vCE est parfaite. (iC = β.iB) et RL = ∞
vCE
iC
De même, sur la caractéristique iB en fonction de vBE
On a la tangente au point de polarisation Mo unepente de valeur 1/rb (cf diode).
ib = vbe/rb (cf diode) et
On obtient vbe = eg. rb/(rb+R1)
(diC/dvce)Mo= 0
D’où ic = -vce/R2
ib = (eg -vbe)/R1
Mo
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Transistor bipolaire et Transistor bipolaire et régime dynamiquerégime dynamique
Quadrant n° 1Quadrant n° 2
Quadrant n° 3
VCE = cte
iB
vBE
vCE
iC
β
VBEo
IBo
ICo
VCEo
Mo
Mo
Mo
Point de polarisationMo(IBo,ICo,VBEo,VCEo)
temps
-1/RT
1/rbvbe
ib
ic
vce
vbe = eg(t).rb/(rb+R1)
vce = -R2.ic
ic = β.ib
ib = vbe/rb
vce
iC = β.iB
vce = -R2.β.eg/(rb+R1)
Droite de charge dynamiqueSi RL≠∞ RT = R2//RL < R2
Droite de charge statique
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Transistor bipolaire et régime dynamiqueTransistor bipolaire et régime dynamiqueSchéma équivalent du transistor:
BC
Evbe+VBEo
ib + IBo
ie+ IEo
ic+ICo
vce + V
CEo
vberb
ic = β.ib
vce
icib
BC
EvCE
vBE
iC
iB
iE
R2
E2E1
eg
R1
RL Vs
CL
C
E
B
B
C
E
vce
vbe
ib
ie
R2
eg
R1
RL Vs
ic
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Transistor bipolaire et régime dynamiqueTransistor bipolaire et régime dynamique
Schéma équivalent du transistor:
B
C
E
vcevbe
ib
R2
eg
R1
RL Vs
ic
B C
E
vcevbe
ib
R2eg
R1
RL Vs
ic
rb
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Transistor bipolaire et Transistor bipolaire et régime dynamiquerégime dynamique
Schéma équivalent du transistor:
Le générateur de courant n’est pas parfait.
Zone linéairevCE
iC
La pente de la tangente au point de fonctionnement Mo vaut 1/rc
si la source n’est pas parfaite.
icT
vce
Pente = 1/rc
Droite de charge dynamique: -1/RT1/RT
Mo
icT = ic + vce/rc
ic
BC
Evbe+VBEo
ib + IBo
ie+ IEo
ic+ICo
vce + V
CEo
vberb
ic = β.ib
rc vce
icTib
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Transistor bipolaire et régime dynamiqueTransistor bipolaire et régime dynamique
Schéma équivalent du transistor:
vberb
ic = β.ib
rc vce
icTibR1
R2eg
Vce = -R2.icT
ic = β.ib
icT = ic + vce/rc
ib = eg/(R1+rb)
Vce = -R2.β.eg/(R1+rb). 1/(1+R2/rc)
BC
E
B
E
NPN
ic = β.ib
rBE
ib
vberb
ic = β.ib
rc
icTib
E
B
C
E
B C
rb=β.rBE= β.UT/IE
rBE = r diode
Schéma statique
Schéma dynamique
rb = vbe/ib= (vbe/iE).(iE/ib) = rbe. β
C
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Transistor bipolaire et régime dynamiqueTransistor bipolaire et régime dynamique
2
1
2221
1211
2
1
ii
ZZZZ
vv
2
1
2221
1211
2
1
vi
hhhh
iv
Paramètre du transistor:
Qv1
i1 i2
v2
Matrice impédance
Matrice hybride
cteICE
C
cteVB
C
cteICE
BE
cteVB
BE
B
CE
B
CE
VIh
IIh
VVh
IVh
22
21
12
11 h11 = résistance dynamique de la jonction BE
h12 = 0 ;
h21 = gain en courant du transistor
h22 = conductance de la source de courant
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Transistor bipolaire et Transistor bipolaire et régime dynamiquerégime dynamique
Schéma équivalent du transistor:
BC
Evbe+VBEo
ib + IBo
ie+ IEo
ic+ICov
ce + VC
Eo
vbe
rb
ic = β.ib
rc vce
icTib
h12.VCE ≈ 0 rc=1/h22
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Amplificateurs à Amplificateurs à TransistorsTransistors
Les études précédentes étaient considérées avec l’hypothèse quel’émetteur du transistor était relié à la masse. En réalité, rien n’empêche de choisir comme électrode de référence la base oule collecteur.Dans tous les cas, on s’attache à déterminer le quadripôle équivalentsuivant:
Ze
rg
CL
CL
Zs
Av.VeVeeg
Vs
1) Montage à émetteur commun (masse)
VCEvBE
iC
iB
R2CE
Vcc
Ve
R1
Vs
RE
RC CLCL
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38
Amplificateurs à Amplificateurs à TransistorsTransistors
2) Montage à charge répartie
VCEvBE
iC
iB
R2
Vcc
Ve
R1
Vs
RE
RC CLCL
3) Montage à collecteur commun
VCEvBE
iC
iB
R2
Vcc
Ve
R1
VsRE
RC
CL
CL
CE
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39
Amplificateurs à Amplificateurs à TransistorsTransistors
2) Montage à base commune
VCE
vBE
iC
iB
R2
Vcc
Ve
R1
Vs
RE
RC CL
CL
CL
RcβRc/rb(rb/(β+1)) //
REbase
collecteur
Charge répartie
Emetteur
Résultats attendus :
RE // ( rb / (β+1) )≈1RB//(β.RE)
Rc-RC/RERB//(β.RE)
Rc- β .Rc/rbRB//rb
ZsAvZe
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40
Amplificateurs à Amplificateurs à TransistorsTransistors
Ampli RF
Adaptation d’impédance
Pas de β
amplificateur
utilisation
RcβRc/rbtrès faiblebase
collecteur
Charge répartie
Emetteur
Résultats attendus :
faible≈1forte
Rc-RC/REforte
Rctrès fortfaible
ZsAvZe
Montage Darlington
B1C1
E1 B2C2
E2
C
E
B
β = β1. β2
rb = β1.rb1 rc = β2.rc1
On peut associer tous les montages mais il est nécessaire d’utiliser des capacités de liaisons ce qui exclut les signaux TBF.
Amplificateurs à structures différentielles