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Fabrice Mathieu PLAN 1. Les amplificateurs 2.Les transistors Bipolaires 2.1.Définition 2.2. La commutation 2.3.Lamplification 3.Les transistors à effet.

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1 Fabrice Mathieu PLAN 1. Les amplificateurs 2.Les transistors Bipolaires 2.1.Définition 2.2. La commutation 2.3.Lamplification 3.Les transistors à effet de champs 3.1.Définition 3.2. La commutation 3.3.Lamplification 4.Comparaison des deux technologies 5 Les applications 5.1.La génération de courant 5.2.La charge active 5.3.La paire différentielle 5.4.Lamplification de puissance 5.5.Lamplificateur opérationnel 5.6.Lalimentation linéaire 5.7.Ladaptation de tension 5.8.Les montages non linéaires Les transistors et leurs applications

2 Fabrice Mathieu 1.Les amplificateurs PLAN 1. Les amplificateurs 2.Les transistors Bipolaires 2.1.Définition 2.2. La commutation 2.3.Lamplification 3.Les transistors à effet de champs 3.1.Définition 3.2. La commutation 3.3.Lamplification 4.Comparaison des deux technologies 5 Les applications 5.1.La génération de courant 5.2.La charge active 5.3.La paire différentielle 5.4.Lamplification de puissance 5.5.Lamplificateur opérationnel 5.6.Lalimentation linéaire 5.7.Ladaptation de tension 5.8.Les montages non linéaires

3 Fabrice Mathieu 1.Les amplificateurs Modèle Quadripôle dun amplificateur Un amplificateur peut être représenté de façon générale par : Son impédance dentrée (Zin), son gain en tension (Av) ou en courant (Ai) et son impédance de sortie (Zout). Le quadripôle dun amplificateur peut être déterminé par les différentes matrices classiques (admittance, impédance et hybride) Zin, Av, Ai et Zout peuvent être exprimé avec les paramètres des différentes matrices. La représentation la plus utilisée pour un amplificateur est la suivante: Important : - Faire attention au sens des courants - Vérifier si létude du quadripôle est effectuée à vide ou en charge.

4 Fabrice Mathieu 1.Les amplificateurs Lamplificateur de tension chargé Le chainage des amplificateurs peut avoir une influence sur le comportement. -La tension dentrée Vin n de lamplificateur An est dépendante des impédances Zout n-1 et Zin n avec la relation : - La tension de sortie Vout n de lamplificateur An est dépendante des impédances Zout n et Zin n+1 avec la relation : En conclusion, pour rendre un amplificateur indépendant de ces conditions il faut que Zin soit la plus grande possible et Zout la plus faible possible. Zi n+1 Zin n-1 Av n-1.Vin n-1 Zout n-1 Vin n Zin n Av n.Vin n Av n+1.Vin n+1 Zout n Zout n+1

5 Fabrice Mathieu 2.Les transistors bipolaires PLAN 1. Les amplificateurs 2.Les transistors Bipolaires 2.1.Définition 2.2. La commutation 2.3.Lamplification 3.Les transistors à effet de champs 3.1.Définition 3.2. La commutation 3.3.Lamplification 4.Comparaison des deux technologies 5 Les applications 5.1.La génération de courant 5.2.La charge active 5.3.La paire différentielle 5.4.Lamplification de puissance 5.5.Lamplificateur opérationnel 5.6.Lalimentation linéaire 5.7.Ladaptation de tension 5.8.Les montages non linéaires

6 Fabrice Mathieu B C E C E B Transistor NPNTransistor PNP Gain en courant, Très peut reproductible dun composant à lautre, Défini par sa valeur minimale ( 20 < < 500 ). V A : Tension dEarly, paramètre technologique ~ 100V 2.1.Définition I S : Courant de saturation inverse de la jonction émetteur base ~ A 2.Les transistors bipolaires

7 Fabrice Mathieu 2.2.La commutation Le transistor bipolaire est très utilisé en commutation. Le principe de base peut être représenté par le montage inverseur. Dans ce cas, les paramètres importants sont les temps de commutation à louverture et à la fermeture ainsi que la résistance en circuit ouvert R off et en circuit fermé R on (R cesat ). Condition de blocage (interrupteur ouvert) Condition de saturation (interrupteur fermé) Doc : 2N3904 Philips Doc : 2N3904 Fairchild 2.Les transistors bipolaires Vcc

8 Fabrice Mathieu 2.3.Lamplification Différentes classes damplificateurs La polarisation Pour fonctionner en amplificateur, un transistor doit être alimenté de façon à ce quil soit en régime linéaire. Pour cela un circuit de polarisation doit lui être appliqué. Le circuit formé par le transistor et lensemble des éléments doit vérifier les équations de définition - Le rapport des différents courants I c, I b et I E - Les différentes tensions V BE et V CEsat

9 Fabrice Mathieu 2.3.Lamplification Caractéristique de transfert dun transistor monté en Emetteur commun Droite de charge statique Droite de charge dynamique - Passe par le point de repos - Coefficient directeur : 2.Les transistors bipolaires

10 Fabrice Mathieu Autour du point de polarisation, si les signaux damplification sont faibles (pas de distorsion), on linéarise le fonctionnement avec le montage suivant Avec : Et g m la transconductance : ; Modèle petit signal simplifié 2.3.Lamplification 2.Les transistors bipolaires

11 Fabrice Mathieu Schéma tenant compte des éléments parasites, permettant létude en fréquence. A noter, la contre réaction réalisé par les éléments r µ et C µ qui provoquent un effet Miller. Effet Miller : l'influence du gain d'un amplificateur inverseur sur ses propres caractéristiques d'entrée. (dans le cas d'un amplificateur non-inverseur, le même effet conduit à la génération d'impédances négatives). Conséquences : Diminutions de limpédance dentrée et de la bande passante du montage 2.3.Lamplification Modèle petit signal réel 2.Les transistors bipolaires

12 Fabrice Mathieu Emetteur communCollecteur communBase commune Les montages de base u u Avec :,,, et R G : Impédance de sortie du générateur. 2.3.Lamplification 2.Les transistors bipolaires

13 Fabrice Mathieu Emetteur communCollecteur communBase commune u u - Gain damplification en tension important A v ~100 - Impédance dentrée faible Z e ~ k - Impédance de sortie élevée Z s ~ R c ~ k - Gain damplification en tension proche de lunité - Impédance dentrée élevée Z e ~ fois lEC - Impédance de sortie faible Z s ~ 1/ fois lEC - Gain damplification en tension équivalent à lEC - Impédance dentrée faible Z e ~ quelque dizaines d - Impédance de sortie assez élevée Z s ~ quelque dizaine de k Conclusions Le montage en émetteur commun est utilisé en amplificateur. Par contre, pour améliorer ses caractéristiques dentrée et de sortie, on peut lui associer un montage en collecteur commun en amont et en aval. Le montage à base commune est peu utilisé. Cependant, il apporte un intérêt dans les montages à haute fréquence, car leffet de la capacité Miller est fortement diminué, ce qui permet une bande passante plus importante. Les montages de base 2.3.Lamplification 2.Les transistors bipolaires

14 Fabrice Mathieu 3.Les transistors à effet de champs PLAN 1. Les amplificateurs 2.Les transistors Bipolaires 2.1.Définition 2.2. La commutation 2.3.Lamplification 3.Les transistors à effet de champs 3.1.Définition 3.2. La commutation 3.3.Lamplification 4.Comparaison des deux technologies 5 Les applications 5.1.La génération de courant 5.2.La charge active 5.3.La paire différentielle 5.4.Lamplification de puissance 5.5.Lamplificateur opérationnel 5.6.Lalimentation linéaire 5.7.Ladaptation de tension 5.8.Les montages non linéaires

15 Fabrice Mathieu 3.1.Définition Il existe plusieurs types de transistors à effet de champs. Les deux types les plus utilisés sont: les transistors JFET à canal N et P et les transistors MOSFET à enrichissement et à appauvrissement à canal N ou P. Soit 6 types de transistors. Le JFET Cest un transistor FET à jonction. Le canal de conduction correspond à la région n, encadrée par deux région p connectées à lélectrode de grille. Cette grille sert à polariser la jonction pn en inverse de façon à moduler la largeur du canal. Le JFET conduit si, V p est la tension de pincement (pinch voltage), cest une tension inverse négative. Cette tension est très peu reproductible dun transistor à lautre. Où et. I DSS est le courant à V GS nul 3.Les transistors à effet de champs

16 Fabrice Mathieu 3.1.Définition Le JFET Canal N Canal P Le courant de grille I G correspond au courant de fuite de la jonction pn, il nest donc pas complètement nul. Cependant il est négligeable comparé au courant de base existant dans le bipolaire. La tension V AJ est un effet comparable à la tension dEarly, elle est due à la modulation de la longueur du canal de conduction par la tension V DS. (~150V) 3.Les transistors à effet de champs

17 Fabrice Mathieu 3.1.Définition Le MOSFET Le canal de conduction est réalisé par lapplication dun potentiel de grille V GS. Lorsque ce potentiel de grille atteint la tension de seuil V T le transistor se met à conduire. Loxyde (SiO 2 ) étant isolant, le courant de grille est quasiment nul et correspond au courant de fuite de la capacité MOS. Donc la résistance dentrée tend vers linfini. En règle générale, le substrat (bulk) est relié à la source Cette tension V T, est liée à la tension dinversion de population dans le canal. Elle dépend des paramètres technologiques. Elle est très peu reproductible dun transistor à lautre. 3.Les transistors à effet de champs

18 Fabrice Mathieu 3.1.Définition Le MOSFET Avec V GS > V T et V DS < V GS -V T Régime linéaire (Mode Triode) Régime bloqué : V GS < V T I D ~ 0 µ eff : Mobilité des porteurs dans le canal C ox : Capacité du condensateur de grille W : Largeur du canal L : Longueur du canal Régime saturé (Mode pentode) Avec V GS > V T et V DS > V GS -V T V A : Tension dEarly 3.Les transistors à effet de champs

19 Fabrice Mathieu 3.2.La commutation Le transistor MOS est très utilisé en commutation. Son énorme intérêt davoir un courant de grille quasiment nul, donc un courant de commande nul. Dans ce cas, les paramètres importants sont les temps de commutation à louverture et à la fermeture ainsi que la résistance en circuit ouvert R off et en circuit fermé R on. R off : correspond à la résistance du canal hors conduction. Quelque centaines de mégohms. R on : correspond à la résistance du canal en conduction. Elle dépend donc beaucoup de la technologie utilisée Elle est de quelque dixième dohm à quelque dizaines dohm. Exemple : Interrupteur à base de transistors MOS complémentaires permettant un comportement dinterrupteur analogique. Doc : BSS123 Fairchild Doc : AN-251 Analog Device 3.Les transistors à effet de champs

20 Fabrice Mathieu MOSFET à enrichissementMOSFET à appauvrissement Canal NCanal PCanal N Canal P Le MOSFET 3.3.Lamplification Régime saturé: 3.Les transistors à effet de champs

21 Fabrice Mathieu Source communeDrain communGrille commune Les montages de base 3.3.Lamplification - Gain damplification en tension - Impédance dentrée très grande - Impédance de sortie élevée - Gain damplification en tension unitaire - Impédance dentrée très grande - Impédance de sortie faible - Gain damplification en tension unitaire - Impédance dentrée faible - Impédance de sortie faible 3.Les transistors à effet de champs

22 Fabrice Mathieu 4.Comparaison des deux technologies PLAN 1. Les amplificateurs 2.Les transistors Bipolaires 2.1.Définition 2.2. La commutation 2.3.Lamplification 3.Les transistors à effet de champs 3.1.Définition 3.2. La commutation 3.3.Lamplification 4.Comparaison des deux technologies 5 Les applications 5.1.La génération de courant 5.2.La charge active 5.3.La paire différentielle 5.4.Lamplification de puissance 5.5.Lamplificateur opérationnel 5.6.Lalimentation linéaire 5.7.Ladaptation de tension 5.8.Les montages non linéaires

23 Fabrice Mathieu Les bipolaires Transistors NPN et PNP -Contrôle par courant. -En commutation, résistance série faible si Ic important. -Tension dearly Ic = f(Vbe) non plat dans la zone linéaire. -Impédance dentrée faible (vue de la base). -Consommation de courant en régime tout ou rien. - Tension de seuil très reproductible en composants discret Vbe = f (Ic,Ib) - défini par sont minimum. Les effet de champs JFET & MOSFET canal N ou P à enrichissement ou appauvrissement -Contrôle en tension. -Résistances Ron faible (plus forte que le bip mais moins dépendante du courant). -Effet Early existant mais moins marqué que le bip -Impédance dentrée très forte (vue de la grille). -Pas de consommation en dehors des transitions en régime tout ou rien. -Peut de reproductibilité en composant discrets Vgsth = f (Vds,Id) varie dun rapport deux Généralités 4.Comparaison des deux technologies

24 Fabrice Mathieu Phototransistor Relai solide Transistor MOSTransistor Bipolaire Les points importants :- Temps de commutation - La résistance série rapportée - Le type de commande - Tensions et courants mises en jeux -Fonctionne en tension flottante -Rapide, fonction de I F t commutation < 20 µs -Unidirectionnel -Vce fonction de I c Très fortes variations -Fonctionne en tension flottante -Lent t commutation > ms dépend de I F -bidirectionnel -Résistance série faible 1 V gs(th) -Résistance série faible 100m

25 Fabrice Mathieu 5.Les applications PLAN 1. Les amplificateurs 2.Les transistors Bipolaires 2.1.Définition 2.2. La commutation 2.3.Lamplification 3.Les transistors à effet de champs 3.1.Définition 3.2. La commutation 3.3.Lamplification 4.Comparaison des deux technologies 5 Les applications 5.1.La génération de courant 5.2.La charge active 5.3.La paire différentielle 5.4.Lamplification de puissance 5.5.Lamplificateur opérationnel 5.6.Lalimentation linéaire 5.7.Ladaptation de tension 5.8.Les montages non linéaires

26 Fabrice Mathieu Génération dun courant pilotés en tension avec précision Points Importants : - la stabilité 5.1.La génération de courant I Rc V- V - V base I R e I R e I R e I R e I R e I Rc V- III I V - V base I R e 5.Les applications Valeur du courant : ! Attention ! Sensible à la température - légalité des courants Transistors identiques

27 Fabrice Mathieu 5.1.La génération de courant – le miroir de courant Copier un courant avec précision Permet la modulation Sensibilité réduite à la température ! Attention ! Il faut respecter la symétrie parfaite des transistors Utiliser des composants spécifiques Utiliser des élevés Compensation en température Potentiel flottant 5.Les applications I out I in R com I out I in R com 1

28 Fabrice Mathieu 5.2.La charge active Ici le gain est limité par la tension de polarisation. Il faut que limpédance vue du collecteur soit très forte, avec une polarisation identique. Elle est utilisée dans la majeure partie du temps pour limiter lutilisation des résistances qui sont très difficilement intégrables dans les circuits intégrés. Elles peuvent également dans certains cas augmenter le gain damplification en jouant sur la résistance dynamique. Dans ce cas, limpédance vue du collecteur est : Donc, si V A = 100V et I C =2mA Donc le gain en tension est ici limité par la résistance dynamique de sortie du transistor1 : Soit un gain de : 5.Les applications u

29 Fabrice Mathieu 5.2.La charge active Utilisation en polarisation. Dans ce montage, lamplificateur en émetteur commun réalisé par le transistor T1. Si on se réfère au résultat précédent, T1 est chargé par le transistor T2, et la résistance de charge correspond à r ce2. Le courant de polarisation est réalisé grâce au miroir de courant T2,T3 et vaut : On peut donc charger une branche damplification sans résistance en améliorant le gain damplification. Ceci, en pilotant la polarisation de la branche damplification en intégrant un miroir de courant. On peut donc évaluer le gain en tension de cet amplificateur : 5.Les applications

30 Fabrice Mathieu 5.3.La paire différentielle Elle est utilisée pour amplifier la différence deux tensions dentrée. Cest un élément essentielle en électronique. Les transistors T5 et T6 sont montés en miroir de courant. Le courant I du collecteur T5 vaut : Les transistors T3 et T4 sont montés en miroir de courant. Ils imposent légalité des courants I C3 et I C4 et donc I 1 =I out +I 2 de plus, le montage impose que : I=I 1 +I 2. Les transistors T1 et T2 composent la paire différentielle Si V E1 =V E2 T 1 et T 2 ont le même V be, donc I 1 et I 2 sont identiques, Alors I out =0 Si V E1 V E2 (V E2 = V E1 + v e1 ) T 1 et T 2 nont plus le même V be, donc I 1 et I 2 sont différents car : i c =g m.v be Comme I out +I 2 =I 1 Alors I out = g m (V E1 -V E2 ) ! Attention ! Ceci nest vrai que pour de très petites variations autour du point de polarisation V E1 -V E2 < V T 5.Les applications

31 Fabrice Mathieu 5.4.Lamplification de puissance, létage push Pull Cest un montage amplificateur classe B. Cest-à-dire quune demi période est amplifié par le transistor correspondant monté en collecteur commun. Le gain est unitaire, il permet surtout une amplification de la puissance en sortie. 5.Les applications Les diodes éliminent leffet de la distorsion due à la jonction base émetteur. (fonctionnement en classe AB) V in V out1 V out2 V in V out1 V out2

32 Fabrice Mathieu Impédance dentrée10 6 à Bande passante1MHz à 250MHz Tension dalimentation <5v à qq dizaines de volts Consommationqq 100µA à >10mA Courant de sortie10mA à 2A Niveau de bruit3.5 nv/Hz à 80 nV /Hz Tension doffsetqq 10 µV à 10mV 5.5.Lamplificateur opérationnel Charge active Paire différentiel dentrée Etage de sortie Push pull Miroir de courant Etage damplification Emetteur commun 5.Les applications

33 Fabrice Mathieu 5.6.Lalimentation linéaire – Le montage en ballast Permet dobtenir en sortie de montage une puissance importante en tension stabilisée. R Vz Vin Vout = Vz+Vbe I Principe du régulateur linéaire Nécessite une tension Vce minimale de fonctionnement Rendement globale de mauvaise qualité Perte de puissance dans le transistor Augmenter le courant disponible dun composant définie Vin Vout = Vreg+Vbe Régulateur 5.Les applications

34 Fabrice Mathieu 5.7.Ladaptation de tension Dans les système multi tensions Permet dadapter les tensions de fonctionnement Porte logique R R Vout Vin Vérifier que le courant de sortie soit compatible V CC1 Porte logique R Vout Vin Vérifier que la tension V gs(th) soit inférieur à V CC1 Faible consommation V CC2 V CC1 V CC2 Montages Inverseurs 5.Les applications

35 Fabrice Mathieu 5.8.Utilisation de la non linéarité tension/courant Amplificateur logarithmique V in + - R Amplificateur anti-logarithmique ou exponentiel + - I in R V2V2 Multiplieur (Mixeur) V1V1 ! Attention ! Très sensible à la température Utiliser des circuit monolithiques compensés Respecter les niveaux de tensions compatibles Les applications V in

36 Fabrice Mathieu Annexes Cours délectronique analogique très complet : Cours sur les transistors à effet de champs : Cours de circuits électrique et électronique : Article décrivant certains critères de choix entre bipolaire et MOSFET : Cours sur les transistors à effet de champ : Cours sur les transistors bipolaire : Cours sur les blocs élémentaires à base de transistor : Cours sur lamplificateur différentiel : Cours dintroduction à lélectronique analogique : Article présentant la modulation de Ron dans les MOS : Bibliographie Disponible à ladresse suivante :


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