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J. LAURENT ELCTRONIQUE ANALOGIQUE L3-PLURI Université de Bretagne Sud.

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1 J. LAURENT ELCTRONIQUE ANALOGIQUE L3-PLURI Université de Bretagne Sud

2 J. LAURENT PLAN DU COURS Introduction : notations Chap 1. Les diodes I. Principe de la diode 1. Semi-conducteurs 2. Dopage a. type N b. type P 3. Jonction PN - diode a. Diode non polarisée b. Polarisation directe c. Polarisation inverse 4. Caractéristique d une diode 5. Droite de charge 6. Approximations d une diode a. diode idéale b. diode réelle

3 J. LAURENT PLAN DU COURS II. Redressement et filtrage 1. Alimentation stabilisée 2. Transformateur 3. Redresseur demi-onde a. diode idéale b. diode réelle 4. Redresseur en pont a. diode idéale b. diode réelle 5. Filtrage a. signal demi-onde b. signal pleine onde III. Régulation de tension 1. Généralités 2. Diode Zener a. principe

4 J. LAURENT PLAN DU COURS b. caractéristique c. régulation de tension d. modélisation 3. Régulateur Zener a. synoptique b. conduction de la Zener c. analyse des performances 4. Filtrage et diagramme de Bode Chap 2. Le transistor bipolaire I. Présentation 1. Description et symboles a. transistor npn b. transistor pnp 2. Fonctionnement a. transistor non polarisé b. transistor polarisé c. rapport statique a

5 J. LAURENT PLAN DU COURS d. tension de claquage e. gain statique b f. conclusion 3. Caractéristiques a. collecteur b. base c. gain en courant 4. Droite de charge statique 5. Régimes linéaire et NL a. Transistor interrupteur b. Régime linéaire 6. Circuits de polarisation a. de base b. par réaction d émetteur c. par réaction de collecteur d. par division de tension 7. Polarisation universelle 8. Circuits à transistors pnp

6 J. LAURENT PLAN DU COURS d. tension de claquage e. gain statique b f. conclusion 3. Caractéristiques a. collecteur b. base c. gain en courant 4. Droite de charge statique 5. Régimes linéaire et NL a. Transistor interrupteur b. Régime linéaire 6. Circuits de polarisation a. de base b. par réaction d émetteur c. par réaction de collecteur d. par division de tension 7. Polarisation universelle 8. Circuits à transistors pnp

7 J. LAURENT PLAN DU COURS c. gain en tension à vide d. impédance d entrée e. impédance de sortie 3. Montage collecteur commun a. montage initial b. schéma équivalent dynamique c. gain en tension à vide d. impédance d entrée e. impédance de sortie 4. Montage à base commune a. montage initial b. schéma équivalent dynamique c. gain en tension à vide d. impédance d entrée e. impédance de sortie

8 J. LAURENT PLAN DU COURS Chap 3. Les transistors à effet de champ I. Les JFET 1. Présentation a. JFET à canal N b. JFET à canal P 2. JFET polarisé 3. Caractéristiques a. caractéristiques de drain b. transconductance 4. Circuits de polarisation a. de grille b. automatique c. par diviseur de tension d. de source e. par source de courant 5. Régimes linéaire et non linéaire a. régime non linéaire b. comportement dynamique

9 J. LAURENT PLAN DU COURS 6. Applications à l amplification a. amplificateur à source commune b. amplificateur à drain commun c. amplificateur à grille commune II. MOSFET 1. MOSFET à appauvrissement a. présentation b. régimes c. caractéristiques d. polarisation e. applications 2. MOSFET à enrichissement a. présentation b. tension de seuil c. caractéristiques d. polarisation e. polarisations des FET f. applications

10 J. LAURENT Introduction : notations

11 J. LAURENT Introduction : notations V(t) : tension instantanée composée d un terme continu V0 et d un terme alternatif pur v(t) v(t) = Vmax sin (wt + j) dont Vmax est l amplitude crête Veff = Vmax/Ö2 la valeur efficace wt + j : angle en radians w : pulsation en rad/s = 2 p f f : fréquence en Hz = 1/T T : période en secondes j : phase à l origine en radians

12 J. LAURENT Introduction : notations Notations en grandeur complexe V = (V ; j) V : grandeur complexe V ou |V| : module (valeur efficace) j : argument V = V e jj = V (cos j + j sin j) V = a + j b a : partie réelle b : partie imaginaire a = V cos j ; b = V sin j V = Ö(a² + b²) ; j = atan b/a

13 J. LAURENT Chap 1. Les diodes

14 J. LAURENT I.1. Semi-conducteurs

15 J. LAURENT I.2. Dopage Semi-conducteur intrinsèque : cristal de silicium pur Dopage : ajout d atomes d impuretés pour augmenter le nombre de charges à semi- conducteur extrinsèque a. Type N ajout d atomes à 5 électrons sur la couche périphérique à électrons porteurs majoritaires Arsenic (As), Antimoine (Sb), Phosphore (P) b. Type P ajout d atomes à 3 électrons sur la couche périphérique à trous porteurs majoritaires Aluminium (Al), Bore (B), Gallium (Ga)

16 J. LAURENT I.3. Jonction PN - Diode

17 J. LAURENT I.3. Jonction PN - Diode

18 J. LAURENT I.3. Jonction PN - Diode

19 J. LAURENT I.4. Caractéristiques

20 J. LAURENT I.4. Caractéristique

21 J. LAURENT I.4. Caractéristique Polarisation directe : la diode ne conduit pas tant qu on n a pas surmonté la barrière de potentiel Au-delà de Vd = 0,7 V, une petite augmentation de tension implique une forte augmentation de courant Polarisation inverse : on obtient un courant extrêmement petit diode : conducteur à sens unique Ne pas dépasser la tension de claquageet la puissance limite

22 J. LAURENT I.5. Droite de charge

23 J. LAURENT I.5. Droite de charge

24 J. LAURENT I.6. Approximations

25 J. LAURENT I.6. Approximations

26 J. LAURENT II. Redressement et filtrage

27 J. LAURENT II.2. Transformateur

28 J. LAURENT II.3. Redresseur demi-onde

29 J. LAURENT II.3. Redresseur demi-onde

30 J. LAURENT II.4. Redresseur en pont

31 J. LAURENT II.4. Redresseur en pont

32 J. LAURENT II.5. Filtrage

33 J. LAURENT II.5. Filtrage

34 J. LAURENT III. Régulation de tension

35 J. LAURENT III.1. Généralités

36 J. LAURENT III.2. Diode Zener

37 J. LAURENT III.2. Diode Zener

38 J. LAURENT III.2. Diode Zener

39 J. LAURENT III.3. Régulateur Zener

40 J. LAURENT III.3. Régulateur Zener

41 J. LAURENT III.3. Régulateur Zener

42 J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Lois de base: Loi dohm générale: U = Z I Loi des nœuds: Pour 1 nœud, la somme des courants entrants = somme des courants sortants: ici i3 + i2 = i1 Z U I i1 i3 i1 i2

43 J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Loi des mailles: Somme des tension sur une maille =0 On part dun point et on revient au même endroit. Ici: -V + Z1i1+ Z2i2 = 0 Ou: -V + Z1i1+ Z2i3 + Z4i3=0 Z1 Z3 Z2Z4 i1 i3 i2

44 J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Formule du pont diviseur V2 = V1* (Z2/(Z1+Z2)) Association dimpédances Série: Zt = Z1+Z2 Z1 Z2 I V1V2 Z1Z2Zt

45 J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Parallèle: Zt = (Z1Z2/Z1+Z2) Impédance des dipôles passifs Passif: à base de R,L et C -> pertes, pas dalimentation. Actif: il faut fournir une alimentation continue pour obtenir une amplification de V ou I (T, AOP). Z1 Z2 Zt

46 J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Résistance: Zr=R -> V=ZrI=RI V et I sont en phase Caractéristiques dune résistance: Valeur en Précision en % Puissance en W Stabilité (en T°, en temps..) Potentiomètre: R variable Thermistance: R varie en fonction de la température Photo résistance: R varie en fonction de la lumière Zr V I

47 J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Self inductance ou self: V=Zl*I=jLwI L: inductance en Henri Zl est imaginaire pure et dépend de w, on modélise par approximation le comportement en fréquence. BF: f->0 w->0 Zl->0 L=>CC HF: f->infZl->infL=>CO La self laisse passer le continu mais bloque les HF; elle soppose aux variations rapides. En fait la self a une résistance interne r Zl=r+jLw = |Zl|=sqrt(r²+(Lw)²) V I L

48 J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Condensateur: Zc= 1/(jCw) C: capacité en Farad On a une influence de la fréquence qui est linverse de la self f->0 Zc-> inf => C=CO f->inf Zc->0 => C=CC Le temps de charge dun condensateur dépend de =1/(RC) C V I

49 J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Fonctions de transfert H = Vsortie/Ventrée Impédances dentrée et de sortie Ze: impédance équivalente vue de lentrée. Ze=Ve/Ie Zs: impédance équivalente vue de la sortie. Ze=Vs/Is Ze Zg Zl Zs

50 J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Types de filtre Actif, passif (T ou RLC) Passe bas, passe haut, passe bande ou coupe bande Ordre du filtre n (relié au nbre déléments C ou L) Fonction du filtre (Butterworth, Chebychev, Bessel…)

51 J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Passe bas 1er ordre Passif -> filtre RC C en // -> passe bas Fonction de transfert On regarde la TF à vide H=Vs/Ve = Zc/(Zc+Zr) =1/(1+jRCw) On pose w0=1/(RC) ; w0 pulsation propre Doù H=1/(1+j(w/w0)) Ordre n=1 -> w puissance 1 et 1 condo Etude du module |H|=1/sqrt(1+(w/w0)²) On exprime en dB |H|=20log|H| =-10log(1+(w/w0)²) R C VsVe

52 J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode De manière générale: Atténuation de -20dB/dec ou - 6dB/octave La fréquence de coupure est déterminée à -3dB. La bande passante va de 0 à fc |H|dB f -20dB/dec fc BP=[0;fc]

53 J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode De manière générale: Phase de H = arctan(w/w0) Passe bas phase H= -n( ) Forme canonique: H=K/(1+j(w/w0)) f fc -

54 J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Passe haut du 1er ordre Fonction de transfert H=1/(1-j(1/RCw)); H=1/(1-j(w0/w)) Forme canonique H=K/(1-j(w0/w)) R C VeVs

55 J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Diagramme de Bode |H|dB f -20dB/dec fc BP=[f0;inf[ f fc

56 J. LAURENT III.4. Filtrage et diagramme de Bode Passe bande ou coupe bande Combinaison dun passe haut et dun passe bas P basP hautf1 f2 Si f2

57 J. LAURENT Chap 2. : Transistor bipolaire

58 J. LAURENT I.1. Description et symboles

59 J. LAURENT I.1. Description et symboles

60 J. LAURENT I.2. Fonctionnement

61 J. LAURENT I.2. Fonctionnement Diode émetteur : commande par VBE le nombre d électrons libres injectés dans la base 95% des électrons injectés par l émetteur atteignent le collecteur IC # IE c. rapport statique = IC /IE souvent > 0,99 d. tension de claquage Breakdown Voltage : dépend du dopage BVBE = 5 à 30 V BVCE = 20 à 300 V

62 J. LAURENT I.2. Fonctionnement e. gain statique = hfe = IC /IB 50 < < 300 (jusqu à 1000) f. conclusion transistor bipolaire en régime linéaire si : 1. La diode émetteur soit polarisée en direct 2. La diode collecteur soit polarisée en inverse 3. La tension entre les bornes de la diode collecteur soit inférieure à BVCE Tbip = dispositif actif amplificateur Source de courant IC commandée par IB IE = IC + IB IC # IE

63 J. LAURENT I.3. Caractéristiques

64 J. LAURENT I.3. Caractéristiques

65 J. LAURENT I.4. Droite de charge statique

66 J. LAURENT I.5. Régimes linéaire et NL

67 J. LAURENT I.5. Régimes linéaire et NL

68 J. LAURENT I.6. Circuits de polarisation

69 J. LAURENT I.6. Circuits de polarisation

70 J. LAURENT I.6. Circuits de polarisation

71 J. LAURENT I.7. Polarisation universelle Connus : VCC, R1, R2, RE, RC, T (VBE, b) Inconnus : IB, IC, IE, Vbm, Vem, Vcm Hypo : IB << IR2 alors Vbm # Vcc R2/(R1 + R2) Vem = Vbm - Vbe IE = Vem /RE IC = b IE / (b + 1) Vcm = VCC - RCIC IB = IC / b Vérifier l hypo IBmax = IC / bmin << IR2 = Vbm/R2

72 J. LAURENT I.8. Circuits à transistors pnp

73 J. LAURENT II. Généralités sur lamplification

74 J. LAURENT II.2. Environnement réel

75 J. LAURENT II.3. Régime petit signal

76 J. LAURENT II.4. Couplage et découplage

77 J. LAURENT II.5. Théorème de superposition Démarche de l étude 1. Etude statique grandeurs continues V0, I0 annuler les sources alternatives (Ve) ouvrir les condensateurs de couplage remplacer les transistors par leur modèle statique Schéma équivalent statique 2. Etude dynamique grandeurs alternatives v(t), i(t) annuler les sources continues (Vcc) court-circuiter les condensateurs de couplage remplacer les éléments actifs par leur modèle équivalent dynamique petit signal Schéma équivalent dynamique 3. Etude globale Chaque grandeur est la somme de sa composante continue et de sa composante alternative

78 J. LAURENT III. Régime dynamique

79 J. LAURENT III.1. Modèle dynamique

80 J. LAURENT III.2. Montage émetteur commun

81 J. LAURENT III.2. Montage émetteur commun

82 J. LAURENT III.2. Montage émetteur commun c. Gain en tension à vide G0 G0 = vs/ve = - RC h21 /(h11 + RE( h21+ 1)) si h21 >> 1 alors G0 # - RC/RE Déphasage de p entre ve et vs d. Impédance d entrée Ze Ze = RB//(h11 + RE(h21 + 1)) e. Impédance de sortie Zs ZS = RC amplification + déphasage Ze élevée Zs moyenne EC =AMPLI de tension

83 J. LAURENT III.3. Montage collecteur commun

84 J. LAURENT III.3. Montage collecteur commun

85 J. LAURENT III.3. Montage collecteur commun c. Gain en tension à vide G0 G0 = RE (h21 + 1) /(h11 + RE( h21+ 1)) si h21 >> 1 alors G0 # 1 G0 1 d. Impédance d entrée Ze Ze = RB//(h11 + (RE//ZL)(h21 + 1)) e. Impédance de sortie Zs ZS = RE//((h11 + RB//Zg)/(h21 + 1)) pas d amplification ni de déphasage Ze élevée Zs faible CC = SUIVEUR

86 J. LAURENT III.3. Montage base commune

87 J. LAURENT III.3. Montage base commune

88 J. LAURENT III.3. Montage base commune c. Gain en tension à vide G0 G0 = RC h21 / h11 pas de déphasage d. Impédance d entrée Ze Ze = RE//(h11/ (h21 + 1)) e. Impédance de sortie Zs ZS = RC forte amplification sans déphasage Ze faible Zs moyenne BC = AMPLI HF

89 J. LAURENT Chap.3 : Les TEC Transistors unipolaires : un seul type de charge (trou ou électron) Transistor à Effet de Champ = TEC Field Effect Transistor = FET 2 familles : JFET : Junction FET ou TEC à jonction MOSFET : Metal-Oxyde- Semiconductor FET commandés par tension 3 électrodes : Drain, Source et Grille

90 J. LAURENT I. JFET

91 J. LAURENT I.2. JFET polarisé

92 J. LAURENT I.3. Caractéristiques

93 J. LAURENT I.3. Caractéristiques

94 J. LAURENT I.4. Circuits de polarisation

95 J. LAURENT I.4. Circuits de polarisation

96 J. LAURENT I.4. Circuits de polarisation

97 J. LAURENT I.4. Circuits de polarisation

98 J. LAURENT I.5. Régimes linéaire et NL

99 J. LAURENT I.5. Régimes linéaire et NL

100 J. LAURENT I.5. Régimes linéaire et NL

101 J. LAURENT I.6. Applications à lamplification

102 J. LAURENT I.6. Applications à l amplification

103 J. LAURENT I.6. Applications à l amplification

104 J. LAURENT I.6. Applications à l amplification

105 J. LAURENT I.6. Applications à l amplification

106 J. LAURENT I.6. Applications à l amplification

107 J. LAURENT II. MOSFET

108 J. LAURENT II.1. MOSFET à appauvrissement

109 J. LAURENT II.1. MOSFET à appauvrissement

110 J. LAURENT II.1. MOSFET à appauvrissement

111 J. LAURENT II.1. MOSFET à appauvrissement

112 J. LAURENT II.1. MOSFET à appauvrissement

113 J. LAURENT II.1. MOSFET à appauvrissement

114 J. LAURENT II.2. MOSFET à enrichissement

115 J. LAURENT II.2. MOSFET à enrichissement

116 J. LAURENT II.2. MOSFET à enrichissement

117 J. LAURENT II.2. MOSFET à enrichissement

118 J. LAURENT II.2. MOSFET à enrichissement

119 J. LAURENT II.2. MOSFET à enrichissement

120 J. LAURENT III. AOP Un des composants les plus utilisés et un des plus simples à mettre en œuvre. Présentation Cest un CI comportant de nombreux étages à transistors (20 à 30 T) avec des caractéristiques quasi idéales: Ze = 2M Zs = 100 G0 = Cest un ampli différentiel avec 2 entrées et 1 sortie V+ V

121 J. LAURENT III. AOP tension différentielle = V+ - V- Vs = A avec A: amplification en BO Modèle et caractéristiques En pratique Is limité à environ 10mA i- et i+ environ A Ze de 10 6 à A grand mais dépend de BP Zs de 10 à 100 i+=0 i-=0 A V+ V- Vs is

122 J. LAURENT III. AOP En régime linéaire = 0 Régime linéaire et NL La relation i+= i- =0 tjrs vrai. Régime linéaire pour cela il faut une contre réaction (sortie reliée à V-) Vsat- Vsat+ - + Ve

123 J. LAURENT III. AOP Régime non linéaire alors 0 et Vs =+- Vsat AOP en BO donc pas de CR Si >0 alors Vs= Vsat+ Si <0 alors Vs= Vsat- Quand change de signe, la commutation est pratiquement instantanée V+ V- + - Vs

124 J. LAURENT III. AOP Réaction (liaison entre la sortie et V+) La fraction de Vs réinjectée en entrée est en phase avec V+ donc si V+ augmente, Vs augmente jusquà Vsat+ Ici encore, si >0 Vs=Vsat+ et si <0 Vs=Vsat- Pour étudier le montage en régime NL: On détermine lévolution de V+ et V- pour en déduire Pour étudier le montage en régime linéaire: On écrit la loi des mailles pour chaque branche avec =0 On écrit la loi des nœuds pour chaque nœud avec i+ = i- =0 On résout le système déquations pour exprimer Vs en fct de Ve + - Ve

125 J. LAURENT III. AOP AOP en régime linéaire Exemples de montages Ampli de tension non inverseur G0=1+(z2/z1) Ze ->inf Zs = 0 Montage suiveur Vs= Ve (étage tampon) - + Ve Z1 Z2 Vs V+ V- + - Vs

126 J. LAURENT III. AOP AOP en régime linéaire Exemples de montages Ampli de tension inverseur G0=-(z2/z1) Ze ->z1 Zs = 0 Montage sommateur Vs= -[(z4/Z1)V1 + (z4/z2)V2 +(z4/z3)V3] - + Ve Z1 Z2 Vs - + Z1 Z4 Vs Z2 Z3

127 J. LAURENT III. AOP AOP en régime linéaire Exemples de montages Ampli différentiel Vs = [(z1+z2)/z1]x[z4/(z3+z4)]xV2 – (z2/z1)V1 Dérivateur - + Z1 Z2 Vs Z3 Z4 - + R Vs On produit en sortie un signal rectangulaire si le signal dentrée est une rampe Vs= -RC dVe/dt

128 J. LAURENT III. AOP AOP en régime linéaire Exemples de montages Intégrateur Vs = -1/(RC) intégral Ve dt - + R Vs

129 J. LAURENT III. AOP AOP en régime linéaire Exemples de montages Filtre actif G0 = K/[(1+j(w/w2))x(1-j(w1/w))] - + R1 Vs R2 C1 C2 Passe bas Passe haut

130 J. LAURENT III. AOP AOP en régime non linéaire Exemples de montages Comparateur à 1 seuil - + Vs Vref Ve Vref Vsat+ Vsat-

131 J. LAURENT III. AOP AOP en régime non linéaire Exemples de montages Comparateur à hystérésis (ou à 2 seuils) 1 seuil lorsque la grandeur croit Vref+ 1 seuil lorsque la grandeur décroît Vref- Vref- = [(R1+R2)/R2]Vref – (R1/R2)Vsat V = Vref+ - Vref- = 2(R1/R2)Vsat Vc = (Vref+ + Vref-)/2 = [(R1+R2)/R2] Vref + - Vs Vref Ve Vsat+ Vsat- R1 R2 V Vc

132 J. LAURENT BIBLIOGRAPHIE Electronique Dornier Ed Foucher Coll Plein Pot Théorie ISBN Applications et problèmes ISBN Electronique analogique Merat R. Moreau L.Allay J.P. Dubos J. Lafargue R. Le Goff Ed Nathan Coll Etapes n° 52 ISBN Electronique linéaire : Cours avec exercices et travaux pratiques Blot Dunod Université ISBN Electronique linéaire : exercices résolus Blot Dunod Université ISBN Les transistors : Eléments dintégration des circuits analogiques J. Blot Ed. Dunod Circuits électriques et électroniques Milsant Ed. Ellipses Micro-électronique Millman - A. Grabel Ed. Mac Graw Hill 4 tomes T1 : Dispositifs à semi-conducteurs T2 : Circuits et systèmes numériques T3 : Amplificateurs et systèmes amplificateurs T4 : Traitement de signaux et saisie de données - Electronique de puissance Guide pratique de lélectronique Bourgeron Hachette Technique Guide Pratiques Industriels ISBN Memotech Electronique Composants J.C. Chauveau G.Chevalier B. Chevalier Coll A. Capliez Educalivre ISBN Guide du technicien en électronique Cimelli R. Bourgeron Hachette Technique ISBN Technologie des composants électroniques 3 Tomes Besson SECF Ed Radios ISBN ISBN ISBN Le mémento des fondements de lélectronique Altmann Ed Fréquences Difffusion Eyrolles ISBN Principes d'électronique A. P. Malvino McGrawHill ISBN :


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