CHAPITRE IV : AMPLIFICATEUR DIFFERENTIEL Electronique Analogique A. Aouaj

I/ Définition : L'amplificateur différentiel est un dispositif électronique à deux entrées et deux sorties. Il est alimenté par deux sources d'alimentations de tensions opposées : +V CC et –V EE (le plus souvent V CC = V EE ). Ceci pour éviter les circuits de polarisation habituels (entrée base et masse) et les condensateurs de liaisons dans les bases des transistors. Aussi, ce montage offre la possibilité, sous certaines conditions, d'amplifier la tension différentielle d'entrée V ED = V E1 -V E2 La présence des deux sorties V S1 et V S2 offre à l'utilisateur deux possibilités d'exploitation : - Lorsque la différence V SD des deux sorties V S1 et V S2 est utilisée, le montage est dit symétrique. L'éventuel étage amplificateur suivant comportant alors deux entrées doit être aussi du type différentiel. - Lorsqu'on utilise uniquement la sortie V S (ou V S ) le montage est dit dissymétrique. Ce mode de fonctionnement est celui des amplificateurs opérationnels qui comportent deux entrées (+ et –) et une seule sortie V S. Electronique Analogique A. Aouaj

Le mode différentiel a pour fonction principale l'amplification de la tension différentielle d'entrée V ED. Il est caractérisé par son gain différentiel A d défini par : Cependant le montage est aussi sensible à la somme des tensions continues d'entrées (V E1 + V E2 ). En effet, les entrées V E1 et V E2 peuvent varier tout en conservant une différence constante. On parle alors de "mode commun" caractérisé par le gain de mode commun A c défini par : Electronique Analogique A. Aouaj

A l'aide des expressions de A d et A c, on peut calculer les tensions V S1 et V S2 : On définit aussi le coefficient de qualité du montage  (Rapport de Réjection du Mode Commun) par : Un amplificateur différentiel de bonne qualité doit avoir un  > 80 dB. Electronique Analogique A. Aouaj

II/ Amplificateur différentiel en mode continu La figure ci-dessous représente le schéma de base d'un amplificateur différentiel à transistors bipolaires NPN. On suppose que les transistors sont rigoureusement identiques et soumis à la même température soit 25°C. Les résistances R C et R assurent, la polarisation des transistors. Les tensions d'entrée V E1 et V E2 sont des tensions continues de valeurs différentes. B1B1 B2B2 T1T1 T2T2 V S1 V S2 V SD V E1 V E2 I0I0 R I C1 I C2 RCRC RCRC +V CC V BE1 V BE2 -V EE Electronique Analogique A. Aouaj

Pour obtenir le point de repos des deux transistors, on relie les bases B 1 et B 2 à la masse de telle sorte que la tension différentielle d'entrée soit nulle. Les transistors T 1 et T 2 obéissent à la loi : Sachant que les deux transistors sont identiques, on a de plus I S1 = I S2 (même courant inverse de saturation de la jonction bloquée base-collecteur). Electronique Analogique A. Aouaj

II-1/ Analyse du montage en "mode différence" En mode différence, on applique à la base B 1 la tension V E1 et à la base B 2 la tension V E2 = -V E1. Les courants I C1 et I C2 sont donc différents. Cependant leur somme est toujours égale à I 0. (On suppose  =1 donc I C1 ≈I E1 et I C2 ≈I E2 ; I E1 +I E2 =I 0 ) On a : Sachant que : V ED = V BE1 – V BE2 et I C1 + I C2 = I 0, on obtient les relations : et Electronique Analogique A. Aouaj

L'évolution des courants I C1 et I C2 en fonction de la tension V ED est de la façon suivante : Pour des tensions V ED comprises entre -25 mV et 25 mV, la figure ci-dessus indique que les courants I C1 et I C2 sont sensiblement proportionnels à V ED (pour V ED =0 on trouve les courants I C0 de repos). Au voisinage de V ED = 0, les courants I C1 et I C2 s'écrivent : et Electronique Analogique A. Aouaj

Recherchons l'expression de la tension différentielle de sortie V SD dans la zone de linéarité. On a : V S1 = V CC – R C I C et V S2 = V CC – R C I C V S1 -V S2 = - R C (I C1 -I C2 ) Dans la zone de linéarité, le gain différence de l'amplificateur différentiel est tel que : On définit par g m la transconductance: on peut écrire donc : A d = – g m R C Electronique Analogique A. Aouaj

II-2/ Analyse du montage en "mode commun" En mode commun, on applique à la base B 1 la tension V E1 et à la base B 2 la tension V E2 =V E1. Dans ce cas les courants collecteurs I C1 et I C2 sont égaux à I 0 /2. La somme des tensions de sortie est donc proportionnelle à la tension commune d'entrée. Le coefficient de proportionnalité représente le gain en mode commun Electronique Analogique A. Aouaj

II-3/ Tension résiduelle de sortie : V offset (en mode continu) S'il y a une parfaite symétrie, en mettant les entrées à la masse on doit avoir V S1 = V S2 (V SD = 0). Or en réalité V SD ≠ 0. La tension offset V offset est définie comme la tension V ED différentielle appliquée entre les deux entrées pour obtenir une tension V SD nulle. Electronique Analogique A. Aouaj

III/ Amplificateur différentiel en mode sinusoïdal petits signaux Le montage AD est excité par deux tensions sinusoïdales de même fréquence et telles que leur différence amplitude soit comprise dans la zone de linéarité : - à l'entrée B 1 : v e1 = V e1 sin(  t) - à l'entrée B 2 : v e2 = V e2 sin(  t) Le schéma équivalent du montage en régime sinusoïdal faibles signaux : Les deux transistors sont caractérisés par les paramètres hybrides (h ij ), on supposera h 12 =0 et h 22 =0. R RCRC RCRC i b1 ibi b2 h 21 i b2 h 21 i b1 h 11 v e2 v e1 v s1 v s2 Electronique Analogique A. Aouaj

III-1/ Analyse du montage en mode différence On suppose v e1 = – v e2 v ed = h 11 (i b1 – i b2 ) v s1 = – h 21 R C i b1 v s2 = – h 21 R C i b2 v s1 – v s2 = – h 21 R C (i b1 – i b2 ) Sachant que : où I C0 = I 0 /2, il vient alors : On obtient la même expression que celle établie en mode continu Les courants i b1 et i b2 sont opposés, la résistance d'entrée différentielle R ed du montage est définie par : Electronique Analogique A. Aouaj

III-2/ Analyse du montage en mode commun On suppose v e1 = v e2 Les courants i b1 et i b2 sont égaux à i b v s1 = -h 21 R C i b v s2 = -h 21 R C i b v s1 + v s2 = – 2 h 21 R C i b. Electronique Analogique A. Aouaj