ELCTRONIQUE ANALOGIQUE Université de Bretagne Sud ELCTRONIQUE ANALOGIQUE L3-PLURI 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 J. LAURENT
PLAN DU COURS II. Redressement et filtrage III. Régulation de tension 1. Alimentation stabilisée 2. Transformateur 3. Redresseur demi-onde a. diode idéale b. diode réelle 4. Redresseur en pont 5. Filtrage a. signal demi-onde b. signal pleine onde III. Régulation de tension 1. Généralités 2. Diode Zener a. principe J. LAURENT
PLAN DU COURS Chap 2. Le transistor bipolaire I. Présentation 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 J. LAURENT
PLAN DU COURS 3. Caractéristiques 4. Droite de charge statique 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 J. LAURENT
PLAN DU COURS 3. Caractéristiques 4. Droite de charge statique 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 J. LAURENT
PLAN DU COURS 3. Montage collecteur commun 4. Montage à base commune 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 4. Montage à base commune 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 J. LAURENT
PLAN DU COURS II. MOSFET 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 b. tension de seuil e. polarisations des FET f. applications J. LAURENT
Introduction : notations 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 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 J. LAURENT
Chap 1. Les diodes J. LAURENT
I.1. Semi-conducteurs 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) J. LAURENT
I.3. Jonction PN - Diode J. LAURENT
I.3. Jonction PN - Diode J. LAURENT
I.3. Jonction PN - Diode J. LAURENT
I.4. Caractéristiques J. LAURENT
I.4. Caractéristique 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 J. LAURENT
I.5. Droite de charge J. LAURENT
I.5. Droite de charge J. LAURENT
I.6. Approximations J. LAURENT
I.6. Approximations J. LAURENT
II. Redressement et filtrage J. LAURENT
II.2. Transformateur J. LAURENT
II.3. Redresseur demi-onde J. LAURENT
II.3. Redresseur demi-onde J. LAURENT
II.4. Redresseur en pont J. LAURENT
II.4. Redresseur en pont J. LAURENT
II.5. Filtrage J. LAURENT
II.5. Filtrage J. LAURENT
III. Régulation de tension J. LAURENT
III.1. Généralités J. LAURENT
III.2. Diode Zener J. LAURENT
III.2. Diode Zener J. LAURENT
III.2. Diode Zener J. LAURENT
III.3. Régulateur Zener J. LAURENT
III.3. Régulateur Zener J. LAURENT
III.3. Régulateur Zener J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode Lois de base: Loi d’ohm générale: U = Z I Loi des nœuds: Pour 1 nœud, la somme des courants entrants = somme des courants sortants: ici i3 + i2 = i1 I Z U i1 i1 i3 i2 J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode Loi des mailles: Somme des tension sur une maille =0 On part d’un point et on revient au même endroit. Ici: -V + Z1i1+ Z2i2 = 0 Ou: -V + Z1i1+ Z2i3 + Z4i3=0 i1 Z1 i3 Z3 i2 Z2 Z4 J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode Formule du pont diviseur V2 = V1* (Z2/(Z1+Z2)) Association d’impédances Série: Zt = Z1+Z2 I Z1 V1 V2 Z2 Z1 Z2 Zt 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 d’alimentation. Actif: il faut fournir une alimentation continue pour obtenir une amplification de V ou I (T, AOP). Z1 Zt Z2 J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode Résistance: Zr=R -> V=ZrI=RI V et I sont en phase Caractéristiques d’une résistance: Valeur en W 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 I Zr V 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->inf Zl->inf L=>CO La self laisse passer le continu mais bloque les HF; elle s’oppose aux variations rapides. En fait la self a une résistance interne r Zl=r+jLw = |Zl|=sqrt(r²+(Lw)²) L I V 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 l’inverse de la self f->0 Zc-> inf => C=CO f->inf Zc->0 => C=CC Le temps de charge d’un condensateur dépend de t =1/(RC) I C V J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode Fonctions de transfert H = Vsortie/Ventrée Impédances d’entrée et de sortie Ze: impédance équivalente vue de l’entrée. Ze=Ve/Ie Zs: impédance équivalente vue de la sortie. Ze=Vs/Is Zg Ze Zs Zl 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 d’éléments C ou L) Fonction du filtre (Butterworth, Chebychev, Bessel…) 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 D’où 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 Ve Vs 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 fc f BP=[0;fc] -20dB/dec J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode De manière générale: Phase de H = arctan(w/w0) Passe bas phase H= -n(p/2) Forme canonique: H=K/(1+j(w/w0)) F H fc f -p/2 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)) C Ve Vs R J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode |H|dB fc f BP=[f0;inf[ -20dB/dec F H +p/2 f fc J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode Passe bande ou coupe bande Combinaison d’un passe haut et d’un passe bas P bas f1 P haut f2 Si f2<f1 Passe bande Si f1<f2 coupe bande J. LAURENT
Chap 2. : Transistor bipolaire J. LAURENT
I.1. Description et symboles J. LAURENT
I.1. Description et symboles J. LAURENT
I.2. Fonctionnement 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 J. LAURENT
I.2. Fonctionnement e. gain statique f. conclusion = 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 J. LAURENT
I.3. Caractéristiques J. LAURENT
I.3. Caractéristiques J. LAURENT
I.4. Droite de charge statique J. LAURENT
I.5. Régimes linéaire et NL J. LAURENT
I.5. Régimes linéaire et NL J. LAURENT
I.6. Circuits de polarisation J. LAURENT
I.6. Circuits de polarisation J. LAURENT
I.6. Circuits de polarisation 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 J. LAURENT
I.8. Circuits à transistors pnp J. LAURENT
II. Généralités sur l’amplification J. LAURENT
II.2. Environnement réel J. LAURENT
II.3. Régime petit signal J. LAURENT
II.4. Couplage et découplage 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 J. LAURENT
III. Régime dynamique J. LAURENT
III.1. Modèle dynamique J. LAURENT
III.2. Montage émetteur commun J. LAURENT
III.2. Montage émetteur commun 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 J. LAURENT
III.3. Montage collecteur commun J. LAURENT
III.3. Montage collecteur commun 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 J. LAURENT
III.3. Montage base commune J. LAURENT
III.3. Montage base commune 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 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 J. LAURENT
I. JFET J. LAURENT
I.2. JFET polarisé J. LAURENT
I.3. Caractéristiques J. LAURENT
I.3. Caractéristiques J. LAURENT
I.4. Circuits de polarisation J. LAURENT
I.4. Circuits de polarisation J. LAURENT
I.4. Circuits de polarisation J. LAURENT
I.4. Circuits de polarisation J. LAURENT
I.5. Régimes linéaire et NL J. LAURENT
I.5. Régimes linéaire et NL J. LAURENT
I.5. Régimes linéaire et NL J. LAURENT
I.6. Applications à l’amplification J. LAURENT
I.6. Applications à l ’amplification J. LAURENT
I.6. Applications à l ’amplification J. LAURENT
I.6. Applications à l ’amplification J. LAURENT
I.6. Applications à l ’amplification J. LAURENT
I.6. Applications à l ’amplification J. LAURENT
II. MOSFET J. LAURENT
II.1. MOSFET à appauvrissement J. LAURENT
II.1. MOSFET à appauvrissement J. LAURENT
II.1. MOSFET à appauvrissement J. LAURENT
II.1. MOSFET à appauvrissement J. LAURENT
II.1. MOSFET à appauvrissement J. LAURENT
II.1. MOSFET à appauvrissement J. LAURENT
II.2. MOSFET à enrichissement J. LAURENT
II.2. MOSFET à enrichissement J. LAURENT
II.2. MOSFET à enrichissement J. LAURENT
II.2. MOSFET à enrichissement J. LAURENT
II.2. MOSFET à enrichissement J. LAURENT
II.2. MOSFET à enrichissement J. LAURENT
III. AOP Un des composants les plus utilisés et un des plus simples à mettre en œuvre. Présentation C’est un CI comportant de nombreux étages à transistors (20 à 30 T) avec des caractéristiques quasi idéales: Ze = 2MW Zs = 100 W G0 = 200 000 C’est un ampli différentiel avec 2 entrées et 1 sortie V+ + + e V- - - J. LAURENT
III. AOP Modèle et caractéristiques En pratique e tension différentielle = V+ - V- Vs = A e avec A: amplification en BO Modèle et caractéristiques En pratique Is limité à environ 10mA i- et i+ environ 10-10A Ze de 106 à 1012 W A grand mais dépend de BP Zs de 10W à 100W is V+ i+=0 e Ae Vs V- i-=0 J. LAURENT
III. AOP En régime linéaire e = 0 Régime linéaire et NL La relation i+= i- =0 tjrs vrai. Régime linéaire e = 0 pour cela il faut une contre réaction (sortie reliée à V-) Vsat+ e Vsat- - e Ve + J. LAURENT
III. AOP Régime non linéaire alors e≠0 et Vs =+- Vsat AOP en BO donc pas de CR Si e>0 alors Vs= Vsat+ Si e<0 alors Vs= Vsat- Quand e change de signe, la commutation est pratiquement instantanée V+ + e V- - Vs 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 jusqu’à Vsat+ Ici encore, si e>0 Vs=Vsat+ et si e<0 Vs=Vsat- Pour étudier le montage en régime NL: On détermine l’évolution de V+ et V- pour en déduire e Pour étudier le montage en régime linéaire: On écrit la loi des mailles pour chaque branche avec e =0 On écrit la loi des nœuds pour chaque nœud avec i+ = i- =0 On résout le système d’équations pour exprimer Vs en fct de Ve + e Ve - 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) Z2 Z1 - e + Vs Ve V+ + V- - Vs 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] Z2 Z1 - e Ve + Vs Z4 Z1 Z2 - e Z3 + Vs 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 Z2 Z1 - e Z3 + Vs Z4 R Vs= -RC dVe/dt - e + Vs On produit en sortie un signal rectangulaire si le signal d’entrée est une rampe J. LAURENT
III. AOP AOP en régime linéaire Exemples de montages Intégrateur Vs = -1/(RC) intégral Ve dt R - e + Vs J. LAURENT
III. AOP AOP en régime linéaire Exemples de montages Filtre actif G0 = K/[(1+j(w/w2))x(1-j(w1/w))] R2 C2 C1 R1 - e + Vs Passe bas Passe haut J. LAURENT
III. AOP AOP en régime non linéaire Exemples de montages Comparateur à 1 seuil - e Ve + Vs Vref Vsat+ Vref Vsat- 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 DV = Vref+ - Vref- = 2(R1/R2)Vsat Vc = (Vref+ + Vref-)/2 = [(R1+R2)/R2] Vref + - e Vs Vref Ve Vsat+ Vsat- R1 R2 DV Vc J. LAURENT
BIBLIOGRAPHIE Electronique Dornier Ed Foucher Coll Plein Pot Théorie ISBN 2-216-01628-4 Applications et problèmes ISBN 2-216-01629-2 Electronique analogique Merat R. Moreau L.Allay J.P. Dubos J. Lafargue R. Le Goff Ed Nathan Coll Etapes n° 52 ISBN 2-09-176893-6 Electronique linéaire : Cours avec exercices et travaux pratiques Blot Dunod Université ISBN 2-10-001133-2 Electronique linéaire : exercices résolus Blot Dunod Université ISBN 2-10-001777-2 Les transistors : Eléments d’intégration 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 l’électronique Bourgeron Hachette Technique Guide Pratiques Industriels ISBN 2-01-166590-6 Memotech Electronique Composants J.C. Chauveau G.Chevalier B. Chevalier Coll A. Capliez Educalivre ISBN 2-7135-1353-7 Guide du technicien en électronique Cimelli R. Bourgeron Hachette Technique ISBN 2- 01-16-6868-9 Technologie des composants électroniques 3 Tomes Besson SECF Ed Radios ISBN 2-7091-0821-6 ISBN 2-7091-0872-0 ISBN 2-7091-0983-2 Le mémento des fondements de l’électronique Altmann Ed Fréquences Difffusion Eyrolles ISBN 2-903055-26-2 Principes d'électronique A. P. Malvino McGrawHill ISBN : 2-7042-1176-0 J. LAURENT