Amplificateurs –O–Opérationnel –D–Des petits signaux –D–De puissance –A–Avec contre réaction Oscillateurs Générateurs de signaux.

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2 Amplificateurs –O–Opérationnel –D–Des petits signaux –D–De puissance –A–Avec contre réaction Oscillateurs Générateurs de signaux.

3 1.Caractéristiques des composants : - Résistance - Capacité - Inductance - Diode - Transistor (NPN – PNP – FET - MOSFET) 2.Lois fondamentales : - Loi d'Ohm - Lois de Kirchhoff - Diviseur de tension - Théorème de Superposition - Théorème de Thévenin - Théorème de Norton - Théorème de Millman - Théorème de Kennely - … ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 3/38

4 1Introduction 2Amplificateur opérationnel parfait 3Amplificateur opérationnel en boucle ouverte 4Montages fondamentaux a amplificateurs opérationnels parfaits 5Caractéristiques de l’amplificateur opérationnel réel. ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 4/38

5 1.Introduction En 1953: Le premier AOP disponible en grande série : le K2-W. En 1965: Le premier AO intégré disponible en grande quantité fut l'AOP μA709 En 1968: Le μA709 fut remplacé par le μA741 qui offrait de meilleures performances ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 5/38

6 1.Introduction Les plus répandus ampli-op : le LM741 et le TL081 12 mm 8 mm 1966 – Le LM 741 de Fairchild Semiconductor Beaucoup plus récent, le TL081 ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 6/38

7 1.Introduction  VSVS + - C’est un amplificateur en tension  VSVS ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 7/38

8 1.Introduction Fonction réalisée : V S  G d  G d  V + -V - ) G d : gain en tension infini dans le cas idéal  VSVS + - +V alim -V alim V+V+ V-V- ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 8/38

9 1.Introduction  VSVS + - V+V+ V-V- RdRd Gd.Gd.  V+V+ V-V- Vs RSRS  Très grand gain différentiel (G d > 10 5 )  Une grande résistance d’entrée (rd>10 6 Ω)  Une faible résistance de sortie R S Notez bien :  ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 9/38

10 2.Amplificateur Opérationnel Parfait (AOP) Un amplificateur opérationnel est dit PARFAIT quand :  Son gain est infini : Gd    Sa résistance différentielle d’entrée est infinie : R d    Les courant d’entrée sont nuls : i+=i-=0  La résistance de sortie est nulleR s =0 ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 10/38

11 2.Amplificateur Opérationnel Parfait (AOP) VsVs +V sat -V sat  Caractéristique V s = f (  ) de l’AOP Si l’AOP fonctionne dans son régime linéaire c’est-à-dire lorsque : -V sat < V s < +V sat alors :  = 0 Le gain infini implique une caractéristique verticale ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 11/38

12 2.Amplificateur Opérationnel Parfait (AOP) Un fonctionnement linéaire -montage avec contre réaction Un fonctionnement non linéaire - montage avec réaction positive Si on injecte une partie du signal de sortie en entrée de : la borne (-) on obtient : la borne (+) on a alors : Seule, cette structure ne peut servir que comme comparateur puisque : - si  > 0 alors V S = V sat - si  < 0 alors V S = -V sat ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 12/38

13 Tensions de saturations 3.Amplificateur Opérationnel en Boucle Ouverte V s = G d  - R s I s Caractéristique S = f (  ) VsVs +V sat -V sat 11 22  En première approximation on peut négliger l’effet de R s donc : V s ≈ G d  Tensions maximales à ne pas dépasser pour rester dans la zone linéaire Zone de fonctionnement linéaire Zones de fonctionnement saturé ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 13/38

14 4.Montages Fondamentaux a AOP 4.1. Fonctionnement en régime linéaire : Montage avec contre réaction  vSvS - + veve R1R1 R2R2 Mise en équation : V + = V e Millman :  V + -V - = v e - kv s droite de pente –1/k Discussion : Un point de fonctionnement :  = 0 donc V + = V - ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 14/38

15 4.Montages Fondamentaux a AOP 4.1. Fonctionnement en régime linéaire : Montage avec contre réaction  vSvS - + veve R1R1 R2R2 Discussion : Un point de fonctionnement :  = 0 donc V + = V - Représentation graphique :  v sat -v sat pente : -1/k ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 15/38

16 4.Montages Fondamentaux a AOP 4.2. Fonctionnement non linéaire : montage avec réaction positive  vSvS + - veve R1R1 R2R2 Mise en équation : V - =V e En appliquant le théorème du diviseur de tension en V + :  V + -V - = kv s - v e droite de pente 1/k ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 16/38

17 4.Montages Fondamentaux a AOP 4.2. Fonctionnement non linéaire : montage avec réaction positive  vSvS + - veve R1R1 R2R2 Représentation graphique :  +v sat -v sat pente : +1/k A B Discussion : V e /k n’est pas un point de fonctionnement stable :  > 0 conduit à V S = +V sat  < 0 conduit à V S = -V sat ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 17/38

18 4.Montages Fondamentaux a AOP 4.3. L’amplificateur opérationnel : montages linéaires Montage non inverseur :  vSvS - + veve R1R1 R2R2 ieie ibib fonction de transfert : Impédance d’entrée : car i e =>0 Impédance de sortie : ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 18/38

19 4.Montages Fondamentaux a AOP 4.3. L’amplificateur opérationnel : montages linéaires fonction de transfert : Impédance d’entrée : vSvS - + veve R1R1 R2R2 ieie ibib Montage inverseur : ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 19/38

20 4.Montages Fondamentaux a AOP 4.3. L’amplificateur opérationnel : montages linéaires Montage suiveur : fonction de transfert : Impédance d’entrée : Impédance de sortie : 0  vSvS - + veve On obtient un adaptateur d’impédance en tension parfait ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 20/38

21 4.Montages Fondamentaux a AOP 4.3. L’amplificateur opérationnel : montages linéaires Additionneur inverseur : fonction de transfert : Impédance d’entrée : Impédance de sortie : vSvS - + v e1 R1R1 v e2 R2R2 … v ei RiRi R Chaque voie d’entrée possède une impédance propre ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 21/38

22 4.Montages Fondamentaux a AOP 4.3. L’amplificateur opérationnel : montages linéaires Soustracteur différentiel : fonction de transfert : Impédance d’entrée : Impédance de sortie : vSvS - + v e1 R1R1 v e2 R2R2 R R3R3 D’où : 0 ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 22/38

23 4.Montages Fondamentaux a AOP 4.3. L’amplificateur opérationnel : montages linéaires Convertisseur courant-tension : vSvS - + R1R1 ieie Photodiode Application : vSvS - + R ieie AN : i e = 10uA R=1M  V S = 10 V Impédances d’entrée et de sortie : nulles V + =V - =0 V S =-R 1 i e ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 23/38

24 5.Caractéristiques de l’amplificateur opérationnel réel Généralement, l’AOP est de type passe-bas avec : - une fréquence de coupure (  c ) de l’ordre de 10 Hz - un gain en tension A v important de l’ordre de 10 5 Ce qui conduit au diagramme de Bode en gain : Cette fonction de transfert s’écrit : log  20 log (V s /V e ) 0  c pente –20 dB/dec 20 log (A V ) ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 24/38

25 5.Caractéristiques de l’amplificateur opérationnel réel Montage intégrateur ou passe-bas : R vSvS - + veve C i i log  20 log (V s /V e ) 0 dB c c 20 log (A V )  RC ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 25/38

26 5.Caractéristiques de l’amplificateur opérationnel réel Montage intégrateur ou passe-bas : R vSvS - + veve C i i Supposons que l’AOP est parfait: Le courant I traversant R et C est donné par : Il peut aussi être exprimé en fonction de la tension de sortie : En utilisant les deux équations précédentes on obtient : ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 26/38

27 5.Caractéristiques de l’amplificateur opérationnel réel Montage intégrateur ou passe-bas avec limitation du gain : R vSvS - + veve C i i R1R1 log  20 log (V s /V e ) 0 20 log (A V )  R C 20 log (R 1 /R)  /R 1 C log  0 Arg(V s /V e )   Inverseur Intégrateur ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 27/38

28 5.Caractéristiques de l’amplificateur opérationnel réel Montage dérivateur ou passe-haut : veve R vSvS - + C i i log  20 log (V s /V e ) 0 20 log (A V )  RC ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 28/38

29 5.Caractéristiques de l’amplificateur opérationnel réel Montage dérivateur ou passe-haut avec limitation du gain : veve R vSvS - + C i i R1R1 log  20 log (V s /V e ) 20 log (A V )  RC  R 1 C 20 log (R/R 1 ) ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 29/38

30 Calculer Vs = f(V e1,V e2,V e3,V e4 ) - + v e1 R1R1 v e2 R2R2 R - + v e3 R1R1 v e4 R2R2 R vSvS - + R1R1 R2R2 R ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 30/38

31 Amplificateur d’instrumentation ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 31/38

32 ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 32/38

33 ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 33/38

34 34 Amplificateur de mesure industriel v1v1 v2v2 =v 2 – v 1 Ampli. de différence i i i e1e1 e2e2 e 1 -e 2  =0 Etage de gain s RGRG R2R2 R1R1 R1R1 +Vcc  -Vcc +Vcc  -Vcc e2e2  +Vcc -Vcc R2R2 R2R2 R2R2 e1e1 R G seule permet de régler le gain différentiel du montage ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 34/38

35 ENSA de Tanger Cours d’électronique Analogique G3EI - GIND 2015 – 2016 35/38

36 ftp://ftp.ni.com/evaluation/EWB/NI_Circuit_Design_Suite_10_1_1.exe Installer Multisim

37 http://public.iutenligne.net/electronique/ Bach-Poiraud/ampliop/Intro/index.html Installer multisim

38  Familles de bipolaires Transistors bipolaires à homojonction (BJT)  Familles de transistors à effet de champ Transistors bipolaires à hétérojonctions (TBH) Transistors métal/oxyde/silicium (MOSFET) Transistors à jonctions PN (JFET)  Familles de diodes Transistors à jonctions métal/semiconducteur (MESFET) Transistors à hétérojonctions (HEMT, MODFET) Jonction PN Diodes PIN Diodes Schottky Diodes tunnel P + N + Diodes Gunn

39  Familles de bipolaires Transistors bipolaires à homojonction (BJT) Plan du jour  Familles de transistors à effet de champ Transistors bipolaires à hétérojonctions (TBH) Transistors métal/oxyde/silicium (MOSFET) Transistors à jonctions PN (JFET)  Familles de diodes Transistors à jonctions métal/semiconducteur (MESFET) Transistors à hétérojonctions (HEMT, MODFET) Jonction PN Diodes PIN Diodes Schottky Diodes tunnel P + N + Diodes Gunn

40 Diode (Si) à jonction PN Applications : Redressement Effet Zener : stabilisation de tension Diode en inverse : varicap  conversion tension/fréquence Dans plein de dispositifs… ZCEP (N A )N (N D ) I AK KA 0 V AK 0,7 V -BV

41 A propos de la jonction PN en inverse (ou pas) Dans la ZCE, génération de paires électron/trous, à la vitesse ZCEP (N A )N (N D ) Electrons et trous sont balayés par le champ électrique ce qui crée un courant inverse de génération dans la ZCE où h+h+ e-e- En outre, effet capacitif dû à la variation de W ZCE en fonction de V R Capacité dite de transition Diode Si avec N A = 10 18 cm -3, N D = 10 15 cm -3 et  = 10 ns → J G = 8×10 -6 A.cm -2 à V R = 0 V alors que J S = 3×10 -12 A.cm -2 où

42 Diode PIN I (nid)P+P+ N+N+ I AK KA nid: non intentionally doped Applications : Redressement de puissance (BV  2500 V) basse fréquence Interrupteur HF (en travers ligne de transmission) Diode IMPATT (Impact Avalanche Transit Time) pour générateur HF (I =  = peu dopé P) dans la gamme f > 30 GHz (courants de dérive et de déplacement en ) Photodétecteur

43 Diode Schottky EFEF Métal Semiconducteur N N D  10 17 cm -3 Energie ECEC EVEV 0 I AK V AK ~ 0,3 V sur Si Energie EFEF Métal Semiconducteur N N D  10 19 cm -3 ECEC EVEV Flux "thermoionique" 0 I AK V AK Effet tunnel

44 Diode tunnel P + N + (ou Esaki, Nobel 1973) D'après A. Vapaille et R. Castagné "Dispositifs et circuits intégrés semiconducteurs", Dunod Résistance différentielle négative (RDN)

45 Diode Gunn GaAs dopé N k m *  = 0,063 m 0 < m * L = 0,11 m 0 Résistance différentielle négative T = 300 K (*) : J. Pozhela, A. Reklaitis, Solid State Electron. 23, 927-933 (1980) (*) Données sur les semiconducteurs : cf. http://www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond/index.html m 0 = 9,1×10 -31 kg, masse de l'électron dans le vide

46  Familles de bipolaires Transistors bipolaires à homojonction (BJT) Plan du jour  Familles de transistors à effet de champ Transistors bipolaires à hétérojonctions (TBH) Transistors métal/oxyde/silicium (MOSFET) Transistors à jonctions PN (JFET)  Familles de diodes Transistors à jonctions métal/semiconducteur (MESFET) Transistors à hétérojonctions (HEMT, MODFET) Jonction PN Diodes PIN Diodes Schottky Diodes tunnel P + N + Diodes Gunn

47 V BE V BC E (N ++ )B (P + )C (N) J ne J pe J nc = B 0 J ne MJ nc IEIE IBIB ICIC ZCE B/C 0 -W E +W B +W B +W C x Le BJT filamentaire

48  Schéma équivalent petits signaux simplifié (régime normal direct) C TE +C DE v BE v CE iBiB iCiC g m v BE r0r0 Base Emetteur Collecteur C TC Performances fréquentielles rr C DE = g m t B, r 0 = V a /I C0 Gain pour

49 Effet de géométrie Géométrie réelle non filamentaire  résistance d'accès à la base r BB'  limite f max : Idée :  N AB ou/et  W B mais alors  F  BEC r BB'  1/(N AB W B ) Substrat P Subcoll. N + Coll. N r BB'

50 Bipolaire à hétérojonction Di Forte-Poisson, Materials Science Semicond. Process. 4, 503 (2001) x x Base GaAs surdopée Une barrière E/B pour les trous plus grande que pour les électrons InGaPGaAs Autrement dit…