5ème leçon : L'amplification à transistors, l'analyse petits signaux. I. Séparation polarisation / petits signaux II. Le bipolaire en petits signaux

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1 5ème leçon : L'amplification à transistors, l'analyse petits signaux I. Séparation polarisation / petits signaux II. Le bipolaire en petits signaux Schéma équivalent en petits signaux Paramètres hybrides III. Fonctions élémentaires à bipolaires Montages en classe A Darlington Classe B Miroir de courant Paires différentielle Amplificateur opérationnel 1

2 Séparer le continu des petits signaux R 1 R C C 2 + U CC C 1 u S R S u 2 u C 1 E R 2 R E R L Source du petit signal Circuit de polarisation Charge Alimentation 2

3 Rappel : modèle du bipolaire Une diode et un générateur de courant quasiment parfait i C i C i B u CE u CE i B u BE i B i E u BE i E 3

4 Une fois le bipolaire polarisé, il est possible de séparer le continu des petits signaux ube = UBE + ube, avec UBE ~ UD0 = 0.6 V, tension de seuil d'une diode ic = IC + ic, avec IC courant de polarisation rbe = UT/IB est la résistance dynamique de la diode B-E i C i b u CE U BE I B r BE i B u be i E u BE 4

5 Le principe de superposition permet de traiter les petits signaux seuls Rappel: La somme des courants dans une branche d'un réseau linéaire est la somme des courants imposés (dans cette branche) par chaque source du circuit, supposée seule active. Nous pouvons donc supposer éteintes les sources continues qui modélisent la polarisation i b i C u CE U BE I B i B r BE u be i E u BE 5

6 Le transistor bipolaire en petits signaux rbe : résistance dynamique de la diode B-E passante. i C la transconductance gm est aussi utilisée : i B ic = gm ube = ib u be r BE i b u CE soit gm = rbe i E 6

7 Saturé IUT Modèle mathématique du transistor bipolaire en petits signaux Le réseau des caractéristiques correspond à un système d'équations Amplificateur de courant (ma) i C Source de courant quasi parfaite Effet Early i B croissant ube = f(ib, uce) ic = f(ib, uce) i B (µa) 1 V Bloqué u CE (V) Entrée i b i c Sortie u ce Diode u B E (mv) u be i e 7

8 Etape 1 : différentiation Etape 2 : identification L'établissement des différentielles est un jeu d'écriture ube dube = dib + duce ib ic dic = dib + duce ib ube uce ic uce Originellement (Leibnitz, Descartes), le calcul différentiel a commencé comme "Calcul Infinitésimal". Nous identifions chaque différentielle à une petite variation autour d'une valeur moyenne En électronique chaque différentielle correspond à un petit signal autour d'un point de repos dube = ube dic = ic dib = ib duce = uce 8

9 Etape 3 : Matrice Hybride Appelée ainsi parce qu'elle mélange variables d'entrée et de sortie ube ube = ib + uce ib ic ic = ib + uce ib ube uce ic uce <=> ube ib = [h] ic uce Soit : ube = h11 ib + h12 uce ic = h21 ib + h22 uce 9

10 Les paramètres hybrides Chaque élément de la matrice se déduit de sa place dans le système. ube = h11 ib + h12 uce ic = h21 ib + h22 uce Résistance dynamique de la diode B-E Rétroaction en tension : négligeable UT h11 = rbe = = IB ube ib uce = cte (uce = 0) ube -4 h12 = ~ 10 ~ 0 uce Gain en courant ~ h21 = ic ib (Implicite) Conductance de sortie : Effet Early ic h22 = = uce 1 10

11 Schéma équivalent hybride Valable pour le montage en émetteur commun Entrée i b i c Sortie u ce u be i b h 11 h 12 u ce 1 h 22 i c uce u be i e h 21 i b u be i b r be i c u ce ~0 u ce i b 11

12 Tracé du schéma équivalent d'un montage à transistors : Méthode Remplacer chaque transistor par son schéma équivalent i C Remplacer chaque source de tension continue par un court-circuit et chaque source de courant continu par un circuit ouvert i B u be h 11 h 21 i b 1 h22 u CE Vérifier que chaque noeud est toujours lié aux mêmes composants i E 12

13 Exemple de tracé d'un schéma équivalent Cas d'un montage base commune : U CC R C Surveiller chaque noeud et ses branches à chaque nouveau schéma tracé R 1 i 2 i 1 R 2 R E R S e s R L i 1 R S R C RL i 2 u 2 u e s 1 u r be i 1 b u 2 R E i b 13

14 Quelques fonctions élémentaires à base de transistors bipolaires Amplificateurs en classe A Paramètres caractéristiques des montages les plus courants Darlington ou super-transistor Amplificateurs en classe B Miroir de courant Paire différentielle Amplificateur opérationnel Définition de l'électronique "fonctionnelle" 14

15 Amplificateurs en classe A Fonctionnent autour d'un point de repos où le(s) transistor est passant => Consomment de l'énergie au repos Le point de repos est optimal à mi-chemin du blocage (ic = 0) et de la saturation (uce ~ 0), ce qui permet la plus grande dynamique de sortie (Dynamique : rapport entre le signal le plus grand et le signal le plus petit) Le rendement Pu/Pa est mauvais : Pu/Pa < 25 % Remarque : Les impédances d'entrée et de sortie Z1 et Z2 sont vues en deçà des résistances de polarisation. Les impédances complètes sont notées Z'1 et Z'2. 15

16 Propriétés de l'émetteur commun Forts gains en tension et en courant, impédances regrettables U CC Grande amplification de courant : Ai = h21 ~ 50 à 250 R 1 R C C 2 Petite impédance d'entrée : Z1 = h11 = rbe ~ 100 à 1000 C 1 Forte amplification en tension : u S R S u 2 u 1 C E R 2 R E R L Au = -h21 RC (h11 + Rs) Enorme impédance de sortie : Z2 = 1/h22 ~ Impédance sortie effective : Z'2 = RC 16

17 Emetteur commun découplé Forts gains en tension et en courant, impédance d'entrée ajustable : Grande amplification de courant : U CC Ai = h21 R 1 R C C 2 Grande impédance d'entrée : Z1 = h11 + (h21 +1)RE C 1 Forte amplification en tension : u S R S u 2 u 1 C E R 2 R E R L Au = -h21 RC (Z1 + Rs) Enorme impédance de sortie : Z2 = 1/h22 ~ Impédance sortie effective : Z'2 = RC 17

18 Propriétés du collecteur commun Montage suiveur de tension quasi idéal : Grande amplification de courant : Ai = -(h21 + 1) U CC R 1 R C C C Grande impédance d'entrée : Z1 = h11 + (h21 +1)RE u S C 1 R S C 2 u 1 R 2 R E u 2 R L Amplification en tension ~ 1 : (h21 +1)RE Au = <1 (Z1 + Rs) Petite impédance de sortie : Z2 = (h11 + RS) (h21 +1) Impédance sortie effective : Z'2 = RE // Z2 18

19 Propriétés de la base commune Grand gain en tension, impédances regrettables : R 1 U CC R C Amplification de courant ~ 1 : -h21 (h21 +1) Ai = < 1 i 2 Petite impédance d'entrée : Z1 = h11/(h21 +1) ~ 1/gm R 2 R E i 1 R S e s u 2 R L u 1 Forte amplification en tension : -Ai RC Au = (Z1 + Rs) Enorme impédance de sortie : Z2 ~ Impédance sortie effective : Z'2 = RC 19

20 Le Darlington, ou super transistor Se comporte comme un collecteur commun avec un gain en courant énorme. R b U CC L'amplification en courant totale est le produit des deux : u 1 T' T IC = ( + 1)( ' + 1)IB R I u 2 Le gain total en courant ic/ib peut varier de 2500 à Ce montage est étudié en TD. 20

21 Les amplificateurs de classe B Le point de repos du système est à IC = 0, donc la consommation au repos est quasiment nulle R T 1 T 2 U CC u 1 u 2 R R E u 2 T1 passant T2 bloqué Distortion de croisement T2 passant T1 bloqué Rendement optimal : 78 % t Le déblocage des diodes B-E produit une distortion au passage par zéro. Il est possible de compenser cet effet. 21

22 Le miroir de courant : la source de courant idéale U CC I 0 I = I0 ( + 2) R 0 I I T 1 T 2 I' 0 22

23 La paire différentielle Amplifie la différence de potentiels (u + - u - ) Les transistors doivent être rigoureusement identiques (i.e. fabriqués ensembles) U CC R C R C u 2 u2 T 1 T 2 u+ u- I 0 23

24 L'amplificateur opérationnel Amplificateur de différence u2 = A(u + - u - ) Amplification énorme, A ~ 10 Impédances d'entrées infinies 5 +U CC Le modèle simplifié de l'ao 741 comporte 14 transistors bipolaires npn et pnp. Ses propriétés indiquent une paire différentielle à l'entrée et un push-pull en sortie u+ u- -U CC u 2 24

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