Amplificateur à charge active et amplificateur opérationnel élémentaire

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1 Amplificateur à charge actie et amplificateur opérationnel élémentaire Objectifs du TP Comparer les performances d un amplificateur de type émetteur commun chargé par une résistance puis chargé par un miroir de courant Etudier un amplificateur opérationnel très rudimentaire à 3 étages (étage d entrée différentiel polarisé par une source de courant suii d un étage émetteur commun puis d un étage suieur) afin d en comprendre son fonctionnement Remarque : modèle équialent petits signaux des transistors à considérer dans tout le sujet : B be i b h 11 E h 1 i b i c 1/h C ce be = h 11 i b i c = h 1 i b + h ce h sera négligeable sauf dans le montage à charge actie Pour les polarisations, on supposera V BE = 0, 6V et β=100pour tous les transistors. I AMPLIFICATEUR A CHARGE ACTIVE I.1 Rappels sur le miroir de courant Les miroirs de courants sont très utilisés dans les circuits intégrés analogiques pour polariser les étages amplificateurs. Ils permettent en outre de charger ces derniers par une «charge T actie». 3 T I B I B Dans le schéma de la figure 1, T et T 3 sont supposés I B rigoureusement identiques car réalisés sur le même substrat I 0 (même puce) ; attention, ici les I B, V BE, I C sont négatifs puisque I REF les transistors sont de type PNP! + V R BE1 I I REF = = ( β + ) I B et I0 = β I B RI 1 D où I 0 I REF I REF car β >> 1+ Figure 1 β L impédance en dynamique ue du collecteur de T aut : 1 1 = = r ce (paramètre ρ h IC dynamique du transistor T ), aec ρ (V A tension de Early et IC I REF courant de V polarisation de T ). A V CC Page 1

2 Le rôle du miroir de courant dans le montage émetteur commun à charge actie est de réaliser une source de courant permettant de polariser le transistor T 1 dans sa zone actie (oir figure ). Il permet ainsi comme nous le errons plus loin d obtenir un gain éleé en dynamique. I. Montage à charge actie Prendrons l exemple d un montage émetteur commun. Dans un tel montage, il s agit de remplacer la résistance de charge habituelle R C (oir plus loin la figure 5) par le miroir de courant précédemment étudié (figure ). L aantage est de pouoir ajuster le courant de polarisation en ajustant simplement R Pol. Le gain ne dépend que des paramètres petits signaux des transistors T 1 et T. Le schéma équialent petits signaux est donné figure 3. On montre dans celui-ci qu en dynamique gs = gs3 =0 et que le schéma dynamique peut se réduire à la partie dessinée en trait plein sur le schéma de la figure 3. Le gain en dynamique aut alors simplement : Figure S = g m 1 ( r ce 1 // r ce ) e Celui-ci est donc indépendant de R Pol et du courant de polarisation, il a l aantage d être très éleé mais l inconénient d être peu contrôlable. I REF R Pol V CC T 3 T I B Vb1 I B I B I 0 T 1 VS e g r m ce1 r 1 e ce s g m g m3gs3 gs r ce3 //r be R Pol gs //r be3 = gs3 Figure 3 Le schéma de la figure 4 montre les limitations en grands signaux et permet d estimer l amplitude maximale qu il est possible d obtenir en sortie. Le réseau de caractéristiques du transistor T 1 est tracé en gras, alors qu en gris on retroue la caractéristique de la charge due à T et à V CC. On note que ces deux transistors fonctionnent dans leurs «zones acties» si l on reste sur le segment [A;B], et donc que la sortie maximale aant déformation est V SMax =V CC +V CESat (point B, le courant de base de T 1 correspondant étant I B1B ), alors que la sortie minimale aant écrêtage est V Smin =V CESat1 (courant de base de T 1 correspondant : I B1A ). L excursion maximale de sortie crête à crête ne doit donc pas excéder : V ˆ Crête crête = V + V (attention, V CESat <0!) CE Sat1 CE Sat Page

3 I C Limite saturation de T 1 Limite saturation de T IB1 A A B IB1 B VCE Sat1 V CC +VCE Sat V CC VS Figure 4 I.3 Préparation Il s agit de comparer le comportement d un étage émetteur commun chargé par une simple résistance (figure 5) à celui à charge actie chargé par un miroir de courant (figure6). RC,4K T3 THAT340 T THAT340 Vs1 Vs GBF_ SIN+OFFSET T1 THAT340 Rpol 4,3K GBF SIN+OFFSET T1 THAT340 Figure 5 Figure 6 On suppose l offset du générateur de fonction réglé de sorte à obtenir V S1 =V S =V CC / au repos aec V CC =5V. On prendra pour tous les transistors V BE =0,6V, V CESat =0,V, β 100 et V A =75V (rappel : h 11 =U T /I B aec U T =6mV à 0 c). I.3.a : Cas d une simple charge résistie (figure 5) Calculer le courant de repos I C1. Calculer le gain dynamique du montage. Quelle est l amplitude maximale crête à crête du signal de sortie aant écrêtage? Que aut l amplitude du signal d entrée correspondante? Page 3

4 I.3.a : Cas de la charge actie (figure 6) Calculer le courant de polarisation circulant dans R Pol et dans T 1 et T. Calculer le gain en tension du montage. Quelle est l amplitude maximale crête à crête du signal de sortie aant écrêtage? Que aut l amplitude du signal d entrée correspondante? I.4 Mesures Pour l ensemble des mesures qui suient il est préférable de préoir une synchronisation externe (sortie TTL du générateur de fonctions sur l entrée externe de l oscilloscope ). Sur les maquettes la polarisation du transistor T1 d entrée ne se fera par directement par réglage de l offset du générateur de fonction mais par un pont diiseur (RB1, RB) associé à un potentiomètre P multitours (oir schéma p8 et sur la maquette). L entrée VE se fera du coup ia une capacité de liaison CE qui introduira une fréquence de coupure à très basse fréquence du montage. I.4.a : Cas d une simple charge résistie (commutateur de la maquette en position 1) Etude de la polarisation Régler le potentiomètre P de façon à obtenir une tension de sortie de V S1 =,5V et mesurer la tension V BE1. Gain dynamique - Conserer le point de fonctionnement précédent et mesurer le gain dynamique à 10kHz (attention à bien choisir l amplitude du signal d entrée issu du GBF de façon à ne pas saturer la sortie). Précisez pour cette mesure les réglages effectués sur l oscilloscope et le générateur d entrée et conclure sur la aleur du gain. - Augmenter l amplitude du signal d entrée jusqu à saturer le signal de sortie. Releer V SMax crête à crête (utiliser la fonction curseurs de l oscilloscope). Commentez le résultat. - Réduire l amplitude et augmenter la fréquence jusqu à obserer une atténuation du signal de sortie de 3dB. Noter la aleur de la bande passante du montage. I.4.b : Cas de la charge actie (commutateur de la maquette en position ) Comportement statique Régler le potentiomètre de façon à obtenir une tension de sortie de V S1 =,5V et mesurer la tension V BE1. Gain dynamique - Conserer le point de fonctionnement précédent et mesurer le gain dynamique à 10kHz (attention à bien choisir l amplitude du signal d entrée issu du GBF de façon à ne pas saturer la sortie ; il sera ici nécessaire de régler l amplitude du signal d entrée à sa aleur minimale tout en ajoutant un atténuateur de 0dB en sortie du générateur). Précisez pour cette mesure les réglages effectués sur l oscilloscope et le générateur d entrée et conclure sur la aleur du gain. - Augmenter l amplitude du signal d entrée jusqu à saturer le signal de sortie. Releer V SMax crête à crête. Comparer les résultats à ceux du montage précédent. - Réduire l amplitude et augmenter la fréquence jusqu à obserer une atténuation du signal de sortie de 3dB. Noter la aleur de la bande passante du montage. Bilan Comparer gains, excursions crête à crête et bandes passantes des deux montages. Que dire sur la linéarité des montages? Page 4

5 II AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL ELEMENTAIRE On se propose dans cette seconde partie d étudier un amplificateur opérationnel élémentaire constitué d un étage différentiel en entrée (T 1 et T ), suii d un montage émetteur commun (T 5 ) apportant un gain en tension éleé puis d un étage de sortie à collecteur commun garantissant un gain en courant correct. L ensemble est représenté figure 7. R R 4700 RE 1K VD VE T5 e1 RB T1A TB VC I0 T3C VA VB R4 7K T4D e RB 4700 RC 4K VF T6 S R3 100 RE3 3K Figure 7 II.1 Etage différentiel L amplificateur différentiel est polarisé par une source de courant I 0 (courant de collecteur de T 3 ) réalisée à l aide de T 3, T 4, R 3 et R 4. Le fonctionnement en source de courant de ce montage n est garanti que si les transistors T 3 et T 4 ne sont pas saturés (c'est-à-dire que les V CE des ces deux transistors doient être supérieurs à V CESat, usuellement autour de 0,V). Cela signifie que le potentiel VC ne doit pas descendre en dessous de R 3 I 0 +V CESat3! La paire différentielle est chargée par les résistances R 1, R. On érifiera dans le traail de préparation que le courant de base de T 5 est suffisamment faible deant le courant I 0 pour être négligé dans l étude de l étage différentiel seul. II. Etage émetteur commun Le second étage de type émetteur commun à contre réaction d émetteur (T 5, R E, R C ). Le gain dynamique de cet étage est donc donné par les aleurs de R C et R E (oir cours d électronique). La tension maximale en sortie de cet étage (potentiel VF) est limitée par la présence de R E (oir traail de préparation). II.3 Etage collecteur commun L étage de sortie est de type collecteur commun. Son intérêt est de posséder une impédance de sortie faible, ce qui permet un courant de sortie relatiement éleé. Page 5

6 II.4 Traail de préparation Tous les transistors du montage sont supposés identiques ; on prendra V BE =0,6V, β 100, V CC =15V, V CESat =0,V. II.4.a : Source de courant Montrer que l ensemble T 3, T 4 R 3 et R 4 forme une source de courant I 0 dont on calculera la aleur. Pour cela on supposera les courants de bases de T 3 et T 4 petits deant les courants collecteur ou émetteur (T 3 supposé non saturé). Pourquoi le transistor T 4 est-il nécessairement non saturé? En dessous de quelles aleurs les potentiels des entrées e1 et e ne doient-ils pas descendre pour que la source de courant fonctionne correctement? (Si I 0 n a pas pu être calculée, prendre 0,5mA pour la suite) II.4.b : Polarisation Etage de sortie (collecteur commun) On suppose qu au repos V S =0V. Calculer les aleurs des courants d émetteur et de base de T 6. En déduire le potentiel V F. Etage intermédiaire (émetteur commun) Calculer les aleurs des courants d émetteur et de base de T 5. En déduire le potentiel V E. Etage d entrée (différentiel) Calculer les courants de collecteur de base et d émetteur de T. En déduire ceux de T 1 et les potentiels e, V C, e 1, V D (attention, les entrées e1 et e sont «en l air» donc les courants de bases circulent intégralement dans R B1 et R B ). Que dire de la tension de décalage de cet AO? Reporter les aleurs des potentiels calculés à chaque nœud du montage sur le schéma donné en fin d énoncé (document réponse). II.4.c : Fonctionnement dynamique, calcul des gains Faire systématiquement les approximations habituelles : β=h 1 >>1, 1/h =r ce =. Etage d entrée (différentiel) Donner l expression du gain différentiel : GMD = puis faire l application numérique. e 1 e Etage intermédiaire (émetteur commun) F Idem pour le second étage : G EC =. Etage de sortie (collecteur commun) s Idem pour l étage de sortie : G CC =. II.4.d : Montage complet Que aut le gain complet? Quelle est l entrée inerseuse (e 1 ou e )? F Page 6

7 II.5 Mesures II.5.a : Polarisation Alimenter le montage, ne rien placer en entrées e 1 et e (celles-ci restent «en l air»). Mesurer les potentiels de chaque nœud du montage y compris V CC et V CC et reporter ces aleurs sur le schéma du document réponse (utiliser une autre couleur que pour le traail de préparation). En déduire la aleur de I 0. Proposer un montage permettant de régler au repos V S =0V. Effectuer ce réglage et mesurer à noueau les potentiels aux différents nœuds du montage (aleur à reporter à noueau sur le schéma du document réponse d une autre couleur). Conclure. II.5.b : Etude dynamique, mesures des gains Pour toutes les mesures des gains on placera le générateur de fonction sur l entrée e 1 (câble BNC). L entrée e restera «en l air» sauf pour la mesure du gain de mode commun où on reliera e à e 1. On fera attention à ne pas saturer les sorties! Précisez systématiquement les réglages et amplitudes d entrée et de sorties. Faire ces mesures à 1kHz. Mesurer le gain de mode différentiel (GBF sur e 1 seulement) de l étage différentiel : GMD =. e e 1 e1 Mesurer le gain de mode commun de l étage différentiel : de réjection de mode commun. Conclure sur l étage différentiel. F Mesurer le gain en tension du second étage : G EC =. Mesurer le gain en tension de l étage de sortie : II.5.c : Montage complet Vérifier le gain complet G S S CC = e1 e e1 E S G CC =. F G =. Que aut le taux e MC = 1 e = à 1kHz (attention à ne saturer aucun des 3 étages) et érifier quelle est l entrée inerseuse. Augmenter la fréquence et déterminer la bande passante de l amplificateur complet (correspondant à une atténuation du gain de 3dB). Question subsidiaire Câbler l amplificateur en suieur et obserer la sortie lorsque l entrée est à 0V. Demander des explications à l encadrant Page 7

8 ANNEXES Maquette de la partie I : «Amplificateur à charge actie» Maquette de la partie II : «Amplificateur opérationnel élémentaire» Page 8