Montages à plusieurs transistors

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1 etor a men! ontages à plsiers transistors mplificaters à plsiers étages Dans de nombrex amplificaters, on cerce à obtenir n grand gain, ne impédance d entrée élevée (afin de ne pas pertrber la sorce d signal) et ne impédance de sortie faible por agir sr l actionner final (at-parler, moter d asservissement...). Un amplificater à n sel étage ne permet pas, en général, de réaliser ces objectifs. On sera amené à associer plsiers étages en cascade. ar exemple, la réalisation d n amplificater à grand gain et de grande bande passante est délicate. Il est assez simple, par contre, de fabriqer n amplificater de gain faible 0 ayant la bande passante. La mise en cascade de dex de ces amplificaters permet d obtenir n système dont le gain sera = 0 et dont la bande passante sera légèrement infériere à. Le principal problème rencontré lors de l association d étages amplificaters est celi de l adaptation de lers impédances. insi dans le cas d ne amplification en tension, il fat qe l impédance d entrée de l étage soit beacop pls grande qe l impédance de sortie de l étage précédent. or ne amplification de pissance, il fat qe l impédance de sortie de l étage soit voisine de celle de la carge. La liaison entre les étages sccessifs pose également des difficltés.. mplificaters à liaison directe elier directement la sortie d n étage à l entrée d sivant est a priori la métode la pls simple por effecter la liaison. n fait, ce mode de liaison pose de nombrex problèmes. xaminons le scéma -a. Le potentiel contin d point est voisin de ½.. ar contre, celi de est voisin de 0,65. La rénion de et provoqe n cort-circit de l espace émetter collecter d premier transistor qi cesse alors de fonctionner correctement.? Fig -a Fig -b Le scéma -b donne ne métode por faire fonctionner le montage : Un pont de résistance permet de polariser l émetter d second transistor à n potentiel égal à celi d collecter d premier. et pevent alors être reliés sans problème. Le principal avantage des montages à liaison directe est q ils offrent la possibilité d amplifier les tensions contines. ais ils sont de ce fait très sensibles à la dérive termiqe des transistors : la dérive des premiers étages est amplifiée par les étages sivants a même titre qe le signal.

2 XI : 0 4,3 k 9, k 9, k 0 4, 00 k 3,5 0 0,3,5 k 0, k 4,7 k 0 Fig. érifier à partir d scéma les valers des potentiels contins et montrer qe le gain de l ensemble est voisin de 35. (Le pont diviser ajstable en sortie permet de fixer le potentiel de sortie à 0 en l absence de signal sr l entrée).. Liaison par condensater entre dex étages elon le mode de polarisation reten, différents montages sont possibles. omme exemple, étdions rapidement le scéma de la figre 3-a qi associe dex étages à émetter commn non décoplé. or les fréqences intermédiaires, le scéma éqivalent d montage (3-b) est très simple : e Fig 3-a s Fig 3-b Le pont de base des dex étages est coisi por obtenir n point de fonctionnement a milie de la droite de carge. On sppose qe les dex transistors sont identiqes et qe = //. omme la carge d n étage dépend de l impédance d entrée de l étage sivant, il est conseillé de commencer l étde par le dernier étage et de remonter vers le générater d entrée. L impédance de sortie d e étage est. on impédance d entrée est égale à : ( // ( + ( + ). ) ( //. ). on gain en tension est égal à : =. + ( + ). L impédance de sortie d premier étage est donc = ( // //. ). on gain est / et son impédance d entrée est : ( //. ). L ensemble est donc éqivalent à n amplificater de gain =.. XI : eprendre cette étde en envisageant les trois cas sivants : est décoplée par n condensater. est décoplée par n condensater. et sont décoplées. or le e cas, on notera qe le décoplage de la résistance dimine beacop l impédance de sortie d premier étage qi voit alors son gain s effondrer.

3 Il est évident qe ce mode de liaison ne permet pas l amplification des tensions contines. La fréqence de copre infériere est fonction des valers des condensaters, la fréqence de copre ate est limitée par les capacités parasites..3 Liaison par transformater La liaison par transformater a été très employée dans les amplificaters à tbes et a débt de l tilisation des transistors car elle permet ne adaptation aisée des impédances. Les problèmes de bande passante, d encombrement et de coût des transformaters font qe ce mode de liaison est deven obsolète. Nos avons montré qe l impédance ve à l entrée d n transformater cargé par ne résistance Z U est égale à Z = (j.l.ω // Z U.L /L ). i n désigne le rapport entre les nombres des spires d primaire et d secondaire d transformater, on a : n² = L /L. or des fréqences assez grandes, on pet considérer qe l impédance d entrée d transformater est Z = n².z U. omme exemple, envisageons l étage final d n amplificater à transformater en classe. pposons qe l impédance de la carge est Z U = 5 Ω et qe la tension d alimentation est 0. i la carge est introdite directement dans le collecter d transistor, le corant de repos de celi-ci sera voisin de ½ /.Z U soit. cc n n Z Fig 4-a Fig 4-b i L ω est grand devant n².z U, on pet considérer qe le transistor débite dans ne impédance n².z U. On désire tiliser n transistor de faible pissance avec n corant de repos égal à 0 m, l impédance ve par le transistor doit être 000 Ω. Le rapport de transformation doit donc valoir n² = 000/5 = 00 (n 4). ontage Darlington. rincipe e montage est constité par l association de dex transistors T et T de même type (dex N o dex NN). T est T n transistor de pissance donc de gain en corant petit et dont l impédance d entrée T por le corant nominal est faible ; T est n transistor d sage général de gain normal. La base d transistor T Fig 5 est reliée à l émetter de T et les dex collecters sont reliés. L ensemble est n dispositif à trois électrodes éqivalent à n transistor niqe dont on va déterminer les paramètres.. céma éqivalent Gain en corant d transistor éqivalent or le transistor T : i =.i i = ( + ).i or le transistor T : i = i = ( + ).i i =.i =.( + ).i

4 i..i Le gain d transistor éqivalent est égal a prodit des gains des dex transistors. Impédance d entrée =.i +.i = { + ( + )}.i omme >> on obtient : Z nt = /i +. =.kt/e.i ; =.kt/e.i ; I =.I.I =.kt/e..i = / Z nt. L impédance d entrée d transistor éqivalent est sensiblement égale a doble de celle d transistor T. lle est beacop pls grande qe celle d n transistor de pissance. NTG : Le montage Darlington permet d obtenir n transistor éqivalent ayant n grand gain, ne impédance d entrée normale et capable de dissiper la même pissance qe le transistor T. INONNINT : La tension d entrée correspond à dex seils de diodes. Le corant inverse d transistor éqivalent est beacop pls grand qe celi des transistors tilisés pisqe I 0 = β.i 0 + I 0. Les constrcters fornissent des «Darlington» intégrés dans n boîtier niqe lors de la fabrication et dont le gain en corant est typiqement de l ordre de sedo-darlington (paire de ziklai) La fabrication des transistors de pissance N est pls complexe qe celle des NN. n reliant n transistor N de faible pissance à n transistor de pissance NN selon le montage d psedo-darlington, on constite n système éqivalent à n N de pissance. T T I I Fig 7 XI : érifier qe la polarisation des dex transistors est correcte et jstifier le nom des électrodes d transistor éqivalent. 3 Générater de corant constant 3. rincipe d montage Dans la vie corante, on rencontre de nombrex génératers de tension. Les génératers de corant apparaissent beacop pls abstraits. Il est cependant très simple de réaliser ce type de générater avec n transistor et ne diode Zener. Le potentiel de la base d transistor est égal à Z (tension de Zener de la diode qi est polarisée par la résistance de limitation Z ).

5 Z Z I I = Z = + = Z Z 0,65 (transistor silicim) =.I I = ( Z 0,65)/. ais I = I + I I. La constance de I impliqe celle de I. " Le corant qi circle dans la résistance de collecter est donc constant et indépendant de la valer de celle-ci. DOIN D LIDIT : L éqation de la droite de carge d générater s écrit : = (.I +.I ) i agmente, dimine mais ne pet devenir négatif. Le corant dans ne reste constant qe si reste infériere à ne valer maximale ax qi correspond à la satration d transistor. ar contre pet être nlle. liqez ici por étdier pls en détail le fonctionnement de ce circit. UT LITION D GNTU D OUNT ONTNT : Dans le circit de gace de la figre 9, on tilise simplement n pont diviser à résistances. La stabilisation est moins bonne q avec ne diode Zener. Dans le montage de droite, on tilise 3 diodes en série c c por polariser la base dont le potentiel est : 3.0,65. L emploi d n transistor N permet de connecter la carge entre le collecter et la masse. or ce montage, le corant collecter vat donc : I,3/ e Fig 9 e 3. iroir de corant Le corant d montage précédent est légèrement sensible ax variations de températre d transistor et de la diode Zener. or minimiser cet effet, il fat trier les composants afin qe lers dérives en températre soient les mêmes. c I I e Fig 0 e On appelle ce montage n miroir de corant. Il est pls simple d tiliser le circit ci-contre qi tilise dex transistors identiqes. On tilise niqement la jonction baseémetter d premier transistor. Les dex sont identiqes donc : =.I =.I I /I = / i de pls les résistances d émetter sont identiqes, on a : I = I. 4 rincipe des amplificaters différentiels 4. rincipe i le principe des amplificaters différentiels est conn depis longtemps, ils ne sont tilisés de manière corante qe depis l apparition de l électroniqe intégrée qi permet de

6 fabriqer facilement des transistors identiqes et dont la dérive termiqe a cors d fonctionnement est la même. Un amplificater différentiel comporte dex entrées et ne o dex sorties. Il amplifie la différence de potentiel qi existe entre les dex entrées. or n amplificater idéal, on a : =.(e e ) 4. odes de l amplificater La tension de sortie d n amplificater différentiel réel est également fonction de la somme des tensions d entrée et en fait, il fat écrire qe : = D.(e e ) + ½..(e + e ) D est le gain différentiel et le gain de mode commn. oient e et e les signax «tiles» présents sr les dex entrées de l amplificater (l n des dex pet être nl). ils sont parasités par le même brit X, celi-ci n est pas amplifié par n amplificater idéal. ar contre, si le gain de mode commn n est pas nl, ce signal parasite se retrove dans le signal de sortie qi est alors : = D.(e e ) + ½..(e + e +.X) On s efforce donc por les amplificaters différentiels à rendre le rapport D / qi est appelé rapport de rejection d mode commn, assi grand qe possible. 4.3 mplificater à coplage d émetter On tilise dex transistors identiqes (on les dit appariés o appairés) montés en émetter commn. La résistance d émetter est commne ax dex transistors. Le montage possède dex entrées ( et ) et dex sorties ( et ). Les scémas éqivalents qi seront tilisés ici ne sont pas des «scémas ax variations» car les granders d entrée pevent être contines. Le générater d alimentation ne doit donc pas être remplacé par sa résistance interne. # alcl des gains différentiel et de mode commn : ortie entre et c c Fig e U Le point est pris comme origine des potentiels. vec les notations de la figre 3, on a : =.i + U =.i + U =.(i i ) () U = U.i = U..i U = U..i U U =..(i i ) () i la tension de sortie est prélevée entre les points et, le gain de mode commn est nl. Le gain différentiel est égal a qotient (U U )/( ). D. = = 0

7 ortie entre et la masse i i c e c U U = U..i U =..(i + i ) + =.(i + i ) +.U omme les corants dans les bases sont beacop pls petits qe les corants des émetters, on a : +.U =...(i + i ) Fig 3 i i On tire : i + i = ( + )/.. i i = ( )/ Donc :.i = ( - )/ + ( + )/.. Fig 4 : céma ax variations t par site : U = U..i = U..( )/. ½. ( + )/. La tension d alimentation étant constante, on en dédit les valers des gains : D. = = Le gain différentiel est moitié pls faible qe si la sortie est faite entre et et le mode commn est ici important. Le montage avec la sortie entre et est a priori sédisant mais il est délicat à mettre en œvre. cne des sorties n étant a potentiel de la masse, cet étage est difficile à copler directement avec les étages sivants. Il fat, par exemple, tiliser n coplage par n transformater dont le primaire est connecté entre et et dont ne borne d secondaire est reliée à la masse. 4.4 mplificater à sorce de corant constant Dans le montage précédent, le mode commn réslte d coplage des dex transistors par la résistance d émetter. or éliminer ce coplage, on tilise n transistor monté en générater de corant constant por alimenter les émetters. c c U i c c U e Fig 5-a Fig 5-b oit I 0 ce corant. I 0 = (I + I ) (I + I ) alcl de la tension de sortie entre les points et :

8 =.i + U =.i + U =.(i i ) oit : i i = ( )/ (a) Le générater de corant constant fornit le corant I 0 :.(i + i ) = I 0. i + i = I 0 / (b) U = U..i U = U..i U U =..(i i ) On en dédit les valers des gains différentiel et de mode commn :. = ; D = or ne tilisation entre les dex sorties le mode commn est nl. alcl de la tension de sortie entre et la masse : La somme des éqations (a) et (b) donne :.i = ( )/ + I 0 / Ler différence donne :.i = ( )/ + I 0 / U = U..i U = U..i U = U ½...( )/. ½..I 0 U = U + ½...( )/. ½..I 0 L expression des gains est donc :. = ± ; D = L tilisation d ne sorce de corant constant permet de remplacer la résistance d émetter par la résistance interne d générater de corant, c est-à-dire par ne résistance très grande ce qi annle pratiqement la composante de mode commn. Les amplificaters différentiels dont le mode commn est négligeable permettent l amplification de signax faibles (contins o variables) même en présence de brits importants. Les calcls qi ont été effectés spposent l identité parfaite des dex transistors. La réalisation de ce type d amplificaters à partir de composants discrets est délicate. Il fat faire n tri très soigné des transistors et assrer ler coplage termiqe afin de limiter les effets des dérives en températre. L tilisation des composants intégrés a permis la banalisation de ce type d amplificaters qi constitent le cœr des amplificaters opérationnels. 4.5 pplication : mltiplier à dex cadrans On considère n amplificater différentiel (T, T ) alimenté par n miroir de corant formé par T 3 et T 4. Le corant d émetter de la paire T, T est donc proportionnel à la tension v. omme le gain différentiel est D = / = s. et comme la pente (apitre 8, 4.4) d n transistor est proportionnelle a corant collecter, on a donc : D = k.i = k.v. Le signal récpéré entre les collecters de la paire T, T est appliqé à n amplificater opérationnel monté en amplificater différentiel (voir le capitre 4, 6) afin de minimiser l effet des composantes de mode commn. Le signal de sortie est donc égal à : 0 0

9 Iarge v = (H K ) =. D.v = c c K.v. v v v b K T H T b + s T 3 T 4 v - v X K s = Kv.v La tension de sortie est donc proportionnelle a prodit des tensions d entrée. e montage ne fonctionne qe si v est spériere à la tension de seil de T 3. or povoir effecter le prodit de tensions qelconqes, il fat tiliser des montages pls élaborés appelés mltiplicaters qatre qadrants. Des mltiplicaters totalement intégrés sont maintenant disponibles. 4.6 églater de tension or améliorer la qalité d filtrage d ne alimentation et por stabiliser sa tension de sortie, on pet tiliser le montage sivant : z z e z s Dz + arge Fig. 7 La tension non réglée alimente le circit. La diode Zener D Z polarisée par la résistance Z impose le potentiel de base d n transistor T nommé «ballast». Le potentiel d émetter de T est donc égal à = Z et devient indépendant de la valer de la carge. Le transistor T dissipe ne pissance égale à I.( ). Dans ce montage simple dépend des variations de avec la températre. On pet améliorer la qalité de la réglation en tilisant n amplificater différentiel de gain. a tension de sortie est = ( Z. /( + )). On pose β = /( + ). Donc : =. Z β = Z /( + β) omme le prodit β est très spérier à n, on a Z /β. e type de réglater est disponible sos forme de circits monolitiqes nommés réglaters tripodes qi sont dotés en pls de protections contre les srcarges termiqes et électriqes. etor a men!