Electronique analogique - Td corrigé
G diodes micro-ondes et sim. ... Le transistor est alimenté avec des éléments
passifs et des sources externes qui créent une ..... HT YT, Y2=YT+YRf, Y2 H2
...... flancs du barreau de type N. La partie inférieure du dispositif s'appelle la
source parce que ..... des faibles signaux, amplificateur de courant continu, filtres
actifs).
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et le collecteur C. Le courant est cependant transféré dune résistance (resistor) à lautre.
Le symbole utilisé aujourdhui est le dessin du prototype réduit à lessentiel. La base des transistors nest plus quune électrode, la base mécanique pour la fabrication du transistor est le collecteur.
EMBED Word.Picture.8
Photograph of the DELTT (Double Electron Layer Tunneling Transistor) transistor, seen from above. The semiconductor epitaxial layers, which contain the two layers of electrons, are sufficiently thin (0.25 microns) that light can penetrate them, rendering gates on both sides of the device visible. The top and back depletion gates allow independent contact to the two electron layers, while the top control gate turns the transistor on and off. (Source and drain contacts are outside the photo margins.)
TOC \o "1-4" \h \z HYPERLINK \l "_Toc511006961" Le Transistor PAGEREF _Toc511006961 \h 4
HYPERLINK \l "_Toc511006962" 1.1 Les transistors bipolaires PAGEREF _Toc511006962 \h 5
HYPERLINK \l "_Toc511006963" 1.1.1 Généralités PAGEREF _Toc511006963 \h 5
HYPERLINK \l "_Toc511006964" 1.1.2 Caractéristique et valeurs limites des transistors PAGEREF _Toc511006964 \h 6
HYPERLINK \l "_Toc511006965" 1.1.3 Le comportement en signaux faibles et les paramètres quadripôles PAGEREF _Toc511006965 \h 7
HYPERLINK \l "_Toc511006966" 1.1.4 Point de repos ou point de fonctionnement PAGEREF _Toc511006966 \h 9
HYPERLINK \l "_Toc511006967" 1.1.5 Le schéma équivalent PAGEREF _Toc511006967 \h 9
HYPERLINK \l "_Toc511006968" 1.1.6 Montage émetteur commun PAGEREF _Toc511006968 \h 9
HYPERLINK \l "_Toc511006969" 1.1.6.1 Schéma de base et schéma équivalent PAGEREF _Toc511006969 \h 9
HYPERLINK \l "_Toc511006970" 1.1.6.2 Calcul de lamplification dans le schéma de base PAGEREF _Toc511006970 \h 10
HYPERLINK \l "_Toc511006971" 1.1.6.3 Le choix et le réglage du point de repos PAGEREF _Toc511006971 \h 13
HYPERLINK \l "_Toc511006972" 1.1.6.4 La droite de charge statique PAGEREF _Toc511006972 \h 15
HYPERLINK \l "_Toc511006973" 1.1.6.5 Montage émetteur commun avec contre-réaction de courant PAGEREF _Toc511006973 \h 17
HYPERLINK \l "_Toc511006974" 1.1.6.6 Montage émetteur commun avec contre-réaction de tension PAGEREF _Toc511006974 \h 19
HYPERLINK \l "_Toc511006975" 1.1.6.7 Dimensionner des capacités PAGEREF _Toc511006975 \h 20
HYPERLINK \l "_Toc511006976" 1.1.7 Montage base commune PAGEREF _Toc511006976 \h 23
HYPERLINK \l "_Toc511006977" 1.1.7.1 Montage base commune avec contre-réaction PAGEREF _Toc511006977 \h 26
HYPERLINK \l "_Toc511006978" 1.1.8 Montage collecteur commun ou émetteur suiveur PAGEREF _Toc511006978 \h 29
HYPERLINK \l "_Toc511006979" 1.1.9 Caractéristiques des trois montages fondamentaux PAGEREF _Toc511006979 \h 30
HYPERLINK \l "_Toc511006980" 1.1.10 Définition et transformation des paramètres quadripôles PAGEREF _Toc511006980 \h 31
HYPERLINK \l "_Toc511006981" 1.1.11 Transformation des paramètres h du transistor PAGEREF _Toc511006981 \h 32
HYPERLINK \l "_Toc511006982" 1.1.12 Schéma équivalent avec éléments parasites (Giacoletto) PAGEREF _Toc511006982 \h 33
HYPERLINK \l "_Toc511006983" 1.1.13 Amplificateur différenciateur PAGEREF _Toc511006983 \h 35
HYPERLINK \l "_Toc511006984" 1.1.13.1 Exploitation symétrique PAGEREF _Toc511006984 \h 36
HYPERLINK \l "_Toc511006985" 1.1.13.2 Mode commun PAGEREF _Toc511006985 \h 36
HYPERLINK \l "_Toc511006986" 1.1.13.3 Dimensionnement et résultats de la simulation PAGEREF _Toc511006986 \h 38
HYPERLINK \l "_Toc511006987" 1.1.14 Amplificateur de Darlington PAGEREF _Toc511006987 \h 41
HYPERLINK \l "_Toc511006988" 1.1.15 Miroir de courant PAGEREF _Toc511006988 \h 43
HYPERLINK \l "_Toc511006989" 1.1.16 Amplificateur Push-pull PAGEREF _Toc511006989 \h 44
HYPERLINK \l "_Toc511006990" 1.1.17 Amplificateur à plusieurs étages PAGEREF _Toc511006990 \h 46
HYPERLINK \l "_Toc511006991" 1.2 Transistors à effet de champs PAGEREF _Toc511006991 \h 49
HYPERLINK \l "_Toc511006992" 1.2.1 Transistors à effet de champs à jonction (JFET) PAGEREF _Toc511006992 \h 49
HYPERLINK \l "_Toc511006993" 1.2.1.1 Notions fondamentales PAGEREF _Toc511006993 \h 49
HYPERLINK \l "_Toc511006994" 1.2.1.2 Les caractéristiques du N-JFET PAGEREF _Toc511006994 \h 50
HYPERLINK \l "_Toc511006995" 1.2.1.3 Fichier de SPICE PAGEREF _Toc511006995 \h 52
HYPERLINK \l "_Toc511006996" 1.2.1.4 Schéma équivalent du JFET PAGEREF _Toc511006996 \h 53
HYPERLINK \l "_Toc511006997" 1.2.1.5 Montage source commune PAGEREF _Toc511006997 \h 54
HYPERLINK \l "_Toc511006998" 1.2.1.6 Montage drain commun PAGEREF _Toc511006998 \h 56
HYPERLINK \l "_Toc511006999" 1.2.1.7 Montage grille commune PAGEREF _Toc511006999 \h 57
HYPERLINK \l "_Toc511007000" 1.2.1.8 Interrupteur analogique à JFET PAGEREF _Toc511007000 \h 57
HYPERLINK \l "_Toc511007001" 1.2.1.9 Résistance variable PAGEREF _Toc511007001 \h 58
HYPERLINK \l "_Toc511007002" 1.2.2 Transistors à effet de champs « métal-oxyde semi-conducteurs » (MOSFET) PAGEREF _Toc511007002 \h 59
HYPERLINK \l "_Toc511007003" 1.2.2.1 Notions fondamentales PAGEREF _Toc511007003 \h 59
HYPERLINK \l "_Toc511007004" 1.2.2.2 Polarisation et application dun MOSFET à appauvrissement PAGEREF _Toc511007004 \h 60
HYPERLINK \l "_Toc511007005" 1.2.2.3 Polarisation et application dun MOSFET à enrichissement PAGEREF _Toc511007005 \h 62
HYPERLINK \l "_Toc511007006" 2 Amplificateur opérationnel PAGEREF _Toc511007006 \h 63
HYPERLINK \l "_Toc511007007" 2.1 Propriétés et structure dun amplificateur opérationnel PAGEREF _Toc511007007 \h 63
HYPERLINK \l "_Toc511007008" 2.2 La structure et les caractéristiques techniques de lamplificateur opérationnel PAGEREF _Toc511007008 \h 64
HYPERLINK \l "_Toc511007009" 2.3 Développement des propriétés des circuits de base PAGEREF _Toc511007009 \h 66
HYPERLINK \l "_Toc511007010" 2.3.1 Lamplificateur inverseur PAGEREF _Toc511007010 \h 66
HYPERLINK \l "_Toc511007011" 2.3.2 Lamplificateur non-inverseur PAGEREF _Toc511007011 \h 68
HYPERLINK \l "_Toc511007012" 2.3.3 Lamplificateur opérationnel réel, tension et courant offset PAGEREF _Toc511007012 \h 70
HYPERLINK \l "_Toc511007013" 2.3.3.1 Le schéma équivalent de lamplificateur opérationnel réel. PAGEREF _Toc511007013 \h 70
HYPERLINK \l "_Toc511007014" 2.3.3.2 Compensation de la tension différentielle résiduelle et des courants offset. PAGEREF _Toc511007014 \h 71
HYPERLINK \l "_Toc511007015" 2.3.3.3 La réponse fréquentielle PAGEREF _Toc511007015 \h 73
HYPERLINK \l "_Toc511007016" 2.4 Exemples et applications PAGEREF _Toc511007016 \h 73
HYPERLINK \l "_Toc511007017" 2.4.1 Lamplificateur inverseur PAGEREF _Toc511007017 \h 74
HYPERLINK \l "_Toc511007018" 2.4.2 Le convertisseur courant-tension avec inversion PAGEREF _Toc511007018 \h 74
HYPERLINK \l "_Toc511007019" 2.4.3 Lamplificateur non-inverseur PAGEREF _Toc511007019 \h 75
HYPERLINK \l "_Toc511007020" 2.4.4 Le suiveur de tension PAGEREF _Toc511007020 \h 75
HYPERLINK \l "_Toc511007021" 2.4.5 Le convertisseur courant-tension sans inversion PAGEREF _Toc511007021 \h 75
HYPERLINK \l "_Toc511007022" 2.4.6 Ladditionneur analogue PAGEREF _Toc511007022 \h 76
HYPERLINK \l "_Toc511007023" 2.4.7 Lamplificateur différentiateur PAGEREF _Toc511007023 \h 76
HYPERLINK \l "_Toc511007024" 2.4.8 Lintégrateur PAGEREF _Toc511007024 \h 77
HYPERLINK \l "_Toc511007025" 2.4.9 Le différentiateur PAGEREF _Toc511007025 \h 78
HYPERLINK \l "_Toc511007026" 2.4.10 Le limiteur PAGEREF _Toc511007026 \h 79
HYPERLINK \l "_Toc511007027" 2.4.11 Le redresseur ultra-linéaire PAGEREF _Toc511007027 \h 80
HYPERLINK \l "_Toc511007028" 2.4.12 Le comparateur (Schmitt-Trigger) PAGEREF _Toc511007028 \h 80
HYPERLINK \l "_Toc511007029" 2.4.13 Lamplificateur logarithmique PAGEREF _Toc511007029 \h 81
HYPERLINK \l "_Toc511007030" 3 Termes, outils PAGEREF _Toc511007030 \h 83
HYPERLINK \l "_Toc511007031" 3.1 Le facteur de transfert et la fonction de transfert PAGEREF _Toc511007031 \h 83
HYPERLINK \l "_Toc511007032" 3.2 Décibel, Neper et niveau PAGEREF _Toc511007032 \h 84
HYPERLINK \l "_Toc511007033" 3.3 Réseaux linéaires et non-linéaires PAGEREF _Toc511007033 \h 85
Le Transistor
Les transistors sont des semi-conducteurs avec trois contacts. Ils servent à lamplification ou à la commutation de signaux. On distingue le transistor bipolaire et le transistor à effet de champs, répartis eux-mêmes dans plusieurs types. Les transistors européens sont classés daprès la désignation Pro-Electron, qui est expliquée ci-dessous.
La première lettre désignera le matériel de base :
A Germanium ou similaire (largeur de bande 0.6 ... 1.0eV)
B Silicium ou similaire (largeur de bande 1.0 ... 1.3eV)
C Arséniure de gallium ou similaire (largeur de bande > 1.3eV)
D Antimoniure de indium ou similaire (largeur de bande < 0.6eV)
R Matériaux pour opto-éléments (par exemple sulfite de cadmium)
La deuxième lettre désignera le type et la fonction :
A diode M générateur à effet Hall (circuit fermé)
B diode de capacité N opto-coupleur
C transistor AF P détecteur de radiation
D transistor de puissance AF *) 0 générateur de radiation
E diode en tunnel R thyristor
F transistor HF S transistor de commutation
G diodes micro-ondes et sim. T thyristor de puissance *)
H diode à champs magnétiques U trans., commut., puissance *)
K Générateur à effet Hall X diode multiplicatrice
(circuit ouvert) Y diode de puissance *)
L transistor de puissance HF *) Z diode Z ou similaire
*) RthG>UBE0. En revanche, les variations de lamplification du courant B sont beaucoup plus importantes en raison de la variation de température (1%/°C) et des variations des conditions de fabrication des transistors (facteur de 0.5 et 2 fois la valeur moyenne, dun transistor à un autre).
Les deux méthodes ne sont pas recommandées pour un circuit qui est indépendant de la température et des tolérances de la fabrication du transistor.
Une meilleure possibilité utilise une contre-réaction pour stabiliser le point de repos. Elle est effectuée par une résistance RE supplémentaire qui produit une chute de tension qui diminue limportance de tous les effets mentionnés (fig. 1.10)
Fig. 1.10 Stabilisation du point de repos par une contre-réaction
Leffet de la contre-réaction se base sur le mécanisme suivant :
Si la tension UBE sagrandit par (UBE, le courant IC qui est augmenté par (IC(S.(UBE(IE
produit au long de la résistance RE une chute de tension supplémentaire de (IE.RE. Celle-ci diminue linfluence de (UBE et ainsi cette contre-réaction stabilise le point de repos. Lamplification avec contre-réaction sécrit :
EMBED Equation.3 (1.23)
Une étude plus approfondie de ce circuit avec contre-réaction sera donnée plus bas par les formules dérivées.
Il ne faut pas que cette contre-réaction réduise lamplification du signal alternatif utile, aussi une capacité CE est ajoutée pour court-circuiter la résistance RE et ainsi annuler linfluence de RE pour les fréquences désirées. Attention ces deux éléments forment un troisième filtre passe-haut.
A laide des résultats sur leffet de température (1.22) et de lapproximation pour lamplification réduite (1.23) on trouve une estimation pour le rapport RC/RE.
RC/RE = 3
10. (1.24)
Si lon admet que les signaux sont pour la plupart symétriques (limitation symétrique), il suit que la tension à la résistance RC doit être égale à la tension de repos UCE0 diminuée de 0.5V à 1V.
URC = UCE0 0.5
1 V (1.24a)
La résistance RC dépend de différentes contraintes telles que la tension dalimentation, limpédance de sortie ou dentrée, la puissance du signal etc.
Une fois défini, le pont de base peut être calculé à laide du schéma équivalent courant direct (fig. 1.11a).
Fig. 1.11 Schéma équivalent courant direct
Si lon veut sassurer quune certaine variation du courant de base influence peu la tension de la base, on choisit le courant par le pont pour quil soit environ dix fois plus fort que le courant de base IB0. On peut mieux déterminer linfluence des différents éléments en remplaçant le pont par son schéma équivalent (théorème de Thévénin) comme montré dans la figure 1.11b.
La droite de charge statique
Le répartition de la tension entre le transistor et les deux résistances RC et RE est facile à démontrer sur la caractéristique de sortie du transistor IC-UCE (fig. 1.12a). Pour le transistor, le courant est décrit par la fonction
EMBED Equation.3. (1.25)
La chute de tension à la somme des deux résistances RC et RE est donnée par la loi dOhm (fig. 1.12b). Un courant approximativement identique (IE ( IC=IR) circule par les trois composants (le transistor et les deux résistances) et la somme des tensions est UCC :
EMBED Equation.3 (1.26)
Il suit la soi-disant droite de charge statique
EMBED Equation.3 (1.27)
Fig. 1.13 Caractéristique de sortie et droite de charge statique (voir 1.27)
Ces fonctions sont tracées dans une même représentation. En cherchant lintersection entre les deux fonctions, on trouve facilement les deux tensions (interpoler entre les caractéristiques)
UCE et UR pour un courant IC donné (fig. 1.14). (exercice)
Fig. 1.14 Droite de charge statique sur la caractéristique de sortie du transistor
Montage émetteur commun avec contre-réaction de courant
A laide de la théorie des quadripoles on peut calculer les grandeurs caractéristiques dun circuit avec un transistor. La base pour ce calcule est le schéma équivalent montré dans la figure 1.15, qui se compose de quatre quadripôles.
Fig. 1.15 Schéma équivalent du circuit avec contre-réaction de courrant
Procédé :
Combiner le transistor avec la résistance RE (paramètre Z connecter en série)
Décrire la résistance RE par les paramètres Z (ZRE
Transformer les paramètres H du transistor en paramètres Z (ZT
Z2=ZT+ZRE
Connecter en cascade le quadripôle Z2 avec la résistance du collecteur RC (multiplication des paramètres A)
Résultat de 1 transformé en paramètres A (A2
Décrire la résistance RC par les paramètres A (ARC
A4=A2.ARC
Résultat de 2 combiné en cascade avec les résistances RBl//RB2
A5=ARB.A4
Exercice
Contrôlez le résultat théorique de ce problème ci-dessus
Exercice
Déterminez pour les trois cas différents lamplification de tension et limpédance dentrée et de sortie du montage émetteur commun sans charge (RCharge=()
RE non court-circuité (CE pas présent),
RE court-circuité par la capacité CE (correspond au cas sans résistance RE)
et avec RE1 court-circuité par la capacité CE en série avec une résistance supplémentaire RE2=RC/30.
Dans cet exercice trois cas differents etaient etudiés. Ces résultats sont complétés par une discussion plus générale qui se base seulement sur létage transistor et la résistance RE. Leffet de la contre-réaction est montré en comparant les paramètres H du circuit combiné avec ceux du transistor. Le calcule est fait en pas intermédiaire:
HT(ZT, Z2=ZT+ZRE, Z2(H2.
Les résultats sont complémentés par les formules approximatives qui sont valables sous les conditions h12
