EN 2 Amplification petit signal EN 2 IUT

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EN 2 Amplification petit signal EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 1

EN 2 Amplification petit signal EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 1

Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Pourquoi amplifier un signal

Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Pourquoi amplifier un signal ? § Entrée : Enregistrement numérique, signal médical (ECG) : o signal en m. V ou μV et m. A ⇒ μW § Sortie : Haut parleur (100 W), tube cathodique (2000 V). . . o signal en V et qq centaines de m. A voir qq A⇒ W Il faut selon les cas, augmenter la tension ou/et le courant du signal d’entrée, et donc sa puissance : c’est le rôle principal d’un amplificateur Classification des amplificateurs § Petits signaux : à l’intérieur de la chaine de traitement électronique. § Petits signaux différentiels : idem en réduisant le bruit. § De puissance : permet de piloter des actionneurs électriques ou électromécanique en sortie. EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 2

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Théorèmes Linéarisation autour d’un point de repos Théorème de superposition Un exemple 3. 35 V 3. 0 V = + 0. 35 V 3. 0 V EN 2 - IUT GEII 0 V Juan Bravo 3

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Théorèmes Linéarisation autour d’un point de repos Théorème de Thévenin Rg Eg ib B C RC ib ie E EN 2 - IUT GEII ic ic C is ZL Zth Vs ZL Vs Eth E E Juan Bravo 4

Théorèmes Présentation La boite à outils Linéarisation autour d’un point de repos Modèles usuels

Théorèmes Présentation La boite à outils Linéarisation autour d’un point de repos Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Théorème de Thévenin Rg Eg ib B ic= 0 C RC ib ie ic E E Rg Eg ib B E ib Ic RC ie C I SCC ic E Rg Eg=0 ib B ib ie E EN 2 - IUT GEII Juan Bravo Ic RC C Igéné Egéné ic E 5

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Théorèmes Linéarisation autour d’un point de repos Points de fonctionnement Expérience 1 ID(t) id(t) Id 0=12 m. A vd(t) Ve 0 Vd 0= 733. 2 m. V La solution du problème (ID(t), VD(t)) est donnée par la résolution du système de 2 équations à 2 inconnues suivant EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 6

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Théorèmes Linéarisation autour d’un point de repos Point de fonctionnement instantané ID M’ Mo M’’ Id 0 VD Ve 0 Vd 0 M(t) parcourt cette portion de courbe EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 7

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Théorèmes Linéarisation autour d’un point de repos f Mo pente EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 8

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Théorèmes Linéarisation autour d’un point de repos Obtention d’un modèle équivalent + Modèle éq. statique Plusieurs modèles statiques possibles - Id=f(Vd): résolution graphique ou analytique - Approximations EN 2 - IUT GEII Modèle éq. dynamique Modèle ‘réel’ VD(t) On constate que l’erreur est très faible!! Juan Bravo VDlinéarisé 9

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Théorèmes Linéarisation autour d’un point de repos Limites de la linéarisation Expérience 3: Erreur de modélisation VDlinéarisé VD(t) ID(t) On ramène le point Mo proche du coude de la diode ID Ido=1, 1 m. A EN 2 - IUT GEII IDlinéarisé Les courbes ne sont plus sinusoïdales. Le système est fortement non linéaire! L’erreur entre le modèle linéarisé et simulé ( « vrai » ) est important Erreur de linéarisation commise très importante: notre belle théorie tombe à l’eau VD Juan Bravo 10

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Théorèmes Linéarisation autour d’un point de repos Modélisation petit signal EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 11

Présentation La boite à outils Modèles usuels Les diodes Transistor bipolaire Amplificateurs: les classiques

Présentation La boite à outils Modèles usuels Les diodes Transistor bipolaire Amplificateurs: les classiques Diode Modèles usuels de la diode (en direct) § Modèle équivalent statique (rappels) – Choix du modèle selon précision souhaitée 1 2 3 § Modèle équivalent dynamique petit signal – Les éléments équivalents s’obtiennent par calculs des dérivées partielles – Ce modèle s’utilise dans un schéma où toutes sources continues sont éteintes A K EN 2 - IUT GEII Juan Bravo La plupart des applications se font dans un contexte grand signal (redressement) et le modèle dynamique petit signal ne s’applique pas. Il est présenté pour introduire la modélisation du transistor! 12

Les diodes Présentation La boite à outils Transistor bipolaire Modèles usuels Amplificateurs: les classiques

Les diodes Présentation La boite à outils Transistor bipolaire Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Diode Zéner Modèles usuels de la diode zéner (en zéner) § Modèle équivalent statique (rappels) Seul le fonctionnement en zéner (polarisation inverse) est traité puisqu’il correspond à la majorité des applications => choix du fléchage – Choix du modèle selon précision souhaitée Iz Iz Vz 1 Vz 0 § Modèle équivalent dynamique 2 Vz 0 Vz – S’obtient en général à partir de données expérimentale ou de la documentation constructeur A Exemple de schéma équivalent dynamique ∆Vc K EN 2 - IUT GEII Juan Bravo ∆ Ie Rs ∆ Is rz Rc ∆ Vs 13

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Présentation La boite à outils Les diodes Transistor bipolaire Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Transistor: modèle statique C Ic C αIe Ib B E Modèle statique 2 de la diode BE B Ic 0 αIe 0 = βIb 0 Vbe 0=0. 7 V Ie Ie 0 C B E B Ic 0=βIb 0 C Compte tenu des relations existants entre les courants on en déduit aussi que: Vbe 0=0. 7 V E E Ib 0 Ie 0 Ic 0 E Ie 0=Ic 0+Ib 0 EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 14

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Les diodes Transistor bipolaire Amplificateurs: les classiques Polarisation d’un transistor Application § choisir un point de fonctionnement = placer le transistor dans un des 3 modes (ici linéaire) § choisir un point de fonctionnement= agir la maille de commande= contrôler Ib thévenin Ic 0=βIb 0 C B Ib 0 Vbe 0=0. 7 V Ib E EN 2 - IUT GEII 0 Ie Ic 0 E Juan Bravo 15

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Les diodes Transistor bipolaire Amplificateurs: les classiques Transistor: modèle dynamique Modèle dynamique en régime linéaire § Principe de fonctionnement Linéarisation autour du point de repos EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 16

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Les diodes Transistor bipolaire Amplificateurs: les classiques Transistor: modèle dynamique B ib ic ib C h 11 E Les paramètres h sont complexes (en BF partie complexe négligeable) ic ie B ib ic E E C ib ic ie E RB Schéma équivalent petit signal e Juan Bravo ic C ib ie E EN 2 - IUT GEII ib B Rc ic E 17

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Transistors Bipolaires Transistors à Effets de champs Structures différentielles Montage émetteur commun E Schéma équivalent dynamique du transistor h 11 = 1 k h 21 = 100 RC R 1 CC C CC B CB CD h 11 CD CB ve RC R 1 h 21 ib R 2 RE CE vs RL R 2 ve E E RE vs RL CE Remise en forme plus lisible B i. B C h 21 ib ve R 1 R 2 h 11 RC vs RL E EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 18

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Transistors Bipolaires Transistors à Effets de champs Structures différentielles Montage collecteur commun E R 1 CC C B CB CB h 11 h 21 ib ve RL R 2 RE vs R 2 ve RL E E RE B i. B h 11 CC vs (h 21+1) ib E h 21 ib ve RB RE vs RL C EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 19

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Transistors Bipolaires Transistors à Effets de champs Structures différentielles Montage base commune E RC R 1 CC CD CB ve R 2 vs RL RE E ib C h 21 ib ve RE h 11 B EN 2 - IUT GEII Juan Bravo RC vs RL B 20

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Transistors Bipolaires Transistors à Effets de champs Structures différentielles Synthèse Ordres de grandeurs Montage EC CC BC Av -100 +1 +100 Ai +50 +80 -1 Ap 5 000 80 100 Re 1 000 10 Rs 1 000 EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 21

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Transistors Bipolaires Transistors à Effets de champs Structures différentielles Synthèse Applications EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 22

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Transistors Bipolaires Transistors à Effets de champs Structures différentielles Amplificateurs: les classiques Rappels: caractéristiques externes du JFET 1 JFET en zone pincée 2 Mise en évidence: • Du contrôle de Vgs sur Id EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 23

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Transistors Bipolaires Transistors à Effets de champs Structures différentielles Polarisation et modèle Polarisation du transistor FET E RD i. G = 0 i. D D VDS G S Point de repos RG VSG RS Modèle petit signal G IG = 0 D VGS S EN 2 - IUT GEII ID = gm VGS VDS S Juan Bravo 24

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Transistors Bipolaires Transistors à Effets de champs Structures différentielles Amplificateurs: les classiques Montage à source commune RD CE D C 1 G RG C 1 IG = 0 RL CS E G ve vs RS ID = gm VGS D VGS S E RL CS RG RS IG = 0 CE ID = gm VGS vs G CD D S S ve RD CD Remise en forme plus lisible VDS S Schéma équivalent du transistor résultats G i. G = 0 D gm v. GS ve RG v. GS RD vs RL S EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 25

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Transistors Bipolaires Transistors à Effets de champs Structures différentielles Intérêt des structures différentielles Pourquoi utiliser un amplificateur différentiel ? § Un amplificateur normal amplifie le signal et le bruit : us(t) = A(u 1 + b) A § Un amplificateur différentiel amplifie la différence entre 2 signaux, le bruit n’est donc pas amplifié : Ad EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 26

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Transistors Bipolaires Transistors à Effets de champs Structures différentielles Modèle d’un amplificateur différentiel parfait § Les grandeurs « utiles » sont les tensions différentielles alimentation en énergie ie 1 ve 1 ie 2 is 1 amplificateur ve 2 sources is 2 vs 1 Vd = (Ve 1 – Ve 2) et Vsd = (Vs 1 – Vs 2) vs 2 GND ie 1 § Amplificateur parfait ( 1 seule sortie) amplifier la différence des tensions en entrée o Supprime le mode commun o Ne gêne pas les sources d’entrées o N’est pas gêné par la charge o v. D ve 1 + is ie 2 Zc - ve 2 vso vs EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 27

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Transistors Bipolaires Transistors à Effets de champs Structures différentielles Modèles ½ v. D Ve 1 et ve 2 s’exprime en fonction de: la tension de mode commun: VMC=½ (Ve 1+Ve 2) v. MC la tension de mode différentiel: VMD= ½ Vd Avec Vd appelée tension différentielle ½ v. D ve 2 ve 1 EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 28

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Transistors Bipolaires Transistors à Effets de champs Structures différentielles Modèles Amplificateur différentiel imparfait § § Amplifie la tension différentielle Mais malheureusement aussi la tension de mode commun! impédance différentielle et de mode commun non infinie impédance différentielle et de mode commun non nulle + ve 1 Les constructeurs donne la valeur du taux de réjection de mode commun ve 1 - v. D ½ z. D z. MC ve 2 ie 1 Nous avons pour la tension de sortie à vide l ½ z. D=z. MD + v. D ie 2 ZD ve 2 2 ZMC - Zs is vso vs 2 ZMC Ordre de grandeur courant: CCMR=1000 soit CCMRd. B= 60 d. B EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 29

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Transistors Bipolaires Transistors à Effets de champs Structures différentielles La paire différentielle: polarisation Entrées : Ve 1 et Ve 2 Sortie : collecteur d’un des transistors Hypothèse forte : T 1 et T 2 appariés ⇔ même circuit : identiques. EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 30

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Transistors Bipolaires Transistors à Effets de champs Structures différentielles La paire différentielle ½ v. D=ve Mode différentiel v. MC=0 v. D ½ v. D=ve ve 1=ve ve 2 =-ve Nous réglons ve 1 = −ve 2 = ve Le courant devient IE 1 = IE + ie 1 IE 2 = IE − ie 2 avec IE le courant de polarisation. Pour des signaux de faible amplitude : ie 1 = ie 2 IRE = IE 1 + IE 2 = 2 IE = cte On a donc URE = 2 REIE = cte ⇒ E a donc un potentiel fixe ⇒ en petit signaux, c’est une masse EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 31

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Transistors Bipolaires Transistors à Effets de champs Structures différentielles La paire différentielle Mode différentiel: modèle équivalent EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 32

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Transistors Bipolaires Transistors à Effets de champs Structures différentielles La paire différentielle ½ v. D=0 Mode commun v. MC = ve v. D=0 ½ v. D=0 ve 1=ve ve 2 =ve Nous réglons ve 1 = ve 2 = ve IE 1 = IE + ie 1 IE 2 = IE + ie 2 avec IE le courant en continu. Pour des signaux de faible amplitude : ie 1 = ie 2 donc IRE = IE 1 + IE 2 = 2 IE + 2 ie On a donc URE = 2 REIE + 2 REie ⇒ en petit signaux (ie), on obtient une résistance 2 RE reliée à la masse. EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 33

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Transistors Bipolaires Transistors à Effets de champs Structures différentielles La paire différentielle Mode commun: modèle équivalent Amplification de mode commun EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 34

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Transistors Bipolaires Transistors à Effets de champs Structures différentielles La paire différentielle Intérêt de la paire différentielle § Impédance d’entrée élevée. § TRMC élevé (> 60 d. B) ⇒ Utilisation comme étage d’entrée des ampli-op Source de courant (structure dite wilson) Paire différentielle darlington Sortie ici vers les étages intermédiaires Charge active (équivalente à des résistances de très grandes valeurs sous forme intégrées) EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 35

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Présentation La boite à outils Modèles usuels Amplificateurs: les classiques Transistors Bipolaires Transistors à Effets de champs Structures différentielles Structure interne simplifiée d’un Aop Décomposition en schéma blocs Étage d’entrée: amplification différentielle Étage de sortie: Amplification en courant Étage intermédiaire: amplification en tension EN 2 - IUT GEII Juan Bravo 36