Universit de Bretagne Sud ELCTRONIQUE ANALOGIQUE L 3

Université de Bretagne Sud ELCTRONIQUE ANALOGIQUE L 3 -PLURI J. LAURENT

PLAN DU COURS n n Introduction : notations Chap 1. Les diodes n I. Principe de la diode n n 1. Semi-conducteurs 2. Dopage n n n 3. Jonction PN - diode n n n a. type N b. type P a. Diode non polarisée b. Polarisation directe c. Polarisation inverse 4. Caractéristique d ’une diode 5. Droite de charge 6. Approximations d ’une diode n n a. diode idéale b. diode réelle J. LAURENT

PLAN DU COURS n II. Redressement et filtrage n n n 1. Alimentation stabilisée 2. Transformateur 3. Redresseur demi-onde n n n 4. Redresseur en pont n n n a. diode idéale b. diode réelle 5. Filtrage n n n a. diode idéale b. diode réelle a. signal demi-onde b. signal pleine onde III. Régulation de tension n n 1. Généralités 2. Diode Zener n a. principe J. LAURENT

PLAN DU COURS n n 3. Régulateur Zener n n n b. caractéristique c. régulation de tension d. modélisation a. synoptique b. conduction de la Zener c. analyse des performances 4. Filtrage et diagramme de Bode Chap 2. Le transistor bipolaire n I. Présentation n 1. Description et symboles n n n a. transistor npn b. transistor pnp 2. Fonctionnement n n n a. transistor non polarisé b. transistor polarisé c. rapport statique a J. LAURENT

PLAN DU COURS n n 3. Caractéristiques n n n n n a. Transistor interrupteur b. Régime linéaire 6. Circuits de polarisation n n a. collecteur b. base c. gain en courant 4. Droite de charge statique 5. Régimes linéaire et NL n n d. tension de claquage e. gain statique b f. conclusion a. de base b. par réaction d ’émetteur c. par réaction de collecteur d. par division de tension 7. Polarisation universelle 8. Circuits à transistors pnp J. LAURENT

PLAN DU COURS n n 3. Montage collecteur commun n n n c. gain en tension à vide d. impédance d ’entrée e. impédance de sortie a. montage initial b. schéma équivalent dynamique c. gain en tension à vide d. impédance d ’entrée e. impédance de sortie 4. Montage à base commune n n n a. montage initial b. schéma équivalent dynamique c. gain en tension à vide d. impédance d ’entrée e. impédance de sortie J. LAURENT

PLAN DU COURS n Chap 3. Les transistors à effet de champ n I. Les JFET n 1. Présentation n n 2. JFET polarisé 3. Caractéristiques n n n a. caractéristiques de drain b. transconductance 4. Circuits de polarisation n n n a. JFET à canal N b. JFET à canal P a. de grille b. automatique c. par diviseur de tension d. de source e. par source de courant 5. Régimes linéaire et non linéaire n n a. régime non linéaire b. comportement dynamique J. LAURENT

PLAN DU COURS n 6. Applications à l ’amplification n n a. amplificateur à source commune b. amplificateur à drain commun c. amplificateur à grille commune II. MOSFET n 1. MOSFET à appauvrissement n n n a. présentation b. régimes c. caractéristiques d. polarisation e. applications 2. MOSFET à enrichissement n n n a. présentation b. tension de seuil c. caractéristiques d. polarisation e. polarisations des FET f. applications J. LAURENT

Introduction : notations J. LAURENT

Introduction : notations n n V(t) : tension instantanée composée d ’un terme continu V 0 et d ’un terme alternatif pur v(t) = Vmax sin (wt + j) dont n n n n Vmax est l ’amplitude crête Veff = Vmax/Ö 2 la valeur efficace wt + j : angle en radians w : pulsation en rad/s = 2 p f f : fréquence en Hz = 1/T T : période en secondes j : phase à l ’origine en radians J. LAURENT

Introduction : notations n Notations en grandeur complexe n V = (V ; j) n n n V = V e jj = V (cos j + j sin j) V=a+jb n n V : grandeur complexe V ou |V| : module (valeur efficace) j : argument a : partie réelle b : partie imaginaire a = V cos j ; b = V sin j V = Ö(a² + b²) ; j = atan b/a J. LAURENT

Chap 1. Les diodes J. LAURENT

I. 1. Semi-conducteurs J. LAURENT

I. 2. Dopage n n Semi-conducteur intrinsèque : cristal de silicium pur Dopage : ajout d ’atomes d ’impuretés pour augmenter le nombre de charges à semiconducteur extrinsèque n a. Type N n ajout d ’atomes à 5 électrons sur la couche périphérique à électrons porteurs majoritaires n n Arsenic (As), Antimoine (Sb), Phosphore (P) b. Type P n ajout d ’atomes à 3 électrons sur la couche périphérique à trous porteurs majoritaires n Aluminium (Al), Bore (B), Gallium (Ga) J. LAURENT

I. 3. Jonction PN - Diode J. LAURENT

I. 4. Caractéristiques J. LAURENT

I. 4. Caractéristique J. LAURENT

I. 4. Caractéristique n Polarisation directe : n n la diode ne conduit pas tant qu ’on n ’a pas surmonté la barrière de potentiel Au-delà de Vd = 0, 7 V, une petite augmentation de tension implique une forte augmentation de courant Polarisation inverse : on obtient un courant extrêmement petit diode : conducteur à sens unique n Ne pas dépasser la tension de claquageet la puissance limite J. LAURENT

I. 5. Droite de charge J. LAURENT

I. 6. Approximations J. LAURENT

II. Redressement et filtrage J. LAURENT

II. 2. Transformateur J. LAURENT

II. 3. Redresseur demi-onde J. LAURENT

II. 4. Redresseur en pont J. LAURENT

II. 5. Filtrage J. LAURENT

III. Régulation de tension J. LAURENT

III. 1. Généralités J. LAURENT

III. 2. Diode Zener J. LAURENT

III. 3. Régulateur Zener J. LAURENT

III. 4. Filtrage et diagramme de Bode n Lois de base: n Loi d’ohm générale: n U=ZI I Z U n Loi des nœuds: n i 1 i 3 Pour 1 nœud, la somme des courants entrants = somme des courants sortants: ici n i 3 + i 2 = i 1 i 2 J. LAURENT

III. 4. Filtrage et diagramme de Bode n Loi des mailles: n n i 1 Somme des tension sur une maille =0 On part d’un point et on revient au même endroit. Z 1 i 3 Z 3 i 2 n Z 4 Z 2 n Ici: -V + Z 1 i 1+ Z 2 i 2 = 0 Ou: -V + Z 1 i 1+ Z 2 i 3 + Z 4 i 3=0 J. LAURENT

III. 4. Filtrage et diagramme de Bode n Formule du pont diviseur n I V 2 = V 1* (Z 2/(Z 1+Z 2)) Z 1 V 2 Z 2 V 1 n Association d’impédances n Z 1 Série: Zt = Z 1+Z 2 Zt J. LAURENT

III. 4. Filtrage et diagramme de Bode n Parallèle: Zt = (Z 1 Z 2/Z 1+Z 2) Z 1 Zt Z 2 n Impédance des dipôles passifs n n Passif: à base de R, L et C -> pertes, pas d’alimentation. Actif: il faut fournir une alimentation continue pour obtenir une amplification de V ou I (T, AOP). J. LAURENT

III. 4. Filtrage et diagramme de Bode n Résistance: Zr=R -> V=Zr. I=RI V et I sont en phase I Zr n V Caractéristiques d’une résistance: n n n n Valeur en W Précision en % Puissance en W Stabilité (en T°, en temps. . ) Potentiomètre: R variable Thermistance: R varie en fonction de la température Photo résistance: R varie en fonction de la lumière J. LAURENT

III. 4. Filtrage et diagramme de Bode n Self inductance ou self: V=Zl*I=j. Lw. I L I V n n n L: inductance en Henri Zl est imaginaire pure et dépend de w, on modélise par approximation le comportement en fréquence. BF: f->0 w->0 Zl->0 L=>CC HF: f->inf Zl->inf L=>CO La self laisse passer le continu mais bloque les HF; elle s’oppose aux variations rapides. En fait la self a une résistance interne r Zl=r+j. Lw = |Zl|=sqrt(r²+(Lw)²) J. LAURENT

III. 4. Filtrage et diagramme de Bode n I Condensateur: Zc= 1/(j. Cw) C V n n n C: capacité en Farad On a une influence de la fréquence qui est l’inverse de la self f->0 Zc-> inf => C=CO f->inf Zc->0 => C=CC Le temps de charge d’un condensateur dépend de t =1/(RC) J. LAURENT

III. 4. Filtrage et diagramme de Bode n Fonctions de transfert n n H = Vsortie/Ventrée Impédances d’entrée et de sortie n n Ze: impédance équivalente vue de l’entrée. Ze=Ve/Ie Zs: impédance équivalente vue de la sortie. Ze=Vs/Is Zg Ze Zs Zl J. LAURENT

III. 4. Filtrage et diagramme de Bode n Types de filtre n n Actif, passif (T ou RLC) Passe bas, passe haut, passe bande ou coupe bande Ordre du filtre n (relié au nbre d’éléments C ou L) Fonction du filtre (Butterworth, Chebychev, Bessel…) J. LAURENT

III. 4. Filtrage et diagramme de Bode n Passe bas 1 er ordre R C Ve n n n Passif -> filtre RC C en // -> passe bas Fonction de transfert n On regarde la TF à vide n n n H=Vs/Ve = Zc/(Zc+Zr) =1/(1+j. RCw) On pose w 0=1/(RC) ; w 0 pulsation propre D’où H=1/(1+j(w/w 0)) n n Vs Ordre n=1 -> w puissance 1 et 1 condo Etude du module n n |H|=1/sqrt(1+(w/w 0)²) On exprime en d. B |H|=20 log|H| -10 log(1+(w/w 0)²) J. LAURENT =

III. 4. Filtrage et diagramme de Bode n De manière générale: n n n Atténuation de -20 d. B/dec ou 6 d. B/octave La fréquence de coupure est déterminée à -3 d. B. La bande passante va de 0 à fc |H|d. B fc BP=[0; fc] f -20 d. B/dec J. LAURENT

III. 4. Filtrage et diagramme de Bode n De manière générale: n Phase de H = arctan(w/w 0) n Passe bas phase H= -n(p/2) FH fc f -p/2 n Forme canonique: n H=K/(1+j(w/w 0)) J. LAURENT

III. 4. Filtrage et diagramme de Bode n Passe haut du 1 er ordre C Ve R n Fonction de transfert n n Vs H=1/(1 -j(1/RCw)); H=1/(1 -j(w 0/w)) Forme canonique n H=K/(1 -j(w 0/w)) J. LAURENT

III. 4. Filtrage et diagramme de Bode n Diagramme de Bode |H|d. B fc f BP=[f 0; inf[ -20 d. B/dec FH +p/2 f fc J. LAURENT

III. 4. Filtrage et diagramme de Bode n Passe bande ou coupe bande n P bas Combinaison d’un passe haut et d’un passe bas f 1 Si f 2<f 1 Passe bande P haut f 2 Si f 1<f 2 coupe bande J. LAURENT

Chap 2. : Transistor bipolaire J. LAURENT

I. 1. Description et symboles J. LAURENT

I. 2. Fonctionnement J. LAURENT

I. 2. Fonctionnement n n Diode émetteur : commande par VBE le nombre d ’électrons libres injectés dans la base 95% des électrons injectés par l ’émetteur atteignent le collecteur n n n IC # IE c. rapport statique n = IC /IE souvent > 0, 99 d. tension de claquage n Breakdown Voltage : dépend du dopage n BVBE = 5 à 30 V n BVCE = 20 à 300 V J. LAURENT

I. 2. Fonctionnement n e. gain statique n n n = hfe = IC /IB 50 < < 300 (jusqu ’à 1000) f. conclusion n transistor bipolaire en régime linéaire si : n n 1. La diode émetteur soit polarisée en direct 2. La diode collecteur soit polarisée en inverse 3. La tension entre les bornes de la diode collecteur soit inférieure à BVCE Tbip = dispositif actif amplificateur n Source de courant IC commandée par IB n n IE = IC + IB IC # IE J. LAURENT

I. 3. Caractéristiques J. LAURENT

I. 4. Droite de charge statique J. LAURENT

I. 5. Régimes linéaire et NL J. LAURENT

I. 6. Circuits de polarisation J. LAURENT

I. 7. Polarisation universelle n n n Connus : VCC, R 1, R 2, RE, RC, T (VBE, b) Inconnus : IB, IC, IE, Vbm, Vem, Vcm Hypo : IB << IR 2 n n n n alors Vbm # Vcc R 2/(R 1 + R 2) Vem = Vbm - Vbe IE = Vem /RE IC = b IE / (b + 1) Vcm = VCC - RCIC IB = IC / b Vérifier l ’hypo n IBmax = IC / bmin << IR 2 = Vbm/R 2 J. LAURENT

I. 8. Circuits à transistors pnp J. LAURENT

II. Généralités sur l’amplification J. LAURENT

II. 2. Environnement réel J. LAURENT

II. 3. Régime petit signal J. LAURENT

II. 4. Couplage et découplage J. LAURENT

II. 5. Théorème de superposition n Démarche de l ’étude n 1. Etude statique grandeurs continues V 0, I 0 n n Schéma équivalent statique n 2. Etude dynamique grandeurs alternatives v(t), i(t) n n annuler les sources alternatives (Ve) ouvrir les condensateurs de couplage remplacer les transistors par leur modèle statique annuler les sources continues (Vcc) court-circuiter les condensateurs de couplage remplacer les éléments actifs par leur modèle équivalent dynamique petit signal Schéma équivalent dynamique n 3. Etude globale n Chaque grandeur est la somme de sa composante continue et de sa composante alternative J. LAURENT

III. Régime dynamique J. LAURENT

III. 1. Modèle dynamique J. LAURENT

III. 2. Montage émetteur commun J. LAURENT

III. 2. Montage émetteur commun n c. Gain en tension à vide G 0 n n n si h 21 >> 1 alors G 0 # - RC/RE n Déphasage de p entre ve et vs d. Impédance d ’entrée Ze n n G 0 = vs/ve = - RC h 21 /(h 11 + RE( h 21+ 1)) Ze = RB//(h 11 + RE(h 21 + 1)) e. Impédance de sortie Zs n n ZS = RC amplification + déphasage Ze élevée Zs moyenne EC =AMPLI de tension J. LAURENT

III. 3. Montage collecteur commun J. LAURENT

III. 3. Montage collecteur commun n c. Gain en tension à vide G 0 n G 0 = RE (h 21 + 1) /(h 11 + RE( h 21+ 1)) n n n G 0 ≤ 1 d. Impédance d ’entrée Ze n n si h 21 >> 1 alors G 0 # 1 Ze = RB//(h 11 + (RE//ZL)(h 21 + 1)) e. Impédance de sortie Zs n n ZS = RE//((h 11 + RB//Zg)/(h 21 + 1)) pas d ’amplification ni de déphasage Ze élevée Zs faible CC = SUIVEUR J. LAURENT

III. 3. Montage base commune J. LAURENT

III. 3. Montage base commune n c. Gain en tension à vide G 0 n n n d. Impédance d ’entrée Ze n n G 0 = RC h 21 / h 11 pas de déphasage Ze = RE//(h 11/ (h 21 + 1)) e. Impédance de sortie Zs n n ZS = RC forte amplification sans déphasage Ze faible Zs moyenne BC = AMPLI HF J. LAURENT

Chap. 3 : Les TEC n n Transistors unipolaires : un seul type de charge (trou ou électron) Transistor à Effet de Champ = TEC n Field Effect Transistor = FET n 2 familles : n n JFET : Junction FET ou TEC à jonction MOSFET : Metal-Oxyde- Semiconductor FET commandés par tension 3 électrodes : Drain, Source et Grille J. LAURENT

I. JFET J. LAURENT

I. 2. JFET polarisé J. LAURENT

I. 3. Caractéristiques J. LAURENT

I. 4. Circuits de polarisation J. LAURENT

I. 5. Régimes linéaire et NL J. LAURENT

I. 6. Applications à l’amplification J. LAURENT

I. 6. Applications à l ’amplification J. LAURENT

II. MOSFET J. LAURENT

II. 1. MOSFET à appauvrissement J. LAURENT

II. 2. MOSFET à enrichissement J. LAURENT

III. AOP n n Un des composants les plus utilisés et un des plus simples à mettre en œuvre. Présentation n C’est un CI comportant de nombreux étages à transistors (20 à 30 T) avec des caractéristiques quasi idéales: n n Ze = 2 MW Zs = 100 W G 0 = 200 000 C’est un ampli différentiel avec 2 entrées et 1 sortie V+ + + V- e - J. LAURENT

III. AOP n n n e tension différentielle = V+ - VVs = A e avec A: amplification en BO Modèle et caractéristiques is i+=0 V+ e V- Ae Vs i-=0 n En pratique n n n Is limité à environ 10 m. A i- et i+ environ 10 -10 A Ze de 106 à 1012 W A grand mais dépend de BP Zs de 10 W à 100 W J. LAURENT

III. AOP n En régime linéaire e = 0 Vsat+ e Vsat- n Régime linéaire et NL n n La relation i+= i- =0 tjrs vrai. Régime linéaire e = 0 pour cela il faut une contre réaction (sortie reliée à V-) - Ve e + J. LAURENT

III. AOP n n Régime non linéaire alors e≠ 0 et Vs =+- Vsat AOP en BO donc pas de CR V+ + V- n n n e Vs - Si e>0 alors Vs= Vsat+ Si e<0 alors Vs= Vsat. Quand e change de signe, la commutation est pratiquement instantanée J. LAURENT

III. AOP n Réaction (liaison entre la sortie et V+) + Ve n n n - La fraction de Vs réinjectée en entrée est en phase avec V+ donc si V+ augmente, Vs augmente jusqu’à Vsat+ Ici encore, si e>0 Vs=Vsat+ et si e<0 Vs=Vsat. Pour étudier le montage en régime NL: n n e On détermine l’évolution de V+ et V- pour en déduire e Pour étudier le montage en régime linéaire: n n n On écrit la loi des mailles pour chaque branche avec e =0 On écrit la loi des nœuds pour chaque nœud avec i+ = i - =0 On résout le système d’équations pour exprimer Vs en fct de Ve J. LAURENT

III. AOP n AOP en régime linéaire n Exemples de montages n Ampli de tension non inverseur Z 2 Z 1 e Ve + Vs G 0=1+(z 2/z 1) n Ze ->inf n Zs = 0 Montage suiveur n n V+ + V- Vs n Vs= Ve (étage tampon) J. LAURENT

III. AOP n AOP en régime linéaire n Exemples de montages n Ampli de tension inverseur Z 2 Z 1 e Ve + Vs G 0=-(z 2/z 1) n Ze ->z 1 n Zs = 0 Montage sommateur n n Z 4 Z 1 - Z 2 Z 3 e n + Vs Vs= -[(z 4/Z 1)V 1 + (z 4/z 2)V 2 +(z 4/z 3)V 3] J. LAURENT

III. AOP en régime linéaire n n Exemples de montages n Ampli différentiel Z 2 Z 1 e Z 3 + Vs Z 4 n n Vs = [(z 1+z 2)/z 1]x[z 4/(z 3+z 4)]x. V 2 – (z 2/z 1)V 1 Dérivateur R Vs= -RC d. Ve/dt e + Vs On produit en sortie un signal rectangulaire si le signal d’entrée est une rampe J. LAURENT

III. AOP n AOP en régime linéaire n Exemples de montages n Intégrateur R e n + Vs Vs = -1/(RC) intégral Ve dt J. LAURENT

III. AOP n AOP en régime linéaire n Exemples de montages n Filtre actif R 2 R 1 C 2 C 1 e n + Vs G 0 = K/[(1+j(w/w 2))x(1 -j(w 1/w))] Passe bas J. LAURENT Passe haut

III. AOP n AOP en régime non linéaire n Exemples de montages n Comparateur à 1 seuil - e Ve + Vs Vref Vsat+ Vref Vsat- J. LAURENT

III. AOP n AOP en régime non linéaire n Exemples de montages n Comparateur à hystérésis (ou à 2 seuils) R 2 Ve R 1 e + - Vs Vref DV Vsat+ Vc Vsatn n n 1 seuil lorsque la grandeur croit Vref+ 1 seuil lorsque la grandeur décroît Vref- = [(R 1+R 2)/R 2]Vref – (R 1/R 2)Vsat DV = Vref+ - Vref- = 2(R 1/R 2)Vsat Vc = (Vref+ + Vref-)/2 = [(R 1+R 2)/R 2] Vref J. LAURENT

BIBLIOGRAPHIE n n n n Electronique Dornier Ed Foucher Coll Plein Pot Théorie ISBN 2216 -01628 -4 Applications et problèmes ISBN 2 -216 -01629 -2 Electronique analogique Merat R. Moreau L. Allay J. P. Dubos J. Lafargue R. Le Goff Ed Nathan Coll Etapes n° 52 ISBN 2 -09 -176893 -6 Electronique linéaire : Cours avec exercices et travaux pratiques Blot Dunod Université ISBN 2 -10 -001133 -2 Electronique linéaire : exercices résolus Blot Dunod Université ISBN 2 -10 -001777 -2 Les transistors : Eléments d’intégration des circuits analogiques J. Blot Ed. Dunod Circuits électriques et électroniques Milsant Ed. Ellipses Micro-électronique Millman - A. Grabel Ed. Mac Graw Hill 4 tomes T 1 : Dispositifs à semi-conducteurs T 2 : Circuits et systèmes numériques T 3 : Amplificateurs et systèmes amplificateurs T 4 : Traitement de signaux et saisie de données - Electronique de puissance Guide pratique de l’électronique Bourgeron Hachette Technique Guide Pratiques Industriels ISBN 2 -01 -166590 -6 Memotech Electronique Composants J. C. Chauveau G. Chevalier B. Chevalier Coll A. Capliez Educalivre ISBN 2 -71351353 -7 Guide du technicien en électronique Cimelli R. Bourgeron Hachette Technique ISBN 2 - 01 -16 -6868 -9 Technologie des composants électroniques 3 Tomes Besson SECF Ed Radios ISBN 2 -7091 -0821 -6 ISBN 2 -7091 -0872 -0 ISBN 2 -70910983 -2 Le mémento des fondements de l’électronique Altmann Ed Fréquences Difffusion Eyrolles ISBN 2 -903055 -26 -2 Principes d'électronique A. P. Malvino Mc. Graw. Hill ISBN : 2 -7042 -1176 -0 J. LAURENT