j. laurent elctronique analogique l3-pluri université de bretagne sud
Post on 03-Apr-2015
112 Views
Preview:
TRANSCRIPT
J. LAURENT
ELCTRONIQUE ANALOGIQUE
L3-PLURI
Université de Bretagne Sud
J. LAURENT
PLAN DU COURS
Introduction : notations Chap 1. Les diodes
I. Principe de la diode 1. Semi-conducteurs 2. Dopage
a. type N b. type P
3. Jonction PN - diode a. Diode non polarisée b. Polarisation directe c. Polarisation inverse
4. Caractéristique d ’une diode 5. Droite de charge 6. Approximations d ’une diode
a. diode idéale b. diode réelle
J. LAURENT
PLAN DU COURS
II. Redressement et filtrage 1. Alimentation stabilisée 2. Transformateur 3. Redresseur demi-onde
a. diode idéale b. diode réelle
4. Redresseur en pont a. diode idéale b. diode réelle
5. Filtrage a. signal demi-onde b. signal pleine onde
III. Régulation de tension 1. Généralités 2. Diode Zener
a. principe
J. LAURENT
PLAN DU COURS
b. caractéristique c. régulation de tension d. modélisation
3. Régulateur Zener a. synoptique b. conduction de la Zener c. analyse des performances
4. Filtrage et diagramme de Bode Chap 2. Le transistor bipolaire
I. Présentation 1. Description et symboles
a. transistor npn b. transistor pnp
2. Fonctionnement a. transistor non polarisé b. transistor polarisé c. rapport statique a
J. LAURENT
PLAN DU COURS
d. tension de claquage e. gain statique b f. conclusion
3. Caractéristiques a. collecteur b. base c. gain en courant
4. Droite de charge statique 5. Régimes linéaire et NL
a. Transistor interrupteur b. Régime linéaire
6. Circuits de polarisation 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
d. tension de claquage e. gain statique b f. conclusion
3. Caractéristiques a. collecteur b. base c. gain en courant
4. Droite de charge statique 5. Régimes linéaire et NL
a. Transistor interrupteur b. Régime linéaire
6. Circuits de polarisation 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
c. gain en tension à vide d. impédance d ’entrée e. impédance de sortie
3. Montage collecteur commun 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 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
Chap 3. Les transistors à effet de champ
I. Les JFET 1. Présentation
a. JFET à canal N b. JFET à canal P
2. JFET polarisé 3. Caractéristiques
a. caractéristiques de drain b. transconductance
4. Circuits de polarisation a. de grille b. automatique c. par diviseur de tension d. de source e. par source de courant
5. Régimes linéaire et non linéaire a. régime non linéaire b. comportement dynamique
J. LAURENT
PLAN DU COURS
6. Applications à l ’amplification a. amplificateur à source
commune b. amplificateur à drain commun c. amplificateur à grille commune
II. MOSFET 1. MOSFET à appauvrissement
a. présentation b. régimes c. caractéristiques d. polarisation e. applications
2. MOSFET à enrichissement a. présentation b. tension de seuil c. caractéristiques d. polarisation e. polarisations des FET f. applications
J. LAURENT
Introduction : notations
J. LAURENT
Introduction : notations
V(t) : tension instantanée composée d ’un terme continu V0 et d ’un terme alternatif pur v(t)
v(t) = Vmax sin (wt + j) dont Vmax est l ’amplitude crête Veff = Vmax/Ö2 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
Notations en grandeur complexe V = (V ; j)
V : grandeur complexe V ou |V| : module (valeur efficace) j : argument
V = V e jj = V (cos j + j sin j) V = a + j b
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
Semi-conducteur intrinsèque : cristal de silicium pur
Dopage : ajout d ’atomes d ’impuretés pour augmenter le nombre de charges à semi-conducteur extrinsèque a. Type N
ajout d ’atomes à 5 électrons sur la couche périphérique à électrons porteurs majoritaires
Arsenic (As), Antimoine (Sb), Phosphore (P)
b. Type P ajout d ’atomes à 3 électrons sur la
couche périphérique à trous porteurs majoritaires
Aluminium (Al), Bore (B), Gallium (Ga)
J. LAURENT
I.3. Jonction PN - Diode
J. LAURENT
I.3. Jonction PN - Diode
J. LAURENT
I.3. Jonction PN - Diode
J. LAURENT
I.4. Caractéristiques
J. LAURENT
I.4. Caractéristique
J. LAURENT
I.4. Caractéristique
Polarisation directe : 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 Ne pas dépasser la tension de
claquageet la puissance limite
J. LAURENT
I.5. Droite de charge
J. LAURENT
I.5. Droite de charge
J. LAURENT
I.6. Approximations
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.3. Redresseur demi-onde
J. LAURENT
II.4. Redresseur en pont
J. LAURENT
II.4. Redresseur en pont
J. LAURENT
II.5. Filtrage
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.2. Diode Zener
J. LAURENT
III.2. Diode Zener
J. LAURENT
III.3. Régulateur Zener
J. LAURENT
III.3. Régulateur Zener
J. LAURENT
III.3. Régulateur Zener
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode
Lois de base: Loi d’ohm générale:
U = Z I
Loi des nœuds: Pour 1 nœud, la somme des
courants entrants = somme des courants sortants: ici
i3 + i2 = i1
Z
U
I
i1
i3
i1
i2
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode
Loi des mailles: Somme des tension sur une maille
=0 On part d’un point et on revient au
même endroit.
Ici: -V + Z1i1+ Z2i2 = 0 Ou: -V + Z1i1+ Z2i3 + Z4i3=0
Z1
Z3
Z2
Z4
i1
i3
i2
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode
Formule du pont diviseur V2 = V1* (Z2/(Z1+Z2))
Association d’impédances Série: Zt = Z1+Z2
Z1
Z2
I
V1 V2
Z1 Z2 Zt
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode
Parallèle: Zt = (Z1Z2/Z1+Z2)
Impédance des dipôles passifs
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).
Z1
Z2
Zt
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode
Résistance: Zr=R -> V=ZrI=RI V et I sont en phase
Caractéristiques d’une résistance: Valeur en 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
Zr
V
I
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode
Self inductance ou self: V=Zl*I=jLwI
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+jLw = |Zl|=sqrt(r²+(Lw)²)
V
IL
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode
Condensateur: Zc= 1/(jCw)
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 =1/(RC)
C
V
I
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode
Fonctions de transfert H = Vsortie/Ventrée
Impédances d’entrée et de sortie Ze: impédance équivalente vue de
l’entrée. Ze=Ve/Ie Zs: impédance équivalente vue de la
sortie. Ze=Vs/Is
Ze
Zg
ZlZs
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode
Types de filtre 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
Passe bas 1er ordre
Passif -> filtre RC C en // -> passe bas
Fonction de transfert On regarde la TF à vide
H=Vs/Ve = Zc/(Zc+Zr) =1/(1+jRCw) On pose w0=1/(RC) ; w0 pulsation
propre D’où H=1/(1+j(w/w0))
Ordre n=1 -> w puissance 1 et 1 condo Etude du module
|H|=1/sqrt(1+(w/w0)²) On exprime en dB |H|=20log|H|
=-10log(1+(w/w0)²)
R
C VsVe
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode
De manière générale: Atténuation de -20dB/dec ou -
6dB/octave La fréquence de coupure est
déterminée à -3dB. La bande passante va de 0 à fc
|H|dB
f
-20dB/dec
fc
BP=[0;fc]
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode
De manière générale: Phase de H = arctan(w/w0) Passe bas phase H= -n()
Forme canonique: H=K/(1+j(w/w0))
ffc
-
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode
Passe haut du 1er ordre
Fonction de transfert H=1/(1-j(1/RCw)); H=1/(1-j(w0/w))
Forme canonique H=K/(1-j(w0/w))
R
CVe Vs
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode
Diagramme de Bode|H|dB
f
-20dB/dec
fc
BP=[f0;inf[
ffc
J. LAURENT
III.4. Filtrage et diagramme de Bode
Passe bande ou coupe bande Combinaison d’un passe haut
et d’un passe basP bas P hautf1 f2
Si f2<f1 Passe bande Si f1<f2 coupe bande
J. LAURENT
Chap 2. : Transistor bipolaire
J. LAURENT
I.1. Description et symboles
J. LAURENT
I.1. Description et symboles
J. LAURENT
I.2. Fonctionnement
J. LAURENT
I.2. Fonctionnement
Diode émetteur : commande par VBE le nombre d ’électrons libres injectés dans la base
95% des électrons injectés par l ’émetteur atteignent le collecteur
IC # IE c. rapport statique
= IC /IE souvent > 0,99 d. tension de claquage
Breakdown Voltage : dépend du dopage
BVBE = 5 à 30 V BVCE = 20 à 300 V
J. LAURENT
I.2. Fonctionnement
e. gain statique = hfe = IC /IB 50 < < 300 (jusqu ’à 1000)
f. conclusion transistor bipolaire en régime linéaire
si : 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 Source de courant IC commandée par
IB IE = IC + IB IC # IE
J. LAURENT
I.3. Caractéristiques
J. LAURENT
I.3. Caractéristiques
J. LAURENT
I.4. Droite de charge statique
J. LAURENT
I.5. Régimes linéaire et NL
J. LAURENT
I.5. Régimes linéaire et NL
J. LAURENT
I.6. Circuits de polarisation
J. LAURENT
I.6. Circuits de polarisation
J. LAURENT
I.6. Circuits de polarisation
J. LAURENT
I.7. Polarisation universelle
Connus : VCC, R1, R2, RE, RC, T (VBE, b)
Inconnus : IB, IC, IE, Vbm, Vem, Vcm
Hypo : IB << IR2 alors Vbm # Vcc R2/(R1 + R2) Vem = Vbm - Vbe IE = Vem /RE IC = b IE / (b + 1) Vcm = VCC - RCIC IB = IC / b
Vérifier l ’hypo IBmax = IC / bmin << IR2 =
Vbm/R2
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
Démarche de l ’étude 1. Etude statique grandeurs continues V0,
I0 annuler les sources alternatives (Ve) ouvrir les condensateurs de couplage remplacer les transistors par leur modèle
statique
Schéma équivalent statique 2. Etude dynamique grandeurs
alternatives v(t), i(t) 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 3. Etude globale
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
J. LAURENT
III.2. Montage émetteur commun
c. Gain en tension à vide G0 G0 = vs/ve = - RC h21 /(h11 +
RE( h21+ 1)) si h21 >> 1 alors G0 # - RC/RE Déphasage de p entre ve et vs
d. Impédance d ’entrée Ze Ze = RB//(h11 + RE(h21 + 1))
e. Impédance de sortie Zs 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
J. LAURENT
III.3. Montage collecteur commun
c. Gain en tension à vide G0 G0 = RE (h21 + 1) /(h11 +
RE( h21+ 1)) si h21 >> 1 alors G0 # 1 G0 ≤ 1
d. Impédance d ’entrée Ze Ze = RB//(h11 + (RE//ZL)(h21 +
1)) e. Impédance de sortie Zs
ZS = RE//((h11 + RB//Zg)/(h21 + 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
J. LAURENT
III.3. Montage base commune
c. Gain en tension à vide G0 G0 = RC h21 / h11 pas de déphasage
d. Impédance d ’entrée Ze Ze = RE//(h11/ (h21 + 1))
e. Impédance de sortie Zs ZS = RC
forte amplification sans déphasage
Ze faible Zs moyenne BC = AMPLI HF
J. LAURENT
Chap.3 : Les TEC
Transistors unipolaires : un seul type de charge (trou ou électron)
Transistor à Effet de Champ = TEC
Field Effect Transistor = FET 2 familles :
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.3. Caractéristiques
J. LAURENT
I.4. Circuits de polarisation
J. LAURENT
I.4. Circuits de polarisation
J. LAURENT
I.4. Circuits de polarisation
J. LAURENT
I.4. Circuits de polarisation
J. LAURENT
I.5. Régimes linéaire et NL
J. LAURENT
I.5. Régimes linéaire et NL
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
I.6. Applications à l ’amplification
J. LAURENT
I.6. Applications à l ’amplification
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.1. MOSFET à appauvrissement
J. LAURENT
II.1. MOSFET à appauvrissement
J. LAURENT
II.1. MOSFET à appauvrissement
J. LAURENT
II.1. MOSFET à appauvrissement
J. LAURENT
II.1. MOSFET à appauvrissement
J. LAURENT
II.2. MOSFET à enrichissement
J. LAURENT
II.2. MOSFET à enrichissement
J. LAURENT
II.2. MOSFET à enrichissement
J. LAURENT
II.2. MOSFET à enrichissement
J. LAURENT
II.2. MOSFET à enrichissement
J. LAURENT
II.2. MOSFET à enrichissement
J. LAURENT
III. AOP
Un des composants les plus utilisés et un des plus simples à mettre en œuvre.
Présentation C’est un CI comportant de nombreux
étages à transistors (20 à 30 T) avec des caractéristiques quasi idéales:
Ze = 2M Zs = 100 G0 = 200 000
C’est un ampli différentiel avec 2 entrées et 1 sortie
V+
V-
+
-
+
-
J. LAURENT
III. AOP
tension différentielle = V+ - V- Vs = A avec A: amplification en BO
Modèle et caractéristiques
En pratique Is limité à environ 10mA i- et i+ environ 10-10A Ze de 106 à 1012 A grand mais dépend de BP Zs de 10à 100
i+=0
i-=0
A
V+
V-Vs
is
J. LAURENT
III. AOP
En régime linéaire = 0
Régime linéaire et NL La relation i+= i- =0 tjrs vrai. Régime linéaire pour cela il faut une
contre réaction (sortie reliée à V-)
Vsat-
Vsat+
-
+
Ve
J. LAURENT
III. AOP
Régime non linéaire alors ≠0 et Vs =+- Vsat
AOP en BO donc pas de CR
Si >0 alors Vs= Vsat+ Si <0 alors Vs= Vsat- Quand change de signe, la commutation est
pratiquement instantanée
V+
V-
+
-
Vs
J. LAURENT
III. AOP
Réaction (liaison entre la sortie et V+)
La fraction de Vs réinjectée en entrée est en phase avec V+ donc si V+ augmente, Vs augmente jusqu’à Vsat+
Ici encore, si >0 Vs=Vsat+ et si <0 Vs=Vsat- Pour étudier le montage en régime NL:
On détermine l’évolution de V+ et V- pour en déduire
Pour étudier le montage en régime linéaire: On écrit la loi des mailles pour chaque branche avec
=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
+
-
Ve
J. LAURENT
III. AOP
AOP en régime linéaire Exemples de montages
Ampli de tension non inverseur
G0=1+(z2/z1) Ze ->inf Zs = 0
Montage suiveur
Vs= Ve (étage tampon)
-
+
Ve
Z1
Z2
Vs
V+
V-
+
- Vs
J. LAURENT
III. AOP
AOP en régime linéaire Exemples de montages
Ampli de tension inverseur
G0=-(z2/z1) Ze ->z1 Zs = 0
Montage sommateur
Vs= -[(z4/Z1)V1 + (z4/z2)V2 +(z4/z3)V3]
-
+Ve
Z1
Z2
Vs
-
+
Z1 Z4
Vs
Z2
Z3
J. LAURENT
III. AOP
AOP en régime linéaire Exemples de montages
Ampli différentiel
Vs = [(z1+z2)/z1]x[z4/(z3+z4)]xV2 – (z2/z1)V1
Dérivateur
-
+
Z1
Z2
VsZ3
Z4
-
+
R
Vs
On produit en sortie un signal rectangulaire si le signal d’entrée est une rampe
Vs= -RC dVe/dt
J. LAURENT
III. AOP
AOP en régime linéaire Exemples de montages
Intégrateur
Vs = -1/(RC) intégral Ve dt
-
+
R
Vs
J. LAURENT
III. AOP
AOP en régime linéaire Exemples de montages
Filtre actif
G0 = K/[(1+j(w/w2))x(1-j(w1/w))]
-
+
R1
Vs
R2
C1C2
Passe bas Passe haut
J. LAURENT
III. AOP
AOP en régime non linéaire Exemples de montages
Comparateur à 1 seuil
-
+
VsVref
Ve
VrefVsat+
Vsat-
J. LAURENT
III. AOP
AOP en régime non linéaire Exemples de montages
Comparateur à hystérésis (ou à 2 seuils)
1 seuil lorsque la grandeur croit Vref+ 1 seuil lorsque la grandeur décroît Vref- Vref- = [(R1+R2)/R2]Vref – (R1/R2)Vsat V = Vref+ - Vref- = 2(R1/R2)Vsat Vc = (Vref+ + Vref-)/2 = [(R1+R2)/R2] Vref
+
-
VsVref
Ve
Vsat+
Vsat-
R1
R2
V
Vc
J. LAURENT
BIBLIOGRAPHIE Electronique Dornier Ed Foucher Coll Plein Pot Théorie ISBN 2-
216-01628-4 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 T1 : Dispositifs à semi-conducteurs T2 : Circuits et systèmes numériques T3 : Amplificateurs et systèmes amplificateurs T4 : 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 2-7135-1353-7
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 2-7091-0983-2
Le mémento des fondements de l’électronique Altmann Ed Fréquences Difffusion Eyrolles ISBN 2-903055-26-2
Principes d'électronique A. P. Malvino McGrawHill ISBN : 2-7042-1176-0
top related