Cours Electronique

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Institut National des Sciences Appliquées et de Technologie

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Enseignant:

Slim Yacoub

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CH1 Elément actif à semi-conducteur I Modèles statiques de la diode a jonction PN

8

I.1 Introduction: I.2 Le modèle idéal: I.3 Le modèle a seuil:

9

I.4 Le modèle linéarisé: II Fonctionnement linéaire de la diode (régime petit signaux)

10

II.1 polarisation de la diode II.2 Puissance maximale de la diode

11

II.3 Les claquage dans les diodes II.3.1 le claquage par avalanche II.3.2 Le claquage par effet tunnel

12

II.3.3 Le claquage thermique II.4 Les capacités de la diode a jonction PN III Les diodes zener

III.1 Modèle statique

13 14

III.2 Modèle linéarisé

CH2 Les Transistor bijonction I Introduction

I.1 Polarisation d’un transistor: II. montage a émetteur commun

16 17 18

II.1 Rapport α et β II.2 Modèle Ebers-Moll

19



























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III.3 Caractéristiques du gain en courant III.4 Valeurs limites des transistors

22

III.5 Droite de charge en continu III.6 Transistor Interrupteur

23

III.7 Transistor source de courant

24

IV Circuit de polarisation d’un transistor

IV.1Polarisation de base

25

IV.2 polarisation par réaction d’émetteur IV.3 polarisation par réaction de collecteur

27

IV.4 polarisation par diviseur de tension

28

V circuit a transistor PNP

29

VI. Maintenance des transistors

31

CH3 Amplificateur à Transistor A. Montage émetteur commun

32

I Introduction

I.1Condensateur I.1Condensateur de couplage et condensateur de découplages II Application du théorème de superposition aux amplifi cateurs

33

II.1 Circuit équivalent en alternatif et en continu II.2 Résistance en alternatif de la diode émetteur

35

II.3 Beta β en alternatif

36

III Amplificateur à émetteur à la masse

III.1 Modèle en alternatif d’un étage à émetteur commun III.1.I Impédance d’entrée

38



























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B. Montage collecteur commun I Principe

40

I.1 Droite de charge statique I.2 En dynamique I.2.1 Circuit équivalent en courant alternatif

41 42

Impédance totale d’entrée de l’amplificateur Impédance de sortie

43

Modèle en courant alternatif C. Montage base commune I Introduction

45

II Polarisation par diviseur de tension

II.1 Le circuit équivalent en alternatif

46

II.2 Le modèle en courant alternatif d’un amplificateur a bas commune

47

D. Paramètre hybride I les paramètres hybride

48

II schéma équivalent en petit signaux

II.1 gain en courant et en tension

49

CH.4 Amplificateur de puissance A Amplificateur classe A et classe B I. Transistor classe A

51

I.1 Droite de charge en dynamique d’un amplificateur à émetteur commun I.2 saturation et blocage dynamique

52

I.3 Dynamique du signal alternatif de sortie

53



























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II.2 Puissance dissipé par un transistor t ransistor II.3 Courant d’alimentation ou courant consommé III Transistor classe B

57

III.1 Amplificateur Push-Pull III.1.1L’équivalent en courant continu CC

58

III.1.2 L’équivalent en courant alternatif CA : III.1.3 Distorsion de croisement de recouvrement ou de passage par zéro

60

III.1.4 Polarisation par diviseur de tension

61

III.1.5 Amplificateur d’attaque ou de pilotage d’un amplificateur classe B

64

III.2 fonctionnement en classe B III.1.1 Puissance de charge III.1.2 Puissance dissipé par un transistor II.1.3 Puissance fournie au circuit Ps III.3 Polarisation par diviseur de tension III.4 Amplificateur d’attaque ou de pilotage d’un amplificateur classe B B Amplificateur classe C I Fonctionnement en classe C

65

Chapitre 5 les amplificateurs opérationnels Introduction

68

I l’amplificateur différentiel ou de différence

I-1 Analyse en courant continu -a

Courant de queue IT.

-b

Courant de décalage d’entrée

-c

Tension de décalage d’entrée

I.2 Analyse en courant alternatif

69



























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- Taux de rejection en mode commun (Common Mode Rejection Ratio) I.2.1

Polarisation par miroir de courant

71

II l’Amplificateur opérationnel

II.1 Introduction

73

II.1.1 Symboles II.1.2 Fonctionnement de l’amplificateur en comparateur

74

II.2 La rétroaction II.2 .1 Définition II.2.2 Différents type de contre-réaction III Application linéaires de l’amplificateur opérationnel

75 76

III.1 Montages classiques III.1.1 Amplificateur suiveur

77

III.1.2. Amplificateur non inverseur III.1.3. Amplificateur inverseur

78

III.1.4 Amplificateur sommateur ou additionneur III.1.5. soustracteur ou amplificateur de différence

79

III.1.6. Dérivateur Intégrateur

80

III.1.7. Convertisseur courant tension

81

III.1.8. Convertisseur tension courant IV. Les filtres actifs

82

IV. 1Les filtres passe-bas IV.2 Filtre passe-haut

84

Chapitre 6 Oscillateur I Oscillateur sinusoïdaux

85





























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II.1 Réseau d’avance de retard II.2 fonctionnement III.Oscillateur colpitts

88 89

III.I Montage a émetteur commun IV Cristaux de quartz

91

IV.1 Fondamentales et harmoniques IV.2 Résonnance série et résonance parallèle V Minuterie 555

92

V.1 Bascule RS V.2 Schéma fonctionnel du 555

93

V.2.1 Fonctionnement Fonctionnement en Multivibrateur Monostable

94

V.2.2 Fonctionnement Fonctionnement en multivibrateur astable

95

Bibliographie

96





























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CH1 Elément actif à semi-conducteur

I Modèles statiques de la diode a jonction PN I.1 Introduction :

Les modèles sont utilisés pour l’analyse l ’analyse des phénomènes, des processus, processus, des systèmes et des éléments. La diode est un élément non linéaire, l’équation liant le courant I D et la tension V D est non linéaire : I D = I S (e

V D m.V T

− 1)

VT : potentiel thermique Is ; courant inverse m : coefficient d’ajustement empirique VD : tension appliquée aux bornes de la diode Ceci rend l’analyse d’un circuit électrique comportant des diodes difficile. Pour faciliter donc cette analyse on remplace les diodes par des modèles linéaires. I.2 Le modèle idéal :

En direct la diode est considérée comme un circuit fermé : VD =0

pour

ID ≥ 0

En inverse la diode est considérée comme un circuit ouvert ID =0

pour

VD ≤ 0





























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I.3 Le modèle a seuil : La forme analytique du modèle est exprimée par les équations :

V D = V 0

pour I D ≥ 0

I D = 0

pour V D ≤ V 0

�

�

A

ID

A

ID VD

V0 V0

0

�

VD

VD

K

K

Fig2 Modèle a seuil a: forme graphique; b: schéma équivalent de la diode en direct; c: schéma équivalent de la diode en inverse I.4 Le modèle linéarisé :

La forme analytique du modèle est exprimée par les équations : V D = V 0 + r D I . D I D = 0

pour I D ≥ 0

pour V D ≤ V 0

�

A

ID

�

A

ID VD

∆ ID

V0

�

VD





























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II Fonctionnement linéaire de la diode (régime petit signaux)

Quand on fait passer un courant variable (par exemple sinusoïdal) id à travers une diode, si la tension VD sur la diode a la même forme, la diode fonctionne en régime linéaire. Ceci est vrai pour de très très petites amplitudes amplitudes de id et VD. ID

iD A t

VD vD

Fig4 Diode linaire II.1 polarisation de la diode

Le rôle de ID0 est de placer le point A au milieu d’une section linéaire de la caractéristique. La diode doit être polarisée par le courant I D0 avant qui id ne soit appliqué. V D = E 0 − I . D R .

(1)

Equation du circuit de polarisation condition externe (1). . D . = I S .e I

VD m.VT

(2)





























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E0 /R

ID

ID0

A

VD0

E0

VD

0 Fig5 Détermination graphique du point de fonctionnement de la diode

II.2 Puissance maximale de la diode

P = V D 0 I . D 0 = Puissance électrique

Tj − Ta . Rth Puissance dissipée

Rth résistance thermique de la diode de l’ordre °c/W et atteint quelques centaines centaines de °c/W pour les diodes de petites puissance. Tj : Température de la jonction Ta : Température ambiante































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La résistance dynamique de claquage : r z =

dV D = cot anα pour I d 〈 I z min dI D

ID

VBR

α

IZmin

IZmax

Fig6 Caractéristique complète d’une diode a jonction PN

VD





























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ε r Permittivité relative du semi conducteur

La capacité de diffusion C D =

τ p I . Dp + τ n I . Dn

m.VT

p : Temps de vie des trous

n : Temps de vie des électrons I Dp , I Dn courant de diffusion des trous et des électrons p >> τ n τ

et I Dp >> I Dn

⇒ C D =

p I τ . Dp m.VT

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C=CD+C�

C

Fig7 Schéma équivalent hautes fréquence de la diode





























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� ��

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A

Symbole III.1 Modèle statique �

K

ID

VZ

VD

�

K

IZ VD

VZ 0

�

A

VD

A

Fig.8 Modèle idéale d’une diode Zener a: forme graphique; b: schéma équivalent dans la zone de claquage; c: schéma équivalent avant le claquage V D = V Z pour I Z ≥ 0





























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V D = V Z + r Z I Z pour I Z ≥ 0 I Z = 0 pour V D ≤ V Z

Le circuit de polarisation de la diode zener est le suivant R

VD IZ E0

Fig.10 Circuit de polarisation Coordonnées du point de fonctionnement I D 0 =

E 0 − V Z R + r z





























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CH2 Les Transistors bijonctions

I.1 Introduction

L’impact du transistor dans le monde est énorme. En effet ce dernier a permit de réaliser les circuits intégrés, les l es composants optoélectroniques et les microprocesseurs. Un transistor ce présente comme suit : C

C B

B

E ��

E ��

Fig.1 Symbole d’un transistor

��

C��

��

C��































��

��

Le transistor comporte deux jonctions il ressemble donc a deux diode, la première est appelée la diode émetteur la seconde diode collecteur. I.1 Polarisation d’un transistor :

• Montage base commune commune

�

�

� �EB

� �

�

�

�

�

�CB

�

�





























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II. Montage a émetteur commun

�C

� �CC �B

� �BB

��





























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On a I E = I C + I B ⇒

β cc =

⇒

I E I = 1 + B I C I C

1

⇒

α CC

= 1+

α CC 1 − α CC

Deux circuits équivalent

�

+

VCE

1 β CC





























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��

- IB r’b =0 - IC =IE

α CC=1

- IB =IE / β CC Conclusion :

Pour qu’un transistor fonctionne de façon linéaire : 1 La diode émetteur doit être polarisée en direct 2 La diode collecteur doit être polarisée en inverse 3

La tension entre entre les bornes de la diode collecteur < à la tension de claquage claquage

III Caractéristique d’un transistor

Les caractéristiques qui lient les courants et les tensions d’un transistor t ransistor représentent graphiquement son fonctionnement.





























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Si VCE fonctionne au dessus de la zone de claquage le transistor ne fonctionne plus en tant que source de courant.

III.2 caractéristiques de base

La caractéristique de base est celle d’une diode :

IB































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III.4 Valeurs limites des transistors

IC Région de saturation

��





























��

��

�C

��

� �� B>�B ��

Vcc/Rc

�B=�B ��

Q

B��





























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��

III.7 Transistor source de courant

�C

VCE

�

� �CC





























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IV .1 Polarisation de base

Appelée aussi polarisation fixe cette façon de polariser un transistor n’est pas bonne car le point Q n’est pas stable en effet βcc peut varier d’un rapport 9/1 selon le courant et la température.

�C





























��

��

�CC

�B

�C































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��





























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V − V





























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��





























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toutes les tensions sont inversées et pour polariser en direct la diode émetteur d’un transistor





























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Maintenance des transistors

��











































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































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+VCC R1 B

B E

B

R1

E

B

R1

E

Fig.11 Transistor montés en diodes

Toute augmentation de la température diminue la tension de polarisation des diodes +VCC R1

Miroir de courant NPN

B

E

2 VBE R1

B Miroir de courant PNP

R1



























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��

I B Très inférieur a I R ⇒ I D ≈ I R

La diode a les mêmes caractéristique que la jonction VBE V BE ⇒ I D ≈ I E ≈ I C ⇒ I C ≈ I R ⇒ on règle le courant émetteur en réglant le courant de R. On polarise la diode par un miroir de courant

+VCC R1

IR Miroir de courant NPN

B

IB

E

ID

Fig.13 Miroir de courant NPN +VCC Miroir de courant PNP

B IB R1

Fig.14 Miroir de courant PNP

E



























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III. 1.5 Amplificateur d’attaque ou de pilotage pi lotage d’un amplificateur classe B

R1

R3 B Q3 E

�� R1

RL

E B Q4

Q2 B E R2 R4

Fig.15 Amplificateur de pilotage d’un amplificateur classe B

Les condensateurs servent à transmettre le signal AC notons que ce n’est pas la l a meilleure façon d’attaquer un amplificateur classe B. Le transistor Q2 est monté en source de courant qui fournit le l e courant de polarisation via les diodes. Le courant IE2 est réglé en réglant R2 IE3=IE4=IE2 (effet miroir). Quand on attaque T2 avec un signal alternatif ce dernier sera amplifié et inversé (gain A=R3/R4) T2 se comporte comme un amplificateur amplificateur d’entrée stabilisé durant l’alternance l’alternance positive Q3



























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B Amplificateur classe C

I Fonctionnement en classe C

Un amplificateur classe C peut fournir une plus grande puissance de charge qu’un amplificateur classe B sauf que pour amplifier une onde sinusoïdale il faut accorder l’amplificateur à la fréquence de l’onde d’entrée. On l’utilise surtout pour amplifier des signaux radiofréquences (>20 KHz).

I fonctionnement en classe C

+Vcc

C

L

B

Vi

E RB

Fig.1 Transistor en classe C

Vo RL



























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��

A Amax

fr

f

Fig.2 Réponse en fréquence

IC Vcc/r

Droite de charge dynamique Droite de charge statique

Q Vcc

Fig.3Droit de charge statique et dynamique

VCE

La jonction BE n’est pas polarisée donc le point Q se confond avec Vcc, un courant collecteur apparait quand la tension d’entrée est supérieure à 0,7 V. Le transistor fonctionne pendant moins de 180 °.





























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��

IC

Fig.4 Forme d’ondes

θ

Cette onde est composée d’une onde fondamentale f et d’un deuxième harmonique, d’un troisième etc….. Si le circuit entre en résonance à f donc toutes les harmoniques sont éliminées et la tension de charge est une onde sinusoïdale. Un bon fonctionnement du montage exige un facteur de qualité supérieur à 10 (à bande étroite). L’excursion maximale de tension le long de la droite de charge dynamique est d’environ Vcc à plein signal la tension de charge dévie d’environ Vce(sat) à 2 Vcc, comme Vce sat est a peu près nulle => la dynamique du signal PP est d’environ 2Vcc.





























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Chapitre 5 Les amplificateurs opérationnels

Introduction

L’amplificateur opérationnel typique est un amplificateur a gain élevé pour des courant continu fonctionnant de 0hz a 1Mhz pas de capacité de couplage découplage. I l’amplificateur différentiel ou de différence

Les transistors, les diodes et les résistances sont les seuls composants pratiques d’un circuit intégré monolithique. On fabrique parfois des condensateurs condensateurs sur une puce mais leurs capacité est habituellement inférieur à 50pf. Les concepteurs de CI ne peuvent pas utiliser uti liser des condensateurs condensateurs de couplages ils doivent donc coupler directement les étages d’un CI monolithique. L’amplificateur différentiel et l’un des meilleurs étages couplés directement il sert surtout d’étage d’entrée dans un amplificateur opérationnel. �CC

�C

�C �0

�1

�2





























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�0=A.( �1- �2) I-1 Analyse en courant continu -a

Courant de queue I T. �CC

�CC

�C

� 1

�C

� 1

� 2

�B

� 2

�B

�B

�B 2.�E

2.�E

�E ��EE ��EE

Fig.2 Courant continu

Si R B < 0,02 . β CC R . E    ⇒ V BM = 0  -b

Courant de décalage d’entrée

I i ( decalege ) = I B1 − I B 2 Si

⇒ I E =

T Q1 = T Q 2

⇒ I i = 0

V EE − V BE 2 R . E

I T = 2 I . E





























��

��

�CC

�CC

�C

�C �0

� 1

�1

� 2

�1

� 1

�2

� 2

�B �E

�0

�E ��EE

��EE

�C

�0

��

�1

��

RE très grand devant r’e => �E

�C

��





























��

on a ie =

⇒

��

V 1 2r ' e

V 0 RC = V 1 2.r ' e

V 1 = 0 ⇒ ie =

⇒

V 0 = ic R . C

⇒ gain en tension V 2 2r ' e

V 0 = − ic R . C = −

V 2 R . 2r ' e C

V 0 R = − C V 2 2.r ' e

Théorème de superposition => ⇒ V 0 = V 0(1) + V 0( 2 ) =

RC .(V − V ) = A.(V 1 − V 2 ) 2.r ' e 1 2

A: Gain en tension différentiel Impédance d’entrée: d’entrée:

r i =

V 1 = 2 β . .r ' e i1

Gain en mode commun

⇒ A MC = −

RC 2 R . E

Si ⇒ RC = 10 K Ω et RE = 10 K Ω

⇒ A MC = −0.5 ⇒ l’amplificateur atténue un

signal de mode commun - Taux de rejection en mode commun (Common Mode Rejection Ratio)































��

��

�CC �C

� 1

� 2

�1

�2 �B

� � 4 �1

��EE

Fig.4 Miroir de courant

De la même manière que précédemment on peut augmenter le gain différentiel A en utilisant un miroir de courant de charge. Si RC est trop grand on risque de saturé le transistor de sortie. �CC





























��

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II l’Amplificateur opérationnel II.1 Introduction

Un amplificateur opérationnel idéal doit avoir une impédance d’entrée infinie une impédance de sortie nulle un gain infini et une bande passante beaucoup beaucoup plus large que le spectre du signal à amplifier. Par ailleurs il doit être insensible aux variations de température aux variations de la tension d’alimentation et le signal de sortie doit être nul lorsqu’aucun signal n’est appliquée a l’entrée. II.1.1 Symboles

- Symbole graphique +�1

E�� + �

A

+�2 E��

Fig.1 Symbole

- Modèle +

+�0





























��

��

E��

��+

+ ��

�

A

+�0

�� E�� +

��

Fig.2 Défauts dans un amplificateur

Les générateurs de tension ed+ , ed- et les générateurs de courant id+ et id- représentent les défauts. II.1.2 Fonctionnement de l’amplificateur en comparateur

En boucle ouverte �ε >0

=>

�0= �sat

�ε <0

=>

�0= ��sat

Pour avoir un fonctionnement linéaire on doit réaliser une contre réaction pour des problèmes de stabilité elle sera toujours réalisé sur le (-) de l’amplificateur. l ’amplificateur.





























��

A =

��

X O X i

B = A f =

on a

X O X e

X f X O gain du système en boucle fermée

X O = A. X i = A.( X e − B. X O ) X O .(1 + A B . ) = A. X e

⇒

X O A = = A f X e 1 + A B .

⇒ A f ≈

Si A est très grand

1 B

Donc le gain ne dépend que de la chaine de contre réaction qui ne comprend que des éléments passif stables en fonction de la température. II.2.2 Différents type de contre-réaction contre-réaction

- Contre réaction tension-tension (tension série) : on o n réinjecte une tension proportionnelle a la tension de sortie. ��

��

A��

��





























��

��

- Contre réaction tension-courant (courant série) : on injecte a l’entrée une tension proportionnel au courant de sortie ��

��

��

��

��

�� B��

Fig.4 Contre réaction -tension courant

- Contre réaction courant-courant (courant parallèle) : on injecte a l’entrée un courant proportionnel au courant de sortie ��

��

��

��































��

��

III.1 Montages classiques III.1.1. Amplificateur suiveur

Ve = V S puisque V ε = 0 Ze = +∞ et Z S ≈ 0

+ �





























��

��

Ve = V + = V − =

⇒

R1 .V R1 + R2 S

V S  R2  = 1 + .V S Ve  R1 

Ze = +∞

Z S est très faible

III.1.3 Amplificateur inverseur �2 �1

� �ε

�





























��

��

On a Vi

− V 0

∑ Ri = R

1

R V 0 = ∑ 1 .V i Ri

Vo est au signe près pr ès une somme pondérée des tensions d’entrée. III.1.5 soustracteurs ou amplificateur de di fférence � � � �





























��

��

III.1.6 Dérivateur Intégrateur �

C

� � �ε +

+��

+��

Fig.11 Amplificateur dérivateur





























��

i = C

⇒

��

dV S dt

dV S Ve 1 ⇒ V S = − Ve.dt =− dt R.C R.C ∫

III.1.7 Convertisseur courant tension �

� �ε

� +

+��

+��































��

��

V − = V + ⇒ V i = V f V f =

R V R + R L 0

⇒ i0 ≈

IV. Les filtres actifs IV. 1Les filtres passe-bas

V f V i ≈ R R





























��

��

Pour un filtre du deuxième ordre il faut associer deux réseaux de retard La figure suivante donne le cas d’une structure à deux réseaux de retard d’où un filtre passebas du deuxième ordre avec une pente de 40db/dec. C

�

�

� +





























��

��

Deuxième cellule ACl = 2 ⇒ fc =

1 2π RC

��

IV.2 Filtre passe-haut

On transforme un filtre passe-bas ou butterworth en un filtre passe-haut en utilisant des





























��

��

Chapitre 6 Oscillateur

I. Oscillateur sinusoïdaux

L’Oscillateur sinusoïdal nécessite l’utilisation d’un amplificateur à réaction positive. On applique un signal de réaction au lieu d’un signal d’entrée.





























��

��

Dans ce cas l’oscillateur fournit son propre signal d’entrée et produit une sortie sinusoïdale. A

Vo































��

��

V

R //(− j. X C )

V





























��

��

Il faut avoir un gain égal à 3 exactement, ce n’est pas possible avec des résistances de ce fait





























��

��

A la mise sous tension les diodes sont bloquées et le taux de réaction est < 1/3 puisque





























��

G��

��

rc

: résistance en courant alternatif





























��

��

�0 C





















































































































































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