Electronique Analogique _ II1F

7/27/2019 Electronique Analogique _ II1F

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Electronique Analogique

UNIVERSITE DE LA MANNOUBA

Premire anne-II1

A.U. 2012-2013
http://www.isi.rnu.tn/isihttp://www.isi.rnu.tn/isi


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2

Contenu du cours d lectronique analogique

1. Les Diodes et applications des diodes

2. Le Transistor bipolaire et applications

3. Les Amplificateurs oprationnels et applications


3/73

Chapitre 1

3

Les Diodes


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4

Id

Vd

1.1 Dfinition

Caractristique courant-tension dunediode idale :

Id

Vd sous polarisationdirecte

(Vd0), la diode = court-circuit

(i.e. conducteurparfait)

sous polarisation inverse (Vd


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5

1.2 Caractristiques dune diode relle base de Silicium

hyp:rgime statique

(tension et courant

indpendants dutemps)

Vd-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1

20

60

100

140

Id

Is

PourVd> ~0.7,le courant augmente rapidement avec une variation peu prs linairela diode est dite passantemaisId nest pas proportionnel Vd (il existe une tension seuil~ Vo)

Vo


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6

Vd-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1

20

60

100

140

Id

1exp

T

dsd

V

VII

Zone du coude : Vd[0,~Vo] : augmentation exponentielle du courant

avec 12 (facteur didalit)

VT= k T/e

k = 1,38 10-23 J/K= constante de Boltzmann

e= 1.6 10-19Coulomb, Tla temprature en Kelvin

Is = courant inverse

le comportement est fortement non-linaire

forte variation avec la temprature

Vo

! VT(300K) = 26 mV / Diode idale car comportement identique celle prvue pour une jonction PN



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7

Zone de claquage inverse

Ordre de grandeur :Vmax= quelques dizaines de Volts

! peut conduire la destruction pour une

diode non conue pour fonctionner dans

cette zone.

! Vmax = P.I. V (Peak Inverse Voltage) ou

P.R.V (Peak Reverse Voltage)

Id

Vd

Vmax

claquage par effet

Zener ou Avalanche

Vo

L imi tes de fonctionnement :

Il faut que VdId=Pmax

L imi tation en puissance

VdId=Pmax

I nf luence de T :

Vd( Id constant) diminue de ~2mV/C

diode bloque : Id= IS double tous les 10C

diode passante :

(diode en Si)

(1/2W pour les diodes standards)



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8

1.3 Diode dans un circuit et droite de charge

Point de fonctionnement

Val RL VR

Id

Id , Vd,?

Comment dterminer la tension aux bornes dune diode insre dans un circuit et lecourant qui la traverse?

Vd

Id et Vd respectent les Lois de Kirchhoff

Id et Vd sont sur la caractristique I(V) du composant

Au point de fonctionnement de la diode, (Id,Vd) remplissent ces deux conditions


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9

Val/RL

Val

Droi te de charge

Id

Vd

Caractristique I(V)

Droite de charge

Loi de Kirchoff :L

dald

R

VVI

= Droite de chargede la diode dans le circuit

ConnaissantId(Vd) on peut dterminer graphiquement le point de fonctionnement

!procdure valable quelque soit la caractristique I(V) du composant !

On peut calculer le point de fonctionnement en dcrivant la diode par unmodle simplifi.

Q= Point de fonctionnementIQ

VQ

Q

1.3 Diode dans un circuit et droite de charge


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11/73


12/73

12

Modle de 3ime ApproximationId

Vd tension seuil Vonon nulle

rsistance directe Rfnon nulle

Vd Vo:

Val

Ri

Id

Vd

Val Rr

diode bloqueVal> MW,

1.4 Modles statiques


13/73

13

Remarques :

d

df

I

VR

Le choix du modle dpend de la prcision requise.

Les effets secondaires (influence de la temprature, non-linarit de la

caractristique inverse, .) sont pris en compte par des modles plus volus(modles utiliss dans les simulateurs de circuit de type SPICE).

1.4 Modles statiques


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14

Variation suffisamment lente pour queID(VD) soit toujours en accord avec la

caractristique statique de la diode.

Variationde petite amplitude autour du point de fonctionnement statique Q :

la caractristiqueId(Vd) peut tre approxime par la tangente en Q

d

Qd

dd v

dV

dIi

schma quivalentdynamique

correspondant au point Q :

1

Qd

d

dV

dI= rsistance dynamique

de la diode

Id

Vd

Vo

Q

Qdd

dVdI

pente :

Qd

I

Qd

V

2|id|

2| v|

Modle petits signaux, basses frquences

!Ce schma ne peut tre utilis QUEpour une analyse dynamiquedu circuit !

1.5 Modles dynamiques


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15

Notation :rf= = rsistance dynamique pour Vd

Q> 0

rr= = rsistance dynamique pour VdQ

< 0

1

0

dVd

d

dV

dI

1

0

dVd

d

dV

dI

! temprature ambiante :

125

W mAI

rd

f

Pour Vd>> Vo, rf Rf

Pour Vd< 0 , rr Rr

Pour Vd[0, ~Vo] ,

d

Ts

V

V

sdVd

df

I

VIeI

dV

d

dV

dIr T

d

d

11

!proche de Vo la caractristiqueI(V) scarte de la loi exponentielle

rf ne devient jamais infrieure Rf (voir courbe exprimentale, p27)



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16

Exemple :

Vd(t)Ve

ve

Ra

1kW C

10F D

Rb2kW

5V

Analyse statique : VVmAI DD 62,0,2,22000

6,05

diode: Si, Rf= 10W, Vo = 0,6V ,

Temprature : 300K

tve 210sin1,03

Analyse dynamique : ,122,2

26 Wfr ac RZ W16

Schma dynamique :

1kW

ve

2kW

~ 12W

vd

tvd 210sin102,1 33

Amplitude des ondulations rsiduelles : 1,2 mV



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18/73


19/73

1 6 Q l di d i l


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20

Sous polarisation inverse, la photodiode dlivre un courant proportionnel

lintensit de la lumire incidente.

Diode Schottky

Une diode Schottky est une diode qui a un seuil de tension Vo trs bas et un temps de

rponse trs court.

Diode Varicap

Une varicap est une diode capacit variable. Elle utilise la variation de Ct avec Vd

en polarisation inverse.

Photodiode

1.6 Quelques diodes spciales

1 7 A li ti d Di d
http://fr.wikipedia.org/wiki/Tensionhttp://images.google.fr/imgres?imgurl=http://www.microscopy-uk.org.uk/mag/imgdec00/photodiode.jpg&imgrefurl=http://www.microscopy-uk.org.uk/mag/artdec00/photodiode.html&h=218&w=360&sz=26&tbnid=A2CejK_ZncKs9M:&tbnh=70&tbnw=117&hl=fr&start=16&prev=/images%3Fq%3Dphotodiode%26svnum%3D10%26hl%3Dfr%26lr%3D%26sa%3DGhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Tension


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21

Limiteur de crte (clipping)

Fonction : Protger les circuits sensibles (circuits intgrs, amplificateur grand gain) contre

une tension dentre trop leve ou dune polarit donne.

Limite dutilisation : Puissance maximale tolre par la diode.

Clipping paral lle

VeVg circuit protger

Rg

Ze

(diode // charge)

Cl ipping srie :

Ve(t)circuit

protgerZeVg

Rg

Ve ne peut dpasser significativement Vo

Ie ne peut tre ngatif

Ie

1.7 Applications des Diodes

1 7 A li ti d Di d


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22

Protection par diode :

Vmax


23/73

23

Alimentation

Transformer un signal alternatif en tension continue stable

(ex: pour lalimentation dun appareil en tension continue partir du secteur)

Objectif:

Les fonctions effectues par une alimentation :

Redressement Filtrage passe-bas Rgulation

V>0

V


24/73

24

Redressement simple alternance

220V

50HzR

cV

s

7.0 mVVs

t(cf avant)

Ri =rsistance de sortie du transformateur

Vm =amplitude du signal du secondaire

Redressement double alternance (pont de Graetz)

D1 D2

D3 D4

R

RcVi Vs

Vi

t

Vs,

VVi 4.1

~1.4V


1 7 A li ti d Di d


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25

avec fi l trage :

avec condensateur

sans condensateur

D1 D2

D3 D4

R

Vs

50 W

Rc=10

kW

Vi200F

Charge du condensateur traversR

et dcharge traversRc

RC


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27/73

1 7 Applications des Diodes


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28

VcVg(t)

C

VdD

Rg Cas par ticul ier :

0poursin ttVV mg

0pour0 tVc (C dcharg)

Phase transitoireau cours de laquelle le condensateur se charge

t (s)

C=1F

Rg=1kW

f= 100hz

Vm =5VVc

Vg

Vd

charge du condensateur

Vd0.7V

Simulation


http://d/spice8d/Circuits/Cours/Exemple%20Cours%201.DWGhttp://d/spice8d/Circuits/Cours/Exemple%20Cours%201.DWG


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29

Exercice :Modifier le circuit pour obtenir une composante continuepositive.

Charge de Cavec une constante de temps de RgC chaque fois que la diode est passante

Dchargede Cavec une constante de temps RrC

Le circuit remplit ses fonctions, si pourf >>1/RrC (105hz dans lexemple) :

en rgime permanent: Vd Vg - Vm

composante continue




30/73

30

Multiplieur de tension

Exemple : doubleur de tension

clamping redresseur monoalternance avec filtre RC

~Vg Rc>> Rg

Rg

VD1 VRcVm=10V, f=50Hz, C=10F

Rc=100kW.

C

Cl

0pour2sin

ttfVV mg

t

VD1,VRc

rgime transitoire / permanent

* En rgime tabli, le courant dentre du

redresseur est faible(~ impdance dentre

leve)

mmR VVV c 24,12

* Il ne sagit pas dune bonne source de

tension,puisque le courant de sortie (dansRc)

doit rester faible (~ rsistance interne leve)




31/73

31

Limpdance dentre de la charge doit tre >>Rf+ Rtransformateur+Rprotection

! source flottante ncessit du transformateur

charge

source

AC

Autreexemples: Doubleur de tension



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33/73

2 1 Introduction


34/73

34

on distingue le transisorbipolaire du transistor effet de champ

diffrents mcanismes physiques

Ils agissent, en 1ire approx., comme une source de courant command

Idalement : ltage dentre ne dpend pasde ltage de sortie.

Icontrle

source de courant

commande par un

courant

contrlecommand IAI

A =gain en courant

transistor bipolaire : command par un courant

Vcontrle

source de courant

commande par une

tension

contrlecommand VGI

G= transconductance.

transistor effet de champ: command parune tension

2.1 Introduction

2 2 Structure et fonctionnement dun transistor bipolaire


35/73

35

Structure simplifie

P+

P

N

E

B

C

metteur

collecteur

base

Transistor PNP

E

C

Transistor NPN

N

N

P

B

+

couplage

entre lesdiodes

diode EB

diode BC

Deux jonctions PN ou diodes couples effet transistor

Symtrie NPN/PNP

diode EB

diode BC

2.2 Structure et fonctionnement d un transistor bipolaire


36/73

2 2 Structure et fonctionnement dun transistor bipolaire


37/73

37

Premires di ffrencesentre le transistor bipolaire et la source commande idale...

Contraintes de polarisation : VBE> ~0.7V, VCB>- 0.5V

.

Symboles

B

NPN

C

E

B

C

E

PNP

IE >0 en mode actif

PNP

IC

IE

IB

Conventions des courants :

NPN

IC

IE

IB

IE= IB+IC

2.2 Structure et fonctionnement d un transistor bipolaire


38/73


39/73


40/73

2.3 Caractristiques du transistor NPN


41/73

41

Caractristiques en configuration EC :

IB(VBE, VCE):

VBE(V)

IB(A)

0.1 0.2 0.30

0.51.5

3

0.1V

> 1V

E

IC

IB

IE

N NPVCE=

VBE> 0.6V, jonction PN passante

IB


42/73

2.4 Modes de fonctionnement du transistor dans un circuit


43/73

43

Point de fonctionnement

VBEQ0.6-0.7V, ds que Vth> 0.7V

(diode passantetransistor actif ou satur)

VBE(V)

IB

0.1 0.2 0.3

QIBQ

VBEQ

thBEthB

R

VVI

CCCECE VVV Qsat

c

CC

c

CECCcCO

R

V

R

VVII sat

Ic(mA)

VCE(V)

IBQ

C

CECCC

R

VVI

Q

VCEQ

ICQ

VCEsat

ICO

Q fixe le mode de fonctionnement du transistor

. odes de o c o e e du s s o d s u c cu

2.4 Modes de fonctionnement du transistor dans un circuit


44/73

44

Exemple : Calcul du point de fonctionnement

+VCC

=10V

Vth =1V

Rth=30kW

Rc=3kW

hFE=100

AIQB

10

mAI QC 1

VVQ

CE 7

On a bien : ~0,3


45/73

45

Remplacement deRthpar3kW :

AI QB 100

mAI QC 10

VV QCE 20 !!

Rsultatincompatible avec le mode actif

! le modle donne des valeurs erronnes

Cause :Ic(mA)

VCE(V)

IBQQ

VCEQ

En ayant augmentIBQ,(rduction deRth)

Q a atteint la limite de la zone

correspondant au mode actifVV QCE 3.0~

et mAIQC

2.3

+VCC=10V

Vth =1V

Rth=3kWRc=3kW

hFE=100


46/73

2.5 Circuits de polarisation du transistor


47/73

47

Circuit de polarisation de base ( courant IB constant)

B

cc

B

BEccB

RV

RVVI 7.0

ccccBFEc IRVVIhIQ CEet:

VCC

RC

RB

Consquence : DhFE DIc DVCE

Le point de repos dpend fortement de hFE= inconvnient majeur

Circuit de polarisation peu utilis.

IC

VCE

c

cc

R

V

ccV

Q1

VCE1

IC1

2 transistors

di ffrentsmme IBQ2

VCE2

IC2

Exemple :Transistor en mode satur RB tel que

en prenant pourhFEla valeurminimalegarantie par le constructeur.

FEc

ccBB

hR

VII

sat

Dispersion de fabrication:

hFEmal dfini

p



48/73

48

Polarisation par raction de collecteur

+VCC

RCRB

FE

BC

CCC

h

R

R

VI

7.0

Le point de fonctionnement reste sensible hFE

Propritintressante du montage :

Le transistor ne peut rentrer en saturation puisque VCE

ne peut tre infrieur 0.7V

Cas parti culi er :RB=0C

CCC

R

VI

7.0

Le transistor se comporte comme un diode.

VVCE 7.0

p



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49

Polarisation par diviseur de tension - polarisation courant (metteur) constant

R1

R2

RE

RC

+VCC

Peu sensible hFE:

Bonne stabilit thermique de IC condition que Vth >>Vo VB >>Vo

E

othCE

FE

th

R

VVIR

h

Rsi

+VCC

Vth

Rth

Rc

CECCCCE IRRVV

CCth VRR

RV

21

2

21 // RRRth

avec et

FEthE

othEC

hRR

VVII

/

(Vo~0.7V)

Rgles dor pour la conception du montage :

Rth/RE 0.1 hFEmin ou encore R2 < 0.1 hFE

minRE IR210Ib

VE ~VCC/3

DiminuerRthaugmente le courant de polarisationIR1

p

2.6 Modle dynamique petits signaux


50/73

50

Variation de faibles amplitudes autour dun point de fonctionnement statique

Comportement approximativement linaire

Modles quivalents

Caractristique dentre :+VCC

VBB

vB

RE

RC

VSortie

E

B

IC

IBQ

VBE

0.2 0.4 0.60

IB

VBEQ

vBE

iB

t

t

Q Bv

Pour vB petit:

"" ie

bebe

TFE

Ebe

QBE

Bb

h

vv

Vh

Iv

V

Ii

FETBEsB hV

VII

1exp

hie = rsistance dentre dynamique du

transistor en EC

y q p g


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52/73

52

Caractristique de sortie en mode actif :

bfec ihi ""

En premire approximation :Ic

VCE

IBQQ

droite de charge

ic=hfeib

t IBQ+ib

QCEV

vce

En tenant compte de leffet Early: ceoebfec vhihi oQCE

coe

V

Ih

hfe= gain en courant dynamiquehFEen Q (* )

ib

hie hfeib

B

E

Cic

B ib

hiehfeib

E

Cic

hoe-1

1oeh = impdance de sortie du transistoren EC

Ordre de grandeur : 100kW- 1MW

Le modle dynamique ne dpend pas du type (NPN ou PNP) du tr ansistor


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54/73


55/73


56/73

+V



57/73

57

+VCC

-VEE RL

vg

Rg

source

charge

vL

ve

ie

iLZe

vsZs

Gain en tension :Comme Zs 0 le gain en tension dpend de la charge

e

s

Re

L

v v

v

v

v

AL

Gain en circuit ouvert :

Dfini ti ons

Gain sur charge :v

sL

L

e

LvL A

ZR

R

v

vA

Comme Ze ,Avc diffre de AvLvLei

e

g

Lvc A

ZR

Z

v

vA

Gain composite:

(tient compte de la

rsistance de sortie

de la source)

Gain en courant :L

evL

e

Li

RZA

iiA

Gain en puissance : iveg

LLp AA

iv

ivA

c


58/73

Chapitre 3

58

Amplificateur oprationnel

3.1 structure idale


59/73

59

e

VS

+

-

+Valim

-Valim

- structure damplification deux entres et une sortie

- lnergie ncessaire pour amplifier est apporte par une alimentation DC externe qui peut-tre :

une alimentation symtrique : Valim = +Valim = -Valimune alimentation positive : Valim = +Valim etValim = 0

En gnral : (Vsat = -Valim + Tdchet) < Vs < (Vsat = +ValimTdche) avec (Tdchet = 0,6 V)

il existe des ampli-oprationnels rail to rail pour lesquels : -Valim < Vs < +Valim

Cest un amplificateur en tension :

Fonction ralise : VSAe AV+-V-)

A: gain en tension infini dans le cas idal

Caractristique de la fonction de transfert :

e

VS

Pente infinie


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3.1 structure idale


61/73

61

Un fonctionnement linaire

-montage avec contre raction

Un fonctionnement non linaire

- montage avec raction positive

Mais, si on prlve une partie du signal de sortie pour linjecter :

Sur la borne (-) on obtient : Sur la borne (+) on a alors :

Seule, cette structure est peu intressante (except pour le fonctionnement en

comparateur) puisque :

- si e > 0 alors VS = Vsat- si e < 0 alors VS = -Vsat


62/73

3.1 structure idale


63/73

63

e

vS

+

-v

e

R1

R2

Mise en quation :

V-=Ve

On a diviseur de tension en V+ :

ss kvvRR

Rv

21

1

e V+-V-= kvs - ve

kk

vv eS

e droite de pente 1/k

vSDiscussion :

Reprsentation graphique :

Ve/k nest pas un point de fonctionnement stable :

e > 0 conduit VS = +Vsate < 0 conduit VS = -Vsate

k

ve

+vsat

-vsat

pente : +1/k

A

B

Fonctionnement non linaire :

montage avec raction positive


64/73


65/73


66/73

3.3 Comportement en frquence


67/73

67

Avertissement : Pour comprendre le fonctionnement en frquence dun AOP

Il faut abandonner le modle parfait utilis dans la premire partie

Par construction le comportement en frquence de lAOP est de type passe-bas avec :

- une frquence de coupure ( c) de lordre de 10 Hz- un gain en tension Avimportant (et non plus infini) de lordre de 10

5

Ce qui conduit au diagramme de Bode en gain :

Cette fonction de transfert scrit :

C

v

j

A)j(H

1

log

20 log (Vs/Ve)

0 c

pente20 dB/dec

20 log (AV)



68/73

68

Comportement en frquence du montage non inverseur (1/2) :

e

vS

-

+ve

R1

R2

ie

ib ss kVVRR

Rv

21

1

Mise en quation :

)VV)(j(H)j(HVdonc

j

A)j(H eS

C

ve

1

Fonction de transfert :

'c

'v

vc

v

v

c

vc

c

v

c

v

c

v

e

s

j

A

)kA(j

kA

A

j

kAj

j

A

j

Ak

j

A

V

V

11

1

1

1

1

1

1

1

1

6

1

21 101

1

v

v

v'v Acar

R

RR

kkA

AA

cvcvckA)kA(' 1



69/73

69

Comportement en frquence du montage non inverseur (1/2) :

log

20 log (Vs/Ve)

0 c

20 log (AV)

20 log (AV)

c

Diagramme de Bode obtenu :

On constate que :

le produit gain bande est constant puisque : Avc = Avc

vS

-

+ve

R1

R2

ieib


70/73


71/73


72/73



73/73

Montage drivateur ou passe-haut (2/2) :

ve

R

vS

-

+

Ci

i

R1

=> limitation du gain hautes frquences

CjR

CjR

R

R

CjR

jRC

v

v

e

s

1

1

11 11

log

20 log (Vs/Ve)

20 log (AV)

1/RC 1/R1C

20 log (R/R1)

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