Enseignements E.E.A. Electronique ?· Université Paul Sabatier Electronique analogique - Cours Sylvain…

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    04-Jun-2018

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<ul><li><p>EEnnsseeiiggnneemmeennttss EE..EE..AA.. </p><p>EElleeccttrroonniiqquuee aannaallooggiiqquuee </p><p>E le c tr o n iq u e d e s </p><p>d is p o s it ifs </p><p>C o u rs </p><p>par Sylvain GERONIMI </p></li><li><p>Universit Paul Sabatier Electronique analogique - Cours </p><p>Sylvain Gronimi Page 1 Table des matires </p><p>TABLE DES MATIERES </p><p>Les diodes jonction </p><p>Prsentation 3-4 Caractristique de la diode 4-5 Modles de la diode 5-9 </p><p>Notion de droite de charge Reprsentation en rgime continu Reprsentation en rgime dynamique aux faibles signaux </p><p> Diodes utilises en avalanche 9 </p><p>Le transistor effet de champ jonctions </p><p>Prsentation 10-11 Rseaux de caractristiques 11 Modles du transistor 12-13 </p><p>Reprsentation en rgime continu Reprsentation en rgime dynamique aux faibles signaux </p><p>Principe de lamplification 14 Les montages fondamentaux 15-17 </p><p> Le transistor bipolaire </p><p>Prsentation 18 Rseaux de caractristiques 19 Modles du transistor 20-23 </p><p>Reprsentation en rgime continu Reprsentation en rgime pseudo-continu Reprsentation en rgime dynamique aux faibles signaux </p><p>Les montages fondamentaux 24-28 </p><p>La caractrisation dun amplificateur linaire </p><p>Prsentation dun amplificateur linaire 29-30 Analyse en frquence 31-34 </p><p>Dfinition des domaines de frquence Notion de fonction de transfert Rponse aux frquences hautes Rponse aux frquences basses </p><p>Mesures physiques des caractristiques dynamiques 35-36 </p><p>Montages plusieurs transistors Montage cascode 37 Montage darlington 38 Montage diffrentiel 38-44 </p><p>Etude de la polarisation Etude aux faibles signaux Etude aux forts signaux </p><p>Les sources de courant 45-49 Miroir de courant lmentaire Source de Widlar Source de Wilson Rptiteur de courant </p><p> Les translateurs de tension continue 49-50 Translateur par diodes Multiplicateur de VBE </p><p>Structure et reprsentation dun amplificateur de tension intgr 50-52 </p><p>Quelques structures de circuits intgrs Amplificateurs de tension 53 Amplificateurs conductance de transfert 54 Amplificateurs rsistance de transfert 55 Amplificateurs contre-raction de courant 56 Multiplicateurs et mlangeurs 57-58 </p><p> La contre-raction </p><p>Rappels sur les systmes asservis 59-60 Relation des systmes asservis Proprits de la raction </p><p>Les types de contre-raction 61-65 Contre-raction tension-courant Contre-raction courant-tension Contre-raction tension-tension Contre-raction courant-courant </p></li><li><p>Universit Paul Sabatier Electronique analogique - Cours </p><p>Sylvain Gronimi Page 2 Table des matires </p><p>Lamplificateur oprationnel idal </p><p>Dfinition 66 Fonctionnement en rgime linaire 66-70 </p><p>Montages amplificateurs Montages oprationnels Amplificateurs dinstrumentation Filtres actifs du second ordre Convertisseur dimpdance </p><p>Fonctionnement en commutation 71-72 Comparateur de tension Triggers de Schmitt Multivibrateur </p><p> Lamplificateur oprationnel rel </p><p>Caractristiques lentre 73-78 Caractristiques la sortie 79-80 Caractristiques de transfert 81-83 Lalimentation 83 Schma de lamplificateur 741 84 </p><p>Le filtrage analogique </p><p>Types de filtres 85-93 Structures de filtres 94-95 Formes de rponses 96-100 Ralisation dun filtre 100-102 </p><p> Abaques 103 </p><p>Les oscillateurs sinusodaux </p><p>Condition critique doscillation 104-105 Les oscillateurs RC 105-110 </p><p>Loscillateur dphasage Loscillateur pont de Wien Stabilit en amplitude </p><p>Les oscillateurs accordables LC 110-111 Les oscillateurs quartz 111-112 Simulations 112-113 </p><p> Les rgulateurs de tension </p><p>Gnralits 114 Principe 115-116 Rfrence de tension 116-118 </p><p>Diode zener Rfrence de tension intgre </p><p>Rgulateur de tension srie 3 bornes 118-119 </p><p>Les amplificateurs de puissance </p><p>Gnralits 120-124 Calcul des puissances Distorsion </p><p>Amplificateurs classe A 125-130 Etage dissymtrique Etage symtrique </p><p>Amplificateurs classe B 130-141 Amplificateur push-pull srie Amplificateur push-pull parallle Augmentation de la puissance de sortie </p><p> Annexes </p><p>Modles de composants associs aux diffrents rgimes 142-144 Modle de Giacoletto 145-146 Mthode de travail pour la caractrisation linaire dun tage diffrentiel 147-148 Mthode de travail pour la caractrisation linaire dun circuit complexe 148-149 Mthode de travail pour la rponse en frquence (approximation du ple dominant) 150-151 Mthode de travail pour ltude de la stabilit des systmes boucls 152-154 Transformation de schma par application du thorme de Miller 155-156 Ouvrages spcialiss et principaux symboles utiliss 157 </p></li><li><p>Universit Paul Sabatier Electronique analogique - Cours </p><p>Sylvain Gronimi Page 3 Les diodes jonction </p><p>Les diodes jonction Prsentation Jonction non polarise </p><p>jonctionpaire</p><p>lectron-trou</p><p>atome donneur(ion positif fixe)</p><p>P N</p><p>lectron libre(minoritaire)</p><p>trous libres(majoritaires)</p><p>rgion dedpltion</p><p>lectrons libres(majoritaires)</p><p>trou libre(minoritaire)</p><p>atome accepteur(ion ngatif fixe) +</p><p>-</p><p>-</p><p>-</p><p>-</p><p>+</p><p>+</p><p>+</p><p>+</p><p>+</p><p>+</p><p>+</p><p>+</p><p>+</p><p>+</p><p>+</p><p>+</p><p>+</p><p>+</p><p>+</p><p>-</p><p>-</p><p>-</p><p>-</p><p>-</p><p>-</p><p>-</p><p>-</p><p>--</p><p>-</p><p>-</p><p> Au niveau de la jonction, il y a recombinaison des trous et des lectrons libres par diffusion, les trous vers la droite et les lectrons vers la gauche. Une mince rgion dite de dpltion ou dappauvrissement ou de transition ou de charge despace, apparat dpeuple de porteurs libres o ne subsistent que des ions fixes positifs et ngatifs. En dehors de la rgion de dpltion, on trouve des charges libres majoritaires et minoritaires, savoir des lectrons majoritaires et des trous minoritaires dans la zone N et linverse dans la zone P. La prsence dun champ lectrique ralentit puis arrte la diffusion des porteurs dune zone lautre. La largeur de la rgion de dpltion est dautant plus faible que le dopage est important car les ions fixes tant beaucoup plus nombreux repoussent plus fortement les charges mobiles. Jonction polarise en direct </p><p>P N</p><p>+ -VD</p><p>ID</p><p> La jonction est polarise en direct par une tension VD positive. Le ple + de la source attire les lectrons de la zone N vers la zone P et le ple attire les trous de la zone P vers la zone N (charges </p></li><li><p>Universit Paul Sabatier Electronique analogique - Cours </p><p>Sylvain Gronimi Page 4 Les diodes jonction </p><p>libres majoritaires). De ce fait, la largeur de la rgion de dpltion diminue car le nouveau champ lectrique est plus faible et le courant de diffusion augmente. Les lectrons provenant de la source VD (ple -) sajoutent aux lectrons majoritaires de la zone N. Une partie traverse la jonction en se recombinant avec les trous proches de la jonction ou en se dplaant de trou en trou pour revenir vers la source (ple +). En parallle, les trous majoritaires de la zone P se dplacent vers la zone N o ils se recombinent avec les lectrons libres rests dans cette zone. Il existe donc un courant de diffusion et un courant de recombinaison. Ce dernier reste prpondrant devant le courant de diffusion pour des tensions VD &lt; 0.4 V pour le silicium. Jonction polarise en inverse </p><p>P N</p><p>+ -VD</p><p>-ID IS</p><p> La jonction est polarise en inverse par une tension -VD (VD &gt; 0). Cette tension repousse les lectrons dans la zone N et les trous dans la zone P de la jonction. La rgion de dpltion slargit et le courant de diffusion devient nul. Les paires lectron-trou, dorigine thermique, constituent le courant de saturation IS, indpendant de lamplitude de la polarisation inverse. Ces charges minoritaires des zones P et N traversent la jonction, attires par les ples de la source. Caractristique de la diode La diode est un composant non-linaire dont la caractristique statique est la suivante : </p><p>ID</p><p>VD</p></li><li><p>Universit Paul Sabatier Electronique analogique - Cours </p><p>Sylvain Gronimi Page 5 Les diodes jonction </p><p>Zone 1 : courant de recombinaison TD</p><p>UV</p><p>D eI2 pour VVD 4.00 (silicium). </p><p>Zone 2 : courant de diffusion des porteurs prpondrant TD</p><p>UV</p><p>SD eII pour VVD 4.0&gt; . La tension de seuil V est voisine de 0.6 V pour le silicium 25C et son coefficient de temprature est ngatif ( )CmV /2.2 . Pour le Ge VV 25.0 , pour le GaAs VV 1&gt; . </p><p>Zone 3 : courant ID important cause du phnomne de forte injection des porteurs issus de la source. </p><p>Zone 4 : influence des contacts ohmiques et chutes de tension associes (coefficient de temprature positif dans cette zone). </p><p>Zone 5 : continuit mathmatique de la zone 2. Zone 6 : courant en inverse IS (double en valeur approximativement tous les 10C). Zone 7 : phnomne davalanche ayant deux causes possibles </p><p>- avalanche par effet Zener : lorsque les rgions P et N sont fortement dopes, la zone dplte devient trs troite et le champ lectrique au niveau de la jonction peut atteindre des valeurs trs leves et arracher des lectrons de valence, ce qui cre de nouveaux porteurs de charge. </p><p>- avalanche par ionisation : lorsque le champ au niveau de la jonction devient important, les porteurs minoritaires sont acclrs suffisamment pour pouvoir ioniser par chocs les atomes et crer aussi de nouveaux porteurs qui, leur tour, sont acclrs </p><p>La caractristique courant tension au sein dune analyse thorique scrira </p><p>= 1T</p><p>D</p><p>UV</p><p>SD eII </p><p>avec qTkUT = (tension thermique) o k : constante de Boltzman 1.38 10</p><p>-23 J/K, T : temprature de </p><p>la jonction en K, q : charge lmentaire 1.60 10-19 coulombs. A la temprature ambiante T 300K, ce qui donne environ UT 25 mV. La caractristique dpend donc de la temprature par le biais de UT et IS. Modles de la diode Notion de droite de charge Soit le circuit diode avec )()(</p><p>0tvVtv eEE += </p><p> loi de la maille )()()( tvtvtv RDE += avec )()( tvVtv dDD o += et )()( tiIti dDD o += En rgime continu, on est conduit rsoudre le systme dquations : </p><p>+=</p><p>=</p><p>DDE</p><p>UV</p><p>SD</p><p>VIRV</p><p>eII</p><p>o</p><p>T</p><p>D</p><p>1 (caractristique de la diode et loi de la maille) </p><p>vE (t) R </p><p>D</p><p>vD (t) vR (t) </p><p>iD (t)</p></li><li><p>Universit Paul Sabatier Electronique analogique - Cours </p><p>Sylvain Gronimi Page 6 Les diodes jonction </p><p>Cest un systme dquations non-linaires, mais on peut procder graphiquement en dfinissant la droite de charge. </p><p>RV</p><p>VR</p><p>I EDD01 += </p><p> La solution du problme est donne par le point dintersection (</p><p>oo DD IV , ) de la droite de charge et de la caractristique de la diode. Ce point est appel point de repos ou point de fonctionnement. De faon gnrale, il y a variations du point de fonctionnement du circuit lorsque </p><p>0EV et R varient. </p><p>Lorsque oEV crot, DI crot. A remarquer que pour de petites variations de )(tvE , la partie de la </p><p>caractristique de la diode est presque linaire, mais pour de grandes variations de )(tvE , la partie de la caractristique est non linaire. Il sensuit des tudes aux forts et aux faibles signaux. Reprsentation en rgime continu et pseudo-continu La mthode de travail consiste modliser le composant par une caractristique linaire par morceaux. On remplace donc le modle mathmatique par une caractristique adapte au problme pos. Suivant le cas, la rsistance en direct et/ou la tension de seuil de la diode peuvent influencer ou non la rponse temporelle du circuit. La diode est quivalente une tension de seuil V en srie avec dR en direct, soit </p><p>+=</p><p>=</p><p>+</p><p>=</p><p>VtiRtvtiRtvRRVtv</p><p>ti</p><p>DdD</p><p>DR</p><p>d</p><p>ED</p><p>)()()()(</p><p>)()(</p><p>Rgime continu VVtv oEE &gt;=)( ( 0)( =tve ) ( )</p><p>( )</p><p>+</p><p>+</p><p>+</p><p>+</p><p>VVRR</p><p>RVV</p><p>VVRR</p><p>RV</p><p>RRVV</p><p>I</p><p>oo</p><p>oo</p><p>o</p><p>o</p><p>Ed</p><p>dD</p><p>Ed</p><p>R</p><p>d</p><p>ED</p><p> Rgime pseudo-continu tVtv eE sin)( = ( 0=oEV ) Calculons les valeurs des variables point par point pour VtvE &gt;)( (diode passante), par exemple pour le point eE Vtv =)( , valeur positive crte du sinus. </p><p>vR(t)</p><p>vD(t)</p><p>V iD(t)Rd</p><p>Rve(t)</p></li><li><p>Universit Paul Sabatier Electronique analogique - Cours </p><p>Sylvain Gronimi Page 7 Les diodes jonction </p><p>( )</p><p>( )</p><p>+</p><p>+</p><p>+</p><p>+</p><p>VVRR</p><p>RVV</p><p>VVRR</p><p>RV</p><p>RRVV</p><p>I</p><p>ed</p><p>dD</p><p>ed</p><p>R</p><p>d</p><p>eD</p><p>max</p><p>max</p><p>max</p><p> Application : simulation du circuit diode 1N4148 </p><p> )()( tvVtv eEE o += , VV oE 0= </p><p> f = 50 Hz </p><p>ttvE sin100)( = R = 1 k </p><p> ( de RRVV &gt;&gt;&gt;&gt; et ) </p><p>ttvE sin2)( = R = 10 </p><p> Application : simulation pour redressement sur charge capacitive </p><p>V VD </p><p>ID </p><p>1/Rd</p><p>VD</p><p>ID</p><p>0 V</p><p>Rd </p><p>Time</p><p>0s 10ms 20ms 30ms 40msVE(t) VR(t) VD(t)</p><p>-100V </p><p>0V</p><p>100V</p><p>VR=0VD=0</p><p>VD=VE</p><p>VR=VE</p><p>VE &gt;0</p><p>VE Vseuil</p><p>VE &lt; Vseuil</p><p>de seuil tension </p><p>VR</p><p>VD</p><p>VE </p><p>0</p><p>TX1</p><p>VE</p><p>FREQ = 50Hz VAMPL = 220V VOFF = 0V </p><p>C1</p><p>10u </p><p>D1</p><p>D1N4002R110k</p><p>R1</p><p>1</p><p>0</p><p>vE R </p><p>D</p></li><li><p>Universit Paul Sabatier Electronique analogique - Cours </p><p>Sylvain Gronimi Page 8 Les diodes jonction </p><p>riCT</p><p> Rponse temporelle avec conditions initiales nulles </p><p> Reprsentation en rgime dynamique aux faibles signaux Cest le cas o lamplitude du signal )(tvE est petite comparativement au niveau de polarisation. </p><p>La caractristique courant-tension scrit en direct TD</p><p>UV</p><p>SD eII avec TD UV &gt;&gt; . Cette quation est utilise en rgime linaire autour du point de repos (</p><p>oo DD IV , ). On remplace la diode par sa rsistance </p><p>dynamique dr en faibles signaux. </p><p>oDD</p><p>T</p><p>D</p><p>oDD</p><p>II</p><p>T</p><p>UV</p><p>S</p><p>IID</p><p>D</p><p>d UeI</p><p>VI</p><p>r=</p><p>=</p><p>=</p><p>=1 </p><p>0D</p><p>Td I</p><p>Ur = </p><p> Ces rsultats sont obtenus si la frquence de lexcitation sinusodale est suffisamment petite pour que leffet de charge emmagasine dans la diode soit ngligeable. Aux frquences dites hautes, on obtient les modles faibles signaux suivants : Polarisation directe Polarisation inverse CD : capacit de diffusion CT : capacit de transition </p><p>rdCD</p><p> Time </p><p>0s 10ms 20ms 30ms 40msvE(t) vR(t)</p><p>-20V</p><p>0V</p><p>20V</p><p>diode passante</p><p>diode bloque</p><p>de la diodetension de seuil</p></li><li><p>Universit Paul Sabatier Electronique analogique - Cours </p><p>Sylvain Gronimi Page 9 Les diodes jonction </p><p> Application : circuit diode rsistance avec VVoE 5= , ( )ttve = sin2.0)( , = kR 1 , kHzf 1= </p><p> Rgime continu (caractristique linarise de la diode VV 6.0= , = 5.0dR ) </p><p>mARRVV</p><p>Id</p><p>ED</p><p>o</p><p>o4.4</p><p>+</p><p>= VIRV</p><p>oo DR 4.4= </p><p> Rgime dynamique (faibles signaux aux frquences moyennes) </p><p>= 8.5oD</p><p>Td I</p><p>Ur ttvrR</p><p>Rtv ed</p><p>r sin199.0)()( += </p><p> soit ttvR sin199.04.4)( + en volts </p><p>Diodes utilises en avalanche On sintresse ici aux diodes stabilisatrices de tension ou diodes zener. Ces diodes sont prvues pour travailler en polarisation inverse, dans leur zone davalanche non destructrice, condition de respecter la limite en puissance (sinon il y a claquage de la jonction). La tension zener est spcifie pour un courant ZTI et une temprature T donns. Le courant maximum admissible ZMI en rgime permanent est li la puissance que peut dissiper la diode, pour une temprature ambiante fixe. </p><p>ZMZZM IVP = </p><p> La rsistance dynamique rz est plus faible que rd. Elle permet une bonne stabilit de la tension. Comme pour une diode classique, on peut transformer la caractristique statique en caractristique linarise par morceaux. </p><p> Application : principe de stabilisation dune tension (voir Problmes ) </p><p>rz = V/I</p><p>rd = V/I </p><p> - VZ0</p><p>- IZM</p><p>- IZT </p><p>ID</p><p>VD</p><p>ID</p><p>VD</p></li><li><p>Universit Paul Sabatier Electronique analogique - Cours </p><p>Sylvain Gronimi Page 10 Le transistor effet de champ </p><p>Le transistor effet de champ Prsentation Il existe deux types de transistor effet de champ (Field Effect Transistor), savoir le MOSFET et le JFET. Sa fabrication est souvent plus simple et son encombrement sur une puce infrieur celui dun transistor bipolaire jonctions. La grand...</p></li></ul>