Chapitre 3 b : Les circuits (suite)

Chapitre 3 : Les circuits (suite) par Pierre Cornélis, ON7PC rue J. Ballings, 88 1140 Bruxelles Dans un document précédent nous avons vu
3.1. Les combinaisons de composants
3.2. Les circuits RLC série et parallèle
3.3. Les filtres
3.4. Les alimentations
nous continuons maintenant avec ....
3.5. Les amplificateurs
L'énergie captée par une antenne est excessivement faible. L'énergie
nécessaire pour faire fonctionner un haut parleur est plus importante.
C'est pourquoi dés les premiers temps de la radio on s'est préoccuper
d'amplifier des signaux. L'avènement de la triode (1907) puis celui du
transistor (1949) ont été les aubaines de la radio et de
l'électronique, car ces deux éléments sont les piliers de
l'amplification.
L'amplification est probablement la plus importante des fonctions
électroniques.
Mais on ne peut pas amplifier de façon infinie, sinon on risque l'auto
oscillation, on doit prendre des précautions de façons à ne pas
déformer le signal (c'est le problème de la distorsion).
On doit aussi veiller à ce qu'il n'y a pas plus de souffle sur le
signal (c'est le problème du bruit propre à chaque amplificateur et
celui du facteur de bruit qui en découle). 3.5.1. Principe de l'amplification 3.5.1.1. Principe de l'amplification avec un transistor bipolaire
Soit le montage à transistor de la figure ci-contre qui a pour but de
tracer les courbes caractéristiques. On peut tout d'abord tracer les caractéristiques IC (VCE) [1]. On garde IB
constant et on fait varier VCE (en faisant varier VCC par exemple) et on
relève la courbe IC (VCE). Puis on fait la même chose pour une autre valeur
de IB. On obtient ainsi un réseau de courbes. On peut aussi tracer la caractéristique IB(VBE) . Notons que cette
caractéristique ressemble à celle d'une diode. La troisième courbe dont nous avons besoin est IC (IB). Cette courbe fait
apparaître le rapport IC / IB que l'on appelle amplification en courant et
qui est représenté par ( ou par hFE. Remarquez qu'il ne s'agit pas d'une
droite ! Ordre de grandeur :
. pour les transistors pour les petits signaux 100 < ( < 500
. pour les transistors de puissance 10 < ( < 50
. pour les transistors Darlington 500 < ( < 30000 Ce montage nous a permis de relever les courbes caractéristiques du
transistor. Ces courbes se trouvent par ailleurs dans les "data sheet"
fournis par les fabricants. Modifions à présent le montage pour nous approcher d'un vrai montage
amplificateur. Tout d'abord on va mettre une résistance dans le collecteur.
Pour étudier le nouveau montage, on va tracer sur les courbes
caractéristiques une droite supplémentaire appelée droite de charge. Une
droite de charge n'est rien d'autre que l'expression la loi des mailles de
Kirchoff : VCE = VCC + Rc IC . Pour tracer la droite de charge, on prend deux points particuliers :
si Ic = 0 , alors VCE = VCC , soit VCC = 10 V
si VCE = 0 , alors IC = VCC / RC , si RC = 1 k? , alors IC = 10 mA Le point de fonctionnement (P) du transistor se trouve toujours sur cette
droite de charge. Le point de fonctionnement ne peut faire qu'une seule
chose : voyager sur la droite de charge ! Lorsqu'il n'y a pas de signal
d'entrée, le point de fonctionnement est appelé point de repos. Si l'on
veut une amplification linéaire et une tension de sortie maximale, on a
intérêt à placer le point de repos approximativement au milieu de cette
droite.
[pic]
Dans notre cas particulier avec VCC = 10 V et RC = 1 k?, nous avons fixé le
point de repos pour VCE = 6,4V, nous aurons un courant de collecteur IC =
3,5 mA et un courant de base IB = 110 µA A partir de ces courbes, nous pouvons expliquer le principe de
l'amplification. Si on applique sur la base un signal sinusoïdal de 60 mV crête soit 120 mV
crête à crête. La tension de base va varier de 0,2 V ± 0,6 V soit entre
0,14 et 0,26V. Le courant dans la base varier de 35 µA à 215 µA. Ce courant
va produire des variations du courant de collecteur de 1,1 à 6,5 mA qui à
son tour va produire une variation de VCE de 4 à 8,8 V soit une amplitude
de 4,8 V. A l'entrée il y avait 0,12 V, ce montage est donc un montage
amplificateur donc le gain (en tension) est de 40 x (4,8 / 0,12). Notez que,
. si la tension d'entrée augmente, la tension de sortie diminue. Ce
montage inverse donc la phase du signal.
. l'asymétrie entre les deux alternances Mais le montage est encore incomplet et nous devrons y apporter quelques
modifications pour pouvoir l'utiliser en pratique. On devra aussi prévoir
la polarisation du transistor c.-à-d. le moyen de fixer le point de repos.
Tout cela sera détaillé dans un autre paragraphe, il était important de
comprendre "le principe de l'amplification" expliqué sur les courbes
caractéristiques.
3.5.1.2. Principe de l'amplification avec un transistor FET
Ici aussi la première chose est de retrouver les courbes caractéristiques
du transistor FET. Soit donc un transistor FET (un J-FET dans ce cas)
alimenté comme ci-contre. Le courant de gâchette est extrêmement faible (de l'ordre de 1 nA) et nous
n'allons pas le mesurer. Remarquons aussi que, contrairement au transistor bipolaire, la gâchette
est polarisée par une tension négative. Traçons la courbe ID (VDS). On garde VGS constant et on fait varier VDS (en
faisant varier VCC par exemple) et on relève la courbe ID (VDS). Cette
courbe ressemble à la courbe IC (VCE) d'un transistor bipolaire. Ce qui est
fondamentalement différent c'est que dans un transistor bipolaire on fait
varier le courant de base Ib, tandis que dans un FET on fait varier la
tension entre gâchette et source ! D'une façon simplifiée on pourrait dire que le transistor bipolaire est
commandé en courant, alors qu'un transistor FET est commandé en tension !
Comme il n'y a presque pas de courant de gâchette, l'impédance d'entrée est
très grande. On peut aussi tracer la caractéristique ID (VGS). Le rapport ID / VGS
s'appelle transconductance et est représenté par gm . Cette
transconductance s'exprime en Siemens, et généralement en µS ou en mS[2].
Remarquez qu'il ne s'agit pas d'une droite ! Ordre de grandeur de g : |Transist|cana|type |VDSma|IDmax|g |
|or |l | |x | | |
|2N5459 |N |jonction |25 V |10 mA|6 mS |
|40673 |N |dual gate , |20 V |50 mA|12 mS |
| | |enhanc. | | | |
|BF245 |N |jonction |30 V |25 mA|3 à 6,5 |
| | | | | |mS |
|MPF102 |N |jonction |25 V |10 mA|2 à 7,5 |
| | | | | |mS | Ce montage nous a permis de relever les courbes caractéristiques du
transistor FET. Ces courbes se trouvent par ailleurs dans les "data sheet"
fournis par les fabricants. Modifions à présent le montage pour nous approcher d'un vrai montage
amplificateur. Tout d'abord on va mettre une résistance dans le drain. Pour
étudier le nouveau montage, on va tracer sur les courbes caractéristiques
une droite supplémentaire appelée droite de charge. Une droite de charge
n'est rien d'autre que l'expression la loi des mailles de Kirchoff : VDS =
VDD + RL ID . Pour tracer la droite de charge, on prend deux points particuliers :
si ID = 0 , alors VDS = VDD , soit VDD = 12 V
si VDS = 0 , alors ID = VDD / RL , si RL = 1 k? alors ID = 12 mA. Le point de fonctionnement (P) du transistor FET se trouve toujours sur
cette droite de charge. Lorsqu'il n'y a pas de signal d'entrée, le point de
fonctionnement est appelé point de repos. Si l'on veut une amplification
linéaire et une tension de sortie maximale, on a intérêt à placer le point
de repos approximativement au milieu de cette droite. Dans notre cas, le
point de repos est fixé à ID = 5,8 V et VDS = 7,2 V. Si maintenant on fait varier la tension d'entrée de 0,5 V (1 V crête à
crête) autour d'un point de repos P, le courant de drain va varier de 4,1
mA à 7,9 mA , ce qui va faire varier la tension de sortie de 4,8 à 9,2 V,
produisant une tension de sortie de 4,4 V crête à crête. [pic] Notez que
. si la tension d'entrée augmente, la tension de sortie diminue. Ce
montage inverse donc la phase du signal.
. l'asymétrie entre les deux alternances Mais le montage est encore incomplet et nous devrons y apporter quelques
modifications pour pouvoir l'utiliser en pratique. On devra aussi prévoir
la polarisation du transistor c.-à-d. le moyen de fixer le point de repos.
Tout cela sera détaillé dans un autre paragraphe, il était important de
comprendre "le principe de l'amplification" expliqué sur les courbes
caractéristiques.
3.5.1.3. Principe de l'amplification avec un tube
Ici aussi la première chose est de retrouver les courbes caractéristiques
du montage à tube. Soit donc une triode montée comme dans la figure ci-
contre. On peut tout d'abord tracer les caractéristiques Ia (Va). On garde IB
constant et on fait varier Va (en faisant varier Vb par exemple) et on
relève la courbe Ia (Va). Puis on fait la même chose pour une autre valeur
de Vg. On obtient ainsi un réseau de courbes. On peut aussi tracer la caractéristique Vg (Ia). Le rapport Ia / Vg
s'appelle pente du tube et est représenté par s La dernière courbe est appelée droite de charge, elle représente la loi des
mailles de Kirchoff : Va = Vb + Ra Ia . Pour la tracer, on prend deux
points particuliers :
si Ia = 0 , alors Va = Vb
si Va = 0 , alors Ia = Vb / Ra Le poi