60
11/09/01 Cours d ’électronique analogique 1

11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

  • Upload
    haxuyen

  • View
    247

  • Download
    1

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 1

Page 2: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2

SEMICONDUCTEURSXV – L’amplificateur opérationnel parfait

+

-

A V2Zediff

Ze

Zsortie

•Gain en tension infini•Impédance d’entrée différentielle, Zediff infinie•Impédance d’entrée Ze infinie•Impédance de sortie nulle

~ 103 à 106

~ 104 à 109

~ 104 à 109

≤≤≤≤ 100 Ω

Page 3: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 3

REACTION ET CONTRE REACTIONI – BOUCLE OUVERTE - BOUCLE FERMEE

AmplificateurGain : A

Considérons un amplificateur Aamplificateur A

Source

qui est attaqué par une source Ssource S

Charge

un circuit de charge Ccircuit de charge C :

et qui attaque lui-même

S1 S2

Ce montage est dit en boucle ouverte

S1 est le signal en entrée de l’amplificateurS2 est le signal en sortie de l’amplificateur

12S.AS ====

Page 4: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 4

REACTION ET CONTRE REACTIONI – BOUCLE OUVERTE - BOUCLE FERMEE (suite)

Mais, …le gain de l’amplificateur peut varier à cause de différents paramètres extérieurs

• Température,• Dérive des tensions d’alimentation,• Changement d’un composant,• Etc…

Il faut donc trouver le moyen de stabiliser le gain de l’amplificateur. Le moyen le plus simple consiste à réinjecter une partie du signal de sortie, S2, en entrée de l’amplificateur (c’est à dire sommer cette partie de S2 avec S1).

On dit alors que l’on opère une réaction de la sortie sur l’entréeune réaction de la sortie sur l’entrée (on parle aussi d’asservissement de l’entrée par la sortie).

Le système est dit alors en boucle fermée

Page 5: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 5

REACTION ET CONTRE REACTIONI – BOUCLE OUVERTE - BOUCLE FERMEE (suite)

Deux cas se présentent alors :

1. Le signal réinjecté à l’entrée est en phase avec le signal d’entrée, on parle alors de réaction positiveréaction positive (que l’on désignera tout simplement par réaction). Nous verrons par la suite que la réaction est à l’origine de la conception des oscillateurs.

2. Le signal réinjecté à l’entrée est en opposition de phase avec le signal d’entrée, on parle alors de réaction négativeréaction négative (que l’on désignera plus simplement par contre-réaction

AmplificateurGain : ASource S Charge C

S2=A.S1S1=S - Sr

BSr = B.S2

S2 B est le gain de la chaîne de contre-réaction.B comme A peut être réel ou complexe

Page 6: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 6

REACTION ET CONTRE REACTIONI – BOUCLE OUVERTE - BOUCLE FERMEE (suite)

Dans le système contre-réactionné le gain global, comme nous allons le voir, est différent du gain de l’amplificateur utilisé seul. Nous avons en effet :

2r1S.BSSSS −−−−====−−−−====

12S.AS ==== )BSS.(AS

22−−−−====

AB1A

SS

A 2CR ++++========

Si A varie de ∆A alors : 2CR )AB1(AA

++++∆∆∆∆====∆∆∆∆ Soit : A

AAB11

AA

CR

CR ∆∆∆∆++++====

∆∆∆∆

Donc le système contre-réactionné est beaucoup plus stable (division par (1+AB)) que le système en boucle ouverte, mais le gain obtenu est plus faible. Il faut donc qu’au départ le gain de l’amplificateur soit très grand (c’est d’ailleurs pour cela que l’on utilise très souvent de amplificateurs opérationnels dont le gain peut dépasser les 105).

Page 7: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 7

REACTION ET CONTRE REACTIONI – BOUCLE OUVERTE - BOUCLE FERMEE (suite)

On peut alors définir le facteur de sacrifice (ou taux de rétroaction) comme étant le rapport de A à ACR soit :

AB1AASCR

++++========

Nous allons voir maintenant les différentes possibilités de contre-réaction. Pour ce faire nous allons utiliser une représentation quadripolaire en considérant les différentes possibilités d’association du quadripole amplificateur et du quadripolecontre-réaction. Nous avons ainsi quatre possibilités d’association :

• Association série• Association parallèle• Association série-parallèle• Association parallèle-série

Page 8: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 8

REACTION ET CONTRE REACTIONII – BOUCLE FERMEE – Contre réaction

II – 1 Montage série-parallèle (tension – tension)i2

A

B

Rg

Eg

Rc

i1

V1

VCR V2

V2e

i1

CR1VVe −−−−====

2CRV.BV ====

)V.BV.(A)VV(Ae.AV21CR12

−−−−====−−−−========

AB1A

VV

A1

2CR ++++========

Gain

Impédance d’entrée 1eI.Ze ==== 1e1

I.ZVCR

====

)AB1.(eV.BeVeV2CR1

++++====++++====++++====

)AB1(ZIV

Ze

1

1e

CR

++++========

Impédance de sortie

AB1Z

Z ss

CR ++++====

Page 9: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 9

REACTION ET CONTRE REACTIONII – BOUCLE FERMEE – Contre réaction

II – 1 Montage série-parallèle (tension – tension) – Quelques exemples

A – Suiveur de tension

12

1

2CR

VV

1A1A

AB1A

VV

A

====

====++++====++++========

====

10

R1T

1

====

00

01T

2

+

-A

B = 1

V1

V2

V0R

====××××

00

01TT

21

Page 10: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 10

====

10

R1T

1

====

00

0A1

T CR2

REACTION ET CONTRE REACTIONII – BOUCLE FERMEE – Contre réaction

II – 1 Montage série-parallèle (tension – tension) – Quelques exemples

B – Amplificateur non inverseur

+

-A

V1

V2

V0

R1R2VCR

21

1RR

RB ++++====

R

1

21

1

2CR R

RRAB1

AVV

A++++

====++++========

====××××

00

0A1

TT CR21

Page 11: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 11

i2

A

B

RgEg Rc

ie

V1

VCR V2

V2

i1

iCR

REACTION ET CONTRE REACTIONII – BOUCLE FERMEE – Contre réaction

II – 2 Montage parallèle-parallèle (courant – tension)

CR1eIII −−−−====

2CRV.BI ====

e2I.AV ====

AB1A

IV

A1

2CR ++++========

Gain

B est une admittance et A une résistance

ee1eCR1I.ZI.ZV ========Impédance d’entrée

ee

eZAB1

ZZ

CR

<<<<<<<<++++==== Impédance de sortie

AB1Z

Z ss

CR ++++====

Page 12: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 12

C’est comme si l’on avait une masse virtuelle sur l ’entrée inverseuse

Convertisseur Courant-tension

REACTION ET CONTRE REACTIONII – BOUCLE FERMEE – Contre réaction

II – 2 Montage parallèle-parallèle (courant – tension)

Un exemple

-

+AV1 V2

R2

IeI1

ICR

12CR212

CR21

CR21

2CR21

IRIRAVV

1AIR

V

IR)1A(V

VIRV

−−−−====−−−−≅≅≅≅−−−−====

++++====

====++++

−−−−====−−−−

−−−−

−−−−====

0R1

0A1

2T

2

Page 13: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 13

REACTION ET CONTRE REACTIONII – BOUCLE FERMEE – Contre réaction

====

10

R11T 1

−−−−

−−−−====

0R1

0A1

T

2

2

-

+AV1 V2

R2

V0R1

IeI1

ICR

x

(((( ))))

−−−−

++++−−−−====××××====

0R1

02R1R

A1

2T1TT

2

11

22

VRR

V −−−−≅≅≅≅

II – 2 Montage parallèle-parallèle (courant – tension)

Un autre exemple:

Page 14: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 14

REACTION ET CONTRE REACTIONII – BOUCLE FERMEE – Contre réaction

II – 3 Montage série -série (tension – courant)i2

A

B

Rg

Eg

i1

V1

VCR

V2

e

i1i2 Rc

Gain CR1VeV ++++====

2CRI.BV ==== e.AI

2====

AB1A

VI

A2

2CR ++++========

Impédance d’entrée

1e1I.ZV

CR

====1e

I.Ze ====

)AB1.(ZZee

CR

++++====

Impédance de sortie

)AB1.(ZZss

CR

++++====

Page 15: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 15

REACTION ET CONTRE REACTIONII – BOUCLE FERMEE – Contre réaction

II – 4 Montage parallèle-série (courant – courant)i2

A

B

V2i2 Rc

RgEg

ie

V1

VCR

i1

iCR

Gain

CR1eIII −−−−====

e2I.AI ====

2CRI.BI ====

AB1A

II

A1

2CR ++++========

Impédance d’entrée

1e1I.ZV

CR

====ee1

I.ZV ====

ee

eZAB1

ZZ

CR

<<<<<<<<++++====

Impédance de sortie

Zs)AB1.(ZZss

CR

>>>>>>>>++++====

Page 16: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 16

REACTION ET CONTRE REACTIONII – BOUCLE FERMEE – Contre réaction

II – 5 Les différents montages à amplificateurs opérationnels

e1

2S

V)RR

1(V ++++====

A – Suiveur de tension

-

+Ve

VS

R

eSVV ====

B – Amplificateur non inverseur

-

+

R1R2

Ve

VS

R’

Page 17: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 17

REACTION ET CONTRE REACTIONII – BOUCLE FERMEE – Contre réaction

II – 5 Les différents montages à amplificateurs opérationnels

C – Sommateur non inverseur

Ve1

R1R2

VS

-

+

Ve2

Ve

22Ve1Ve

22Ve1Ve1VeI'R1VeVe

I'R.2VV2e1e

++++====−−−−−−−−====−−−−====

====−−−−

2VV

)RR

1(V 2e1e

1

2S

++++++++====Donc :

Et plus généralement si l’on a n entrées et n tensions d’entrée Vei :

nV

)RR

1(V

n

1i ei

1

2S

∑∑∑∑++++==== ====

R'

R'

Page 18: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 18

REACTION ET CONTRE REACTIONII – BOUCLE FERMEE – Contre réaction

II – 5 Les différents montages à amplificateurs opérationnels

D – Amplificateur inverseur

-

+

R1R2

Ve

VS

R’

e1

2S

VRR

V −−−−====

Masse virtuelle à l’entrée :

IRV

IRV

1e

2S

====

−−−−====

E – Sommateur inverseur

-

+

R2

VS

R1Ve1

R’

R1

Ve2

1

2e2

1e1

RV

I

1RV

I

====

====21

III ++++==== )VV(RR

V2e1e

1

2S

++++−−−−====

Et plus généralement :

∑∑∑∑−−−−========

n

1i ei1

2S

VRR

V

Page 19: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 19

REACTION ET CONTRE REACTIONII – BOUCLE FERMEE – Contre réaction

∫∫∫∫−−−−====t

0 eSdt)t(VRC

1V

Masse virtuelle à l’entrée :

)t(iR)t(V

dt)t(iC1)t(V

1e

t

0S

====

∫∫∫∫−−−−====

II – 5 Les différents montages à amplificateurs opérationnels

E – Intégrateur

-

+

R1C

Ve

VS

R’

E – Dérivateur

-

+

R2

Ve

VS

R’

C

dt)t(dV

C)t(i

)t(Ri)t(V

e

S

====

−−−−====

dt)t(dV

RCV eS

−−−−====

Page 20: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 20

REACTION ET CONTRE REACTIONIII – BOUCLE FERMEE – Réaction positive - Oscillateurs

Il existe différent types d’oscillateurs :

Oscillateurs à résistance différentielle négative. Il s’agit de circuits oscillants dont les pertes sont compensées par un amplificateur formé d’un dipole à résistance différentielle négative.

Oscillateurs à amplificateur réactionné. Il s’agit d’amplificateurs sur lesquels on opère une réaction de la sortie sur l’entrée c’est à dire que le signal de sortie est en phase avec le signal d’entrée.

Quel que soit le type d’oscillateurs, le principe de fonctionnement est le même à savoir que la source initiale qui va donner naissance aux oscillations est le bruit électronique (bruit blanc) présent dans le circuit. Un circuit accordé sélectionne dans ce bruit une fréquence particulière que l’amplificateur en aval du circuit accordé va se charger d’amplifier. Ce signal amplifié puis a nouveau filtré par le circuit accordé est alors réinjecté, en phase avec le signal initial, à l’entrée de l’amplificateur (réaction positive).

Page 21: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 21

Amplificateur Gain : A Charge C

S2=A.S1S1=S + Sr

Circuit accordé Gain BSr = B.S2

S2

B est le gain de la chaîne de réaction.B comme A peut être réel ou complexe

REACTION ET CONTRE REACTIONIII – BOUCLE FERMEE – Réaction positive - Oscillateurs

Comme on peut le voir sur ce schéma, pour que les oscillations naissent puis s’amplifient, il faut que le produit des gains A et B soit supérieur à 1. Les oscillations seront entretenues lorsque le produit des gains sera unitaire. C’est ce que l’on appelle la condition de BARKHAUSEN.

1AB ====

Page 22: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 22

REACTION ET CONTRE REACTIONIII – BOUCLE FERMEE – Réaction positive - Oscillateurs

Ainsi :•Si AB<1 les oscillations ne peuvent prendre naissance et si elles existent elles s’amortiront•Si AB>1 l’amplitude des oscillations aura tendance à croître et ne sera limitée que par la non linéarité du système d’amplification.

Différents types d’oscillateurs

Oscillateur à résistance négative

Diode tunnel, thyratron, …

T1

R1

R2

R3

R4 C1

C2 C3 C4C5 R

5

R6

R7

Oscillateur àréseau déphaseur

Page 23: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 23

REACTION ET CONTRE REACTIONIII – BOUCLE FERMEE – Réaction positive - Oscillateurs

Différents types d’oscillateurs (suite)

IOP1

R1

R2

R3

P1

C2

R4 C1

-

+

Oscillateur à réseau déphaseur sélectif

T1

L2

R2

R3

R4

C1

L1

L3

C2

C3

V1C4

1 - HARTLEY

Oscillateur à transistors

T1

L2

R2R3

R4C1C3

V1C4 C5

C6

L1

2 - COLPITTS

Page 24: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 24

REACTION ET CONTRE REACTIONIII – BOUCLE FERMEE – Réaction positive - Oscillateurs

Différents types d’oscillateurs (suite)

Oscillateur à transistors (suite)

T1

L1

L2C1

C2

C4

R1 C3

R2

R3

C5

3 - CLAPP

T1

L1

R1 C3

R2

R3

C4

C2

C1

Qua

rtz

4 - QUARTZ

Page 25: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 25

REACTION ET CONTRE REACTIONIII – BOUCLE FERMEE – Réaction positive - Oscillateurs

Oscillateur à transistors - Calculs

i

i1

i2Z2 (L)

Z1(C1)

Z3(C2)

V1 V2

(((( ))))

32

12

232111

21

ZZv

i

i.ZZiZv

iii

++++====

++++========

++++====

32

13232 ZZ

vZiZv

++++========

Dans le cas du montage COLPITTS

ωωωω====

ωωωω====

ωωωω====

23

2

1

jC1Z

jLZ

jC11Z

1LCV

V 22

12 −−−−ωωωω−−−−====

A la résonance A la résonance ::

2

1

1

2

2

112

21

21

2

CC

vv

B

CCv

v

CCCC

L1

−−−−========

−−−−====

++++

====ωωωω

D’autre part :

e11

ChR

Aββββ

−−−−====

Et donc :

1

2CC

e11hRC

B1A

≥≥≥≥ββββ

≥≥≥≥

Page 26: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 26

Zone déplétée

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP (FET)

I – LES FET A JONCTION

Contact

Contact

+

-

N

Source

Drain Barreau de silicium dopé

P P-

+

Grille

Symbole Ne fonctionne que pour VGS<0

B – LE FET A JONCTION DE CANAL P

Zone déplétée

P

N N

Grille

Contact

Contact

Source

Drain Barreau de silicium dopé

Symbole

Fonctionne pour VGS>0

A – LES FET A JONCTION DE CANAL N

Page 27: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 27

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPC – LE FONCTIONNEMENT DU FET A JONCTION

P P

G

S

D+

-

ID

VDSID

VDS

IDSS

VP

Tension de pincement

VDSmax

- 10 à

20 V

P PG

Source

Drain

VDD=0

P PG

Source

Drain

VDD=VP

P PG

Source

Drain

VP<VDD<VDSmax

IDSS = courant-drain sourcegrille court-circuitée

i – Grille court-circuitée

Page 28: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 28

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPC – LE FONCTIONNEMENT DU FET A JONCTION

ii – Grille polarisée

P P-

+

G

Contact

S

D+

-

IG

VGS1VGS2

ID

VDS

IDSS

VPTension de pincement

VGS = VGS0Tension de blocage

VGS=0

0GSPVV ====

Extension de VGS et ID :

VGS0<VGS<00<ID<IDSS

JFEToperation

Page 29: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 29

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPC – LE FONCTIONNEMENT DU FET A JONCTION

ii – Grille polarisée (suite)

IB

VBE

IC

VBE

Rappel transconductance d’un transistor bipolaire

Résistance d’entrée des FET à jonction :

G

GSentrée I

VR ==== Exemple : IG = 1nA pour VGS = -15V

Rentrée ~15000 MΩ

Pas beaucoup de sens de parler de gain en courant comme pour les transistors bipolaires

On préfère parler de trans-conductance, c’est à dire exprimer le courant de sortie en fonction de la tension d’entrée

Pour le FET :2

0GS

GSDSSD V

V1.II

−−−−====

Page 30: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 30

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPC – LE FONCTIONNEMENT DU FET A JONCTION

ii – Grille polarisée (suite)

0VGS0VGS

ID

IDSS

Caractéristique quadratique

01 1

23 4

1 4

0

1

1/16

1/4

9/16 --> ID ~1/2 I DSS

VGSVGS0

IDIDSS

Caractéristique de transconductance normalisée

Page 31: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 31

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPC – LE FONCTIONNEMENT DU FET A JONCTION

iii – La polarisation standard du FET à jonction en classe A

4V

V2I

I 0GSGS

DSSD

==== →→→→≈≈≈≈

Tansconductance (mho ~1/Ω))VV

1(VI2

dVdI

VI

g0GS

GS

0GS

DSS

GS

D

GS

Dm

−−−−−−−−==== →→→→∆∆∆∆∆∆∆∆

====

:vientilVI2

g:posantEn0GS

DSS0m

−−−−====

−−−−====

0GS

GS0mm V

V1.gg

Résistance différentielle de drain (rDS)csteVD

DSDS

GSI

Vr

====

∆∆∆∆

∆∆∆∆====

Si VDS>VP, rDS ~ 1kΩ à 1MΩ On donne en général : DS

OS r1g ====

Page 32: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 32

• La capacité MOS

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPII – LE MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ~ FET à grille isolée

http://www.univ-lille1.fr/eudil/bbsc/sc00a.htm

http://jas2.eng.buffalo.edu/applets/education/mos/mosCap/biasBand10.html

Page 33: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 33

La capacité MOS

Mét

al

SiO

2

Silic

ium

Dop

éP

V

Mét

al

SiO

2

Silic

ium

Dop

éP

Mét

al

SiO

2

Silic

ium

Dop

éP

VV

Mét

al

SiO

2

Silic

ium

Dop

éP

+ -

Zone

dépl

étée

W

+++

V W

V

Mét

al

SiO

2

Silic

ium

Dop

éP

+ -

Zone

dépl

étée

W

+++

V W

V

Régime de déplétionM

étal

SiO 2

Silic

ium

Dop

éP

+ -

Zone

dépl

étée

Wmax

+++

V W=Wmax

V

Couche d’inversion

Mét

al

SiO 2

Silic

ium

Dop

éP

+ -

Zone

dépl

étée

Wmax

+++

V W=Wmax

V

Couche d’inversion

Régime d’inversion

Page 34: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 34

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPII – LE MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ~ FET à grille isolée

A l’inverse du FET à jonction, le MOSFET, parce que la grille est isolée, peut travailler avec un VGS >0 ou un VGS <0 à savoir travailler dans les deux régimes que sont :

PN N

Grille

DrainSource

Substrat

ContactContact

Métal

Isolant = oxyde

P

Constitution du MOSFET

LA DEPLETIONLA DEPLETION L’ENRICHISSEMENTL’ENRICHISSEMENT= Accumulation= Accumulation

Page 35: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 35

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPII – LE MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ~ FET à grille isolée

A A –– LA DEPLETIONLA DEPLETION

PN N

-+

- +

G

DS

Métal

Silicium

------------------

++++++++++

Effet capacitif

Les charges -sont repoussées

PN N

G VGS1VGS2

VGS < 0

P VGS2<VGS1

Le canal a tendance à devenir isolant

Page 36: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 36

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPII – LE MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ~ FET à grille isolée

B B –– L’ENRICHISSEMENTL’ENRICHISSEMENT

PN N

-

+

- +

G

DS

La résistance du canal a tendance à diminuer

Métal

Silicium------------------

++++++++++

Effet capacitif

Les charges-

sont attirées dans le canal

Page 37: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 37

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPII – LE MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ~ FET à grille isolée

D D –– Résistance d’entrée du MOSFETRésistance d’entrée du MOSFET

Du fait de l’isolant (oxyde de silicium = SiO2) entre le silicium et le contact métallique la résistance d’entrée du MOSFET est très grande : ~ 104 à 106 MΩ

C C –– Symboles du MOSFETSymboles du MOSFETDrain

Source

Grille

Drain

Source

Grille

Page 38: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 38

DEPLETION

ENRICHISSEMENT

IDSS

VGSVGS0

ID

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPII – LE MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ~ FET à grille isolée

E E –– Caractéristiques du MOSFETCaractéristiques du MOSFET

ID

VDS

IDSS

VP

Tension depincement

VGS=VGS0

tension de blocage

VGS>0

VGS<0

VGS=0

0VGSou0VGSavec

VV

1II2

0GS

GSDSSD

<<<<>>>>

−−−−====

Page 39: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 39

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPIII – LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP, A GRILLE ISOLEE ET A REGIME D’ENRICHISSEMENT SEUL (en fait c'est le regime d'inversion)

A A –– PrincipePrincipe

Drain

Source

Grille Substrat

Oxyde

Métal

N

P

N

P

N

N

+ -

+ -

VDS

VGS

Le silicium prend un caractère de type N

B B –– SymbolesSymboles

Drain

SourceGrille

Drain

SourceGrille

Fabrication

Page 40: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 40

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPIII – LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP, A GRILLE ISOLEE ET A REGIME D’ENRICHISSEMENT SEUL

B B –– Caractéristiques et transconductanceCaractéristiques et transconductance

ID

VDS

VGS3

VGS1

VGS2

VGSseuil

VGS3 > VGS2 >VGS1 VGS seuil VGS

ID

ID0

VGS0

Estimation de la constante K

Equation caractéristique de le transconductance : 2GseuilGD

)VV(KI −−−−====

Page 41: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 41

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPIV – POLARISATION DES FET

A A –– FET à jonctionFET à jonction

Nous avons déjà vu que la polarisation la plus simple en classe A d’un FET à jonction correspond à : 2

II DSS

D≈≈≈≈

+

-

ID

V

RD

RG VGS RS VS=ID.RS

VDS

SDSGS

DSDDS

R.IVV

I).RR(VV

−−−−====−−−−====

++++++++====

Si ID augmente alors VS augmente, mais comme VGS = - VS, ID diminue alors.

4V

V2I

I 0GSGS

DSSD

==== →→→→≈≈≈≈

0mDSS

0GS

D

GSS g

1I2

VI

VR ====−−−−≈≈≈≈−−−−==== C’est la polarisation médianeC’est la polarisation médiane

Polarisation automatiquePolarisation automatique

Page 42: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 42

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPIV – POLARISATION DES FET

A A –– FET à jonctionFET à jonction

Polarisation automatique (suite)Polarisation automatique (suite)

Représentation générale de la polarisation automatique

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0.1 1 10

ID

IDSS

g m0R S

On a vu que la caractéristique de transconductance normalisée était sous la forme :

2

DSS

0mSD

DSS

D

SDGS

0m

DSS0GS

2

0GS

GSDSSD

I.2gRI

1II

R.IV

gI

2V

VV

1.II

−−−−====

−−−−====

−−−−====

−−−−====

Page 43: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 43

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPIV – POLARISATION DES FET

A A –– FET à jonctionFET à jonction

Polarisation par source de courantPolarisation par source de courant

RDID

-VEE

+VDD

IC

RE

Avec alimentation symétrique doubleAvec alimentation symétrique double

Il fautIC < IDSS

Le transistor bipolaire fixe le courant drain

RD

RB1

ID

+ V

IC

RE

RG

RB2

Avec alimentation simpleAvec alimentation simple

Page 44: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 44

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPIV – POLARISATION DES FET

B B –– MOSFETMOSFET

RG

RD

DEPLETION

ENRICHISSEMENT

IDSS

VGSVGS0

ID

Polarisation nulle VGS = 0 VDS = V – RD.IDSS

Page 45: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 45

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPIV – POLARISATION DES FET

C C –– Transistor FET à grille isolée et à enrichissement seul (réactiTransistor FET à grille isolée et à enrichissement seul (réaction de drain)on de drain)

VGS seuil VGS

ID

ID0

VGS0

RG

I

I = 0

VRG ~ 0

GSDSVV ====

Page 46: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 46

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPV – AMPLIFICATION DES FET

Comme dans le cas des transistors bipolaires il y a trois types de montages :

i. Source communeii. Drain communiii. Grille commune

i. Source commune

CDS

CGD

CGSCapacités parasites du FET

CGS RGS

CGD

CDSRDSVe Vs

Schéma équivalent

Page 47: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 47

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPV – AMPLIFICATION DES FET

i. Source commune (suite)

A basse fréquence le schéma équivalent devient :

.RGS RDS

V e V sg m

VG

S Dans le montage, la résistance de polarisation de drain est en parallèle avec RDS. Comme RDS est très grand, seule la résistance RD est à prendre en compte.

.

RGS RDSVe Vs

g mV

GS

RD

Donc si RD << RDS

Dme

S

DemDDs

R.gvv

R.v.gR.iv

====

========

Page 48: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 48

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPV – AMPLIFICATION DES FET

i. Source commune (suite)

Si l’on met une résistance de source, RS, le schéma équivalent devient :V

RGS

Ve Vs

g m.V

GS

RD

RS

GS

GSmDDDS

DSGSe

v.g.RI.Rv

I.Rvv

========

++++====

Sm

Dm

e

SR.g1

R.gvv

A ++++========

Page 49: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 49

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPV – AMPLIFICATION DES FET

i. Source commune (suite)

Caractéristique de transconductance normalisée.

On avait :2

0GS

GS

DSS

DVV

1II

−−−−==== et :

−−−−====

0GS

GS0mm V

V1.gg

Donc : 2

0m

m

DSS

Dgg

II

====

0.1

1

10

0.01 0.1 1 10ID

IDSS

gmgm0

Page 50: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 50

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPV – AMPLIFICATION DES FET

ii. Drain commun

+V

V s

Ve

ID

RS GSmD

DSs

DSGSe

v.gI

I.Rv

I.Rvv

====

====

++++====

Si gm.RS >> 1 A=1Sm

Sm

e

SRg1

R.gvv

A ++++========

Gain en tension

Page 51: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 51

LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPV – AMPLIFICATION DES FET

iii. Grille commune

S D

G RD

i e i D

VsVe

Dme

S

GSe

GSmDDDs

R.gvv

A

vv

v.g.RI.Rv

========

====

========

Impédance d’entrée en grille commune

mGSm

GS

e

ee

GSmDe

GSe

g1

v.gv

iv

Z

v.gii

vv

============

========

====

C’est donc une impédance très faible

Page 52: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 52

DIODE SHOCKLEY et THYRISTORI – Rappels sur jonction PN et Transistor

i. Jonction PN

e(V0+V)

+ -V

R

VR=0

WV

I=0

N

PAvalanche

+ -V

R

VR~VI≠≠≠≠0

WN

P

Page 53: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 53

+ -V’ ≠≠≠≠0

+ -V’’ ≠≠≠≠0

PN N

RcRbIb ≠≠≠≠0

IC ≠≠≠≠0

+ -V’=0

+ -V’’≠≠≠≠0

P

N

N

RcRb

VRC=0Ib ≠≠≠≠0

IC =0

+ -V’=0

+ -V ’’=0 RcRb

P

NN

Ib =0 IC =0

DIODE SHOCKLEY et THYRISTORI – Rappels sur jonction PN et Transistor

ii. Transistor NPN

Page 54: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 54

DIODE SHOCKLEY et THYRISTORII – Structure PNPN – Diode shockley

PP N N

+ -V =0I=0 R VR=0

Anode Cathode

PP N N

+ -V ≠≠≠≠0I≈≈≈≈0 R VR≈≈≈≈0

Anode Cathode

EQUILIBRE

POLARISATION DIRECTEEtat non passant

J1 J2 J3

Courant de minoritaires de la jonction J2J1 J2 J3

J1 et J3 polarisées en direct, J2 polariséeen inverse

Page 55: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 55

DIODE SHOCKLEY et THYRISTORII – Structure PNPN – Diode Shockley

PP N N

+ -V ≠≠≠≠0I≠≠≠≠0 R VR⇒⇒⇒⇒V

Anode Cathode

J1 J2 J3

POLARISATION DIRECTEEtat passant

Les trois jonctions J1 et J2 et J3 sont Polarisées en direct

AVALANCHE

Page 56: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 56

DIODE SHOCKLEY et THYRISTORII – Structure PNPN – Diode Shockley

i. Caractéristiques

+ sur région P

- sur région N

D V

I

Page 57: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 57

DIODE SHOCKLEY et THYRISTORII – Structure PNPN – Diode Shockley

ii. Equivalent transistor

P

N

P

N

P

N

Anode

Cathode

PNP

NPN

Page 58: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 58

DIODE SHOCKLEY et THYRISTORII – Structure PNPN – Diode Shockley

ii. Equivalent transistor (suite)

Dans ce montage les deux jonctions base-collecteur des deux transistors sont en inverse. Il n’y a pas de courant excepté le courant de fuite (de minoritaires) qui est très faible. Lorsque la différence de potentiel augmente, il se produit un phénomène d’avalanche qui se traduit par une brusque augmentation du courant collecteur des deux transistors et donc des courants de base. Ainsi, les deux transistors passent rapidement à saturation et la tension entre les deux émetteurs chute vers 0. Le système reste alors dans cet état passant. Le seul moyen de ramener le système dans l’état initial est de réduire la tension d’alimentation pour désaturer les deux transistors.

Page 59: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 59

DIODE SHOCKLEY et THYRISTORIII – Structure PNPN – Thyristor

P

N

P

N

P

N

Anode

Cathode

PNP

NPNGrille

Page 60: 11/09/01 Cours D ’électronique Analogique 1 - Umr 7325 · 11/09/01 Cours d ’électronique analogique 2 SEMICONDUCTEURS XV – L’amplificateur opérationnel parfait +-Zediff

11/09/01 Cours d ’électronique analogique 60

DIODE SHOCKLEY et THYRISTORIII – Structure PNPN – Thyristor

Lorsque une impulsion positive attaque la grille (c’est à dire la base du transistor NPN) celui-ci se met à conduire. La base du transistor PNP étant alors attaquée par ce courant, ce dernier se met à conduire entretenant ainsi la polarisation de base du transistor NPN. La tension aux bornes du sipositifconstitué des deux transsitors tend alors vers 0 (les deux transsitors sont alors saturés). Le seul moyen de ramener le système dans son état initial est de réduire le courant de manière à ramener les deux transistors dans l’état bloqué. On obtient cette réduction en réduisant la tension d’alimentation, comme pour la diode Shockley.

Un tel dispositif est aussi appelé bascule.Les grandeurs caractéristiques sont: • La tension de blocage direct,• Le courant de déclenchement, c’est à dire le courant qu’il faut appliquer à la

grille pour faire conduire le thyristor,• Le courant minimum de fonctionnement, c’est à dire le courant en dessous

duquel le thysristor retourne à l’état bloqué.