electronique 2

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Electronique 1

(SP2 11-12)

CM Electronique 1 (SP2 11-12) 2/67

Sommaire

Sommaire ................................................................................................................................... 2 Chapitre 1. Quadriple, fonction de transfert, filtre et diagramme de Bode (2h) ...................... 5

1.1. Dfinition d'un quadriple............................................................................................... 5 1.2. Modles quivalents et identification des paramtres d'un quadriple ........................... 6

1.2.1. Modle quivalent en Z simplifi et identification des paramtres du quadriple .. 7 1.2.2. Association de quadriples....................................................................................... 8

1.3. Fonction de transfert d'un quadriple.............................................................................. 8 1.3.1. Dfinition de la fonction de transfert ....................................................................... 8 1.3.2. Formes explicites de la fonction de transfert ........................................................... 9 1.3.3. Forme canonique de la fonction de transfert ............................................................ 9

1.3.3.1. Dfinitions des paramtres caractristiques .................................................... 10 1.3.4. Exemple de calcul d'une fonction de transfert d'un circuit RC .............................. 11

1.4. Le filtre (lectronique) .................................................................................................. 12 1.4.1. Notion de filtrage ................................................................................................... 12 1.4.2. Classification des filtres ......................................................................................... 12

1.5. Diagramme de Bode...................................................................................................... 13 1.5.1. Dfinition du diagramme de Bode ......................................................................... 13 1.5.2. Exemple de diagramme de Bode d'une fonction de transfert d'un circuit RC ....... 14 1.5.3. Mthode de trac du diagramme de Bode (diagramme asymptotique).................. 15

1.5.3.1. Rsum de la mthode..................................................................................... 15 1.5.3.2. Application de la mthode au cas du circuit RC de la Figure 8 ...................... 15

1.5.4. Diagrammes de Bode des fonctions de transferts lmentaires ............................. 17 1.5.4.1. Fonction drivateur pur ................................................................................... 17 1.5.4.2. Fonction intgrateur pur .................................................................................. 17 1.5.4.3. Fonction passe bas du 1er ordre ....................................................................... 17 1.5.4.4. Fonction passe haut du 1er ordre...................................................................... 18 1.5.4.5. Fonction passe bas du 2ime ordre .................................................................... 18 1.5.4.6. Fonction passe haut du 2ime ordre .................................................................. 19 1.5.4.7. Quelques rgles de calculs .............................................................................. 20

1.6. Quiz sur les outils danalyse appliqus llectronique ............................................... 21 Chapitre 2. Diodes semi-conducteur et montages usuels (2h) .............................................. 22

2.1. Semi-conducteurs .......................................................................................................... 22 2.1.1. Description d'un semi-conducteur intrinsque ....................................................... 22 2.1.2. Description d'un semi-conducteur extrinsque de type n....................................... 23 2.1.3. Description d'un semi-conducteur extrinsque de type p....................................... 24 2.1.4. La jonction pn......................................................................................................... 25

2.2. Caractristiques lectriques de la jonction pn: La diode............................................... 26 2.3. Modles lectriques simplifis de la diode bipolaire .................................................... 29 2.4. Mthodes d'tude de circuits base de diodes (bases sur le 1er et 2ime modle)...... 29

2.4.1. Dtermination de l'tat d'une diode ........................................................................ 29 2.4.2. Dtermination de l'tat d'un rseau de diodes cathodes ou anodes communes ... 29 2.4.3. Dtermination de l'tat d'une diode dans un circuit complexe............................... 30

2.5. Montages usuels base de diodes ................................................................................. 30 2.5.1. Redressement double alternance (cf TD et TP) ..................................................... 30 2.5.2. Dmodulation AM.................................................................................................. 31 2.5.3. Anti-retour .............................................................................................................. 32 2.5.4. Ecrteur .................................................................................................................. 32 2.5.5. Protection de contact .............................................................................................. 32


2.6. Diodes spciales et applications.................................................................................... 32 2.6.1. Diode Zener (cf TP) ............................................................................................... 32 2.6.2. Diode Electroluminescente .................................................................................... 33 2.6.3. Photo Diode............................................................................................................ 34 2.6.4. Diode Schottky....................................................................................................... 34 2.6.5. Les diodes Varicap (ou varactor): diodes capacit variable ................................ 34 2.6.6. Les diodes PIN (P-Isolant-N)................................................................................. 35 2.6.7. Listing des diffrents types de diodes produites en 2007....................................... 35

2.7. Quiz sur les Diodes ....................................................................................................... 35 Chapitre 3. Transistors jonction (bipolaires) et montages usuels (+variantes) (2h).............. 37

3.1. La jonction npn (ou pnp)............................................................................................... 37 3.2. Caractristiques lectriques de la jonction npn: l'effet transistor.................................. 37

3.2.1. Caractristiques en mode F .................................................................................... 38 3.2.2. Caractristiques en mode R.................................................................................... 39

3.3. Zones de fonctionnement du transistor ......................................................................... 40 3.4. Montages usuels base de transistors ........................................................................... 42

3.4.1. Montages lmentaires du transistor ...................................................................... 42 3.4.2. Montage d'amplification......................................................................................... 44 3.4.3. Montage de commutation (blocage-saturation)...................................................... 45

3.5. Caractristiques techniques ........................................................................................... 46 3.5.1. Principaux paramtres lectriques d'un transistor .................................................. 46 3.5.2. Diversit de botiers et normes............................................................................... 47

3.6. Autres types de transistors............................................................................................. 47 3.6.1. Transistors effet de champ................................................................................... 47 3.6.2. Transistors Effet de Champ et jonction Bipolaire ............................................ 49 3.6.3. Transistors particuliers ........................................................................................... 49

3.7. Quiz sur les Transistors ................................................................................................. 49 Chapitre 4. Amplificateurs Oprationnels et montages usuels (2h)......................................... 51

4.1. Historique de lamplificateur oprationnel ................................................................... 51 4.2. Prsentation de lampli-op (Rappels) ............................................................................ 51

4.2.1. Technologie du LM 741......................................................................................... 51 4.2.2. Reprsentations symboliques ................................................................................. 52 4.2.3. Caractristique entre-sortie................................................................................... 53 4.2.4. Modle quivalent de lampli-op ........................................................................... 53

4.3. Lapproximation de lampli-op idal ............................................................................ 54 4.3.1. Modle quivalent de lampli-op idal................................................................... 54 4.3.2. Lampli-op idal en contre-raction: montages fondamentaux.............................. 55

4.3.2.1. Montages non inverseurs (Noninverting amplifier) ........................................ 56 4.3.2.2. Montage suiveur (unity gain follower)............................................................ 56 4.3.2.3. Montage inverseur (inverting amplifier) ......................................................... 57 4.3.2.4. Montage additionneur (adder) ......................................................................... 57

4.3.3. Filtres actifs base d'ampli-op idaux ................................................................... 58 4.3.3.1. Filtre passe-bas du 1er ordre (ou filtre 20 dB/dc = 6 dB/octave) ................ 58 4.3.3.2. Filtre passe-haut du 1er ordre (ou filtre 20 dB/dc = 6 dB/octave)............... 59

4.3.4. Lampli-op idal en rgime non linaire: montages fondamentaux....................... 59 4.3.4.1. Comparateurs zro........................................................................................ 59 4.3.4.2. Comparateurs rfrence non nulle................................................................ 60 4.3.4.3. Comparateurs hystrsis: Trigger de Schmitt............................................... 61

4.4. Quiz sur les AOPs ......................................................................................................... 63 Annexe: Tableau de correspondance entre les divers paramtres du quadriple..................... 64 Annexe: Valeurs efficaces et moyennes de signaux priodiques standards............................. 65


Annexe: Thorme de Millmann et mthode des noeuds ........................................................ 66 Rsum..................................................................................................................................... 67 Bibliographie............................................................................................................................ 67


Chapitre 1. Quadriple, fonction de transfert, filtre et diagramme de Bode (2h)

1.1. Dfinition d'un quadriple

Il peut tre parfois utile de modliser un composant ou un circuit (ensemble de composants) sous la forme de botes noires, dont on ne connatrait que les paramtres dentre/sortie. On peut ainsi dfinir le quadriple (Figure 1) comme tant un composant deux entres et deux sorties, permettant le transfert d'nergie entre deux diples (Le concept du quadriple a t introduit dans les annes 20 par le mathmaticien allemand Franz Breisig).

Quadriple v2(t):sortiev1(t):entrei2(t)i1(t)

optionneloptionnel

Figure 1: Reprsentation d'un quadriple (avec une convention gnrateur en sortie)

Le quadriple peut tre dfini par quatre grandeurs lectriques: une tension dentre v1(t), un courant dentre i1(t), une tension de sortie v2(t) et un courant de sortie i2(t). Les deux tensions v1(t) et v2(t) sont mesures par rapport des bornes de rfrence: une borne de rfrence lentre et une borne de rfrence en sortie. Dans la plupart des cas, ces deux bornes de rfrence nen forment quune seule et constituent la masse du circuit (le potentiel de rfrence). Lentre dun quadriple est alimente par un circuit amont (eg. un gnrateur), tandis que la sortie du quadriple alimente un circuit aval (eg. une charge). Ces circuits amont et aval peuvent galement tre des quadriples. Voici (Figure 2) quelques exemples de circuits lectriques que l'on peut apparenter des quadriples.

R1R2 v2(t)v1(t)

i2(t)i1(t)

Diviseur de tension

RC v2(t)v1(t)

i2(t)i1(t)

Circuit RC (Filtre passe bas)

R2R3

Eth(t)

i2(t)i1(t)

R1Rth

Rch

v1(t) v2(t)

Attnuateur en pi

R1R2

Eth(t)

i2(t)i1(t)Rth

Rch

v1(t) v2(t)

R3

Attnuateur en T

Figure 2: Exemples de circuits lectriques apparents des quadriples.


1.2. Modles quivalents et identification des paramtres d'un quadriple

Les tensions et les courants aux bornes du quadriple sont lis par des relations linaires ne dpendant que du quadriple. Ces relations peuvent videmment scrire de plusieurs faons en exprimant deux des grandeurs complexes V1, V2, I1 et I2 en fonction des deux autres. Les coefficients obtenus dans chaque cas sont appels paramtres du quadriple. Nous allons distinguer les diffrents types de paramtres (q. 1,q. 2,q. 3 et q. 4).

q. 1: Paramtres Y (admittance) ou en court-circuit

=

2

1

2221

1211

2

1

VV

.

YYYY

I-I

q. 2: Paramtres Z (impdance) ou en circuit ouvert

=

2

1

2221

1211

2

1

I-I

.

ZZZZ

VV

q. 3: Paramtres H (hybrides)

=

2

1

2221

1211

2

1

VI

.

HHHH

I-V

q. 4: Paramtres C (chane) ou matrice de transfert

=

2

2

2221

1211

1

1

IV

.

CCCC

IV

Il est souvent commode de remplacer le quadriple par un systme lectrique quivalent, construit partir de lun des jeux de paramtres prcdemment dfinis. Selon le jeu de paramtres utilis, on obtiendra lun des schmas lectriques quivalents ou modles lectriques quivalents de la Figure 3.

1/Y11 I2I1

V1 V2

1/Y22

Y12.V2 Y21.V1Paramtres Y

Y11 = 1/V1 lorsque V2 = 0 sortie en court-circuit

Y21 = 2/V1 lorsque V2 = 0

Y12 = 1/V2 lorsque V1 = 0 entre en court-circuit

Y22 = 2/V2 lorsque V1 = 0

I2I1

V1 V2Z22

-Z12.I2

Z11

Z21.I1

Paramtres Z

Z11 = V1/1 lorsque 2 = 0 sortie en circuit ouvert

Z21 = V2/1 lorsque 2 = 0

Z12 = V1/2 lorsque 1 = 0 entre en circuit ouvert

Z22 = V2/2 lorsque 1 = 0


I2I1

V1 V2

1/H22

H21.I1

H12.V2

H11

Paramtres H

H11 = V1/1 lorsque V2 = 0 sortie en court-circuit

H21 = 2/1 lorsque V2 = 0

H12 = V1/V2 lorsque 1 = 0 entre en circuit ouvert

H22 = 2/V2 lorsque 1 = 0

Figure 3: Diffrentes reprsentations d'un quadriple par des modles deux sources lies et mthodes d'identification des paramtres.

Dans la cadre de l'lectronique applique aux mesures physiques, on est souvent amen calculer ou mesurer l'impdance quivalente d'entre d'un circuit (eg. d'un circuit d'amplification d'un signal capteur) ainsi que le gnrateurs quivalent de Thvenin de sortie. Le modle en Z est vraisemblablement le plus adapt cette pratique.

1.2.1. Modle quivalent en Z simplifi et identification des paramtres du quadriple

Dans la plupart des cas, la source de tension qui compose le gnrateur de Thvenin d'entre du modle en Z est nulle. Nous serons donc frquemment amens utiliser le modle en Z simplifi et illustr par la Figure 4. On retrouve en entre l'impdance Z11 que l'on notera Ze (impdance d'entre q. 5 ou q. 6) et en sortie l'impdance Z22 que l'on notera Zs (impdance de sortie q. 8, q. 9 et q. 10) en srie avec un gnrateur de Thvenin tel que Vs0= Z21.Ie (q. 7).

IsIe

Ve VsZs = Z22Ze = Z11

Vs0 = Z21.I1Z12= 0

Figure 4: Modle quivalent en Z simplifi d'un quadriple

q. 5: Identification de l'impdance d'entre 0Ie

ee

s

IVZ

=

=

q. 6: Identification de l'impdance d'entre (en charge) e

eche I

VZ =

q. 7: Identification de la tension du gnrateur de Thvenin de sortie 0Iss0 sVV ==

q. 8: Identification de l'impdance de sortie (1er mthode) 0Is

ss

e

IVZ

=

=

q. 9: Identification de l'impdance de sortie (2nd mthode) 0Vs

s0s

s

IVZ

=

=

q. 10: Identification de l'impdance de sortie (3ime mthode) /2VV quand ZZ s0schs ==


1.2.2. Association de quadriples

Voici rsum (Figure 5) les principales topologies d'association de quadriple.

V'1

V2

V''1 V''2

V'2

I'1 I'2

I''1 I''2V1

I1 I2

Q'

Q''

Association srie

I1 = I'1 = I"1 I2 = I'2 = I"2 V1 = V'1 + V"1 V2 = V'2 + V"2 [Z] = [Z'] + [Z"]

V'1

V2

V''1 V''2

V'2

I'1 I'2

I''1 I''2V1

I1 I2

Q'

Q''

Association parallle

V1 = V'1 = V"1 V2 = V'2 = V"2 I 1 = I' 1 + I"1 I 2 = I' 2 + I"2 [Y] = [Y'] + [Y"]

V'1V'2

I'1 I'2I1 I''1

Q'V''1

V''2

I''2 I2

Q''

Association cascade

V"1 = V'2 I'2 = I"1 [C] = [C'] [C"]

Figure 5: Association de quadriples et loi remarquables.

1.3. Fonction de transfert d'un quadriple

1.3.1. Dfinition de la fonction de transfert

Les fonctions lectroniques traitent les signaux lectriques dans un vaste champ de frquence, de zro plusieurs dizaines de giga hertz. Pour caractriser la fonction opre par la structure lectronique sur le signal, il faut un paramtre qui permette de prvoir prcisment un signal d'entre ou de sortie "versus" un autre signal d'entre ou de sortie et ce quelque soit la frquence: on appelle cela la fonction de transfert du quadriple. On peut ainsi dfinir six rapports de transfert entre les grandeurs de sortie et celles de l'entre d'un quadriple que l'on exprime sous forme complexe (q. 11, q. 12, q. 13, q. 14, q. 15 et q. 16).

q. 11: Gain en tension e

sV V

VF = q. 12: Gain en courant e

sI I

IF =

q. 13: Trans-admittance e

sT V

IY = q. 14: Trans-impdance e

sT I

VZ =

q. 15: Admittance d'entre e

ee V

IY = q. 16: Impdance d'entre

e

ee I

VZ =

Dans le cadre de ce cours on utilisera essentiellement le gain complexe en tension qu'on notera simplement Fonction de Transfert H dpendante de la pulsation =2f du signal.


q. 17: Fonction de transfert (en tension) ( )e

s

e

s

VVjH encoreou

VVH ==

Cette fonction de transfert dpend forcment des composants qui constituent le quadriple (rsistances, capacits, inductances, transistors, ampli-op, etc).

Au-del du domaine physique de l'lectronique, on utilise galement cette fonction dans l'analyse des systmes continus SISO (single-input single-output), en traitement du signal, en thorie des communications et en automatique. En mathmatique on parle de transforme de Fourier de la rponse impulsionnelle vous dcouvrirai bientt l'indispensable concept de la transforme de Fourrier. 1.3.2. Formes explicites de la fonction de transfert

Ltude du module H() (q. 22) et de largument () (q. 23) de la fonction de transfert donne des informations utiles pour prvoir le comportement dun quadriple. En particulier, il sagit de prvoir l'amplitude et la phase de la sortie en fonction de la pulsation (donc la frquence) et/ou de lamplitude et/ou de la phase de lentre. Voici un rappel des diffrentes formes d'criture des nombres complexes dont fait partie la fonction de transfert H (q. 18, q. 19, q. 20 et q. 21).

q. 18: FT de forme classique ( )e

s

VVjH =

q. 19: FT de forme exponentiel (Euler) ( ) ( ) je.jHjH =

q. 20: FT de forme trigonomtrique ( ) ( ) )sin.(cosjHjH j+=

q. 21: FT de forme complexe algbrique ( ) )(.)(jH bja +=

q. 22: Module de la fonction de transfert ( ) )()(jH 22 ba += q. 23: Dphasage de la tension Vs par rapport Ve ( )( )

== )(

)(arctanjHarg

a

b

1.3.3. Forme canonique de la fonction de transfert

Pour des raisons de commodits les fonctions de transfert seront exprimes sous la forme canonique suivante (q. 24): q. 24: Ecriture gnrale d'une fonction de transfert, forme canonique

( )

= =

= =

+

++

+

++

==

M

m

N

nnmm

m

K

k

L

llkk

k

ppp

ppp

1 1

2

1 1

2

q

e

s

121

121

.p. VV

pH


CjpqRRo nlmkmk = ;*;,,,;,, On remarque que le module de H(j) est gal la somme des modules des termes

lmentaires en raison du logarithme. Il en va de mme pour la phase, cette fois en raison de la fonction argument, nous verrons un peu plus loin en quoi cela nous est utile.

1.3.3.1. Dfinitions des paramtres caractristiques

On appelle pulsation de coupure c d'une fonction de transfert H(j) du premier ordre (p la puissance 1), la pulsation pour laquelle le gain Hdb est tel que (q. 25) : q. 25: Dfinition de la pulsation de coupure d'une fonction de transfert du 1er ordre

dbdbdb HjHcjH 3max)2max)(log(20)( ==

(cf Application Numrique de l'q. 43) On appelle frquence de coupure d'une fonction de transfert H(j) du premier ordre, la

frquence associe la pulsation de coupure c tel que (q. 26) : q. 26: Dfinition de la frquence de coupure

pi 2/cfc =

On appel bande passante BP d'une fonction de transfert H(j), la gamme des frquences pour lesquelles le gain de la fonction de transfert est compris entre son maximum et -3db relatif

On appelle constante de temps d'une fonction de transfert H(j) du premier ordre, l'inverse de la pulsation de coupure c tel que (q. 27): q. 27: Dfinition de la constante de temps d'une fonction de transfert du 1er ordre

fcc pi 2/1/1 ==

On appelle gain statique H0 d'une fonction de transfert H(j), le gain lorsque la pulsation tend vers 0 (q. 28): q. 28: Dfinition du gain statique

000 )()( HpHjH p ==

On appelle facteur de mrite ou produit gain-bande d'une fonction de transfert H(j) de type passe bas, le produit caractristique tel que (q. 28): q. 29: Dfinition du facteur de mrite

ffjHfcHF .)2.(. 10 === pi

Ces paramtres caractristiques peuvent tre aisment identifis sur la base d'une fonction de transfert crite sous forme canonique (q. 30) :


q. 30: Rappel des principaux paramtres d'une fonction de transfert

( )

= =

= =

+

++

+

++

==

M

m

N

nnmm

m

K

k

L

llkk

k

ppp

ppp

1 1

2

1 1

2

q

e

s

121

121

.p. VV

pH

Pulsations de coupures

Pulsations propres

Coefficient d'amortissementGain statique

1.3.4. Exemple de calcul d'une fonction de transfert d'un circuit RC

Soit le quadriple (Figure 6) excit par une entre sinusodale: ve(t) (q. 31) que l'on peut aussi crire sous forme complexe: Ve (q. 32) q. 31: Forme temporelle ( )t.cosE(t)v 0e = q. 32: Forme complexe [ ]tjee .eV(t)v = avec 0car E.eE V 0j0e ===

R

Zc=1/jCVsVe

IsIeH

Figure 6: Circuit RC

Par application des lois d'lectrocintiques classiques (ici la mthode du pont diviseur de tension est particulirement approprie) on obtient la relation entre les tensions Ve et Vs (q. 33).

q. 33: Pont diviseur de tension cZR

cZ+

= .V V es

Ds lors il nous est ais de mettre cette relation sous la forme d'une fonction de transfert de gain en tension (q. 34).

q. 34: Fonction de transfert cZR

cZ+

==

VV

He

s ( )jRC+== 1

1

VV

jHe

s

11 n == etRCo


1.4. Le filtre (lectronique) 1.4.1. Notion de filtrage

Un filtre est un quadriple qui modifie (ou filtre) certaines parties d'un signal d'entre dans le domaine temps et dans le domaine frquence. D'aprs la thorie de Fourier, tout signal rel peut tre considr comme compos d'une somme de signaux sinusodaux (en nombre infini si ncessaire) des frquences diffrentes ; le rle du filtre est de modifier la phase et l'amplitude de ces composantes. Un filtre est caractris par sa fonction de transfert. On parle aussi de rponse frquentielle ou encore de transforme de Laplace de la rponse impulsionnelle.

Filtre s(t):sortie e(t):entre

optionnel optionnel

is ie

H(p)p=j2f S(p):sortie E(p):entre

optionnel optionnel

DC+Sinusodales

Figure 7: Reprsentation d'un filtre dans l'espace des frquences

1.4.2. Classification des filtres

On peut classer les filtres partir de la reprsentation de leur gain en fonction de la frquence. Les filtres les plus courants sont de l'un des cinq types suivants : passe-bas, passe-haut, passe-bande, rjecteur de bande et enfin passe tout.

Un filtre passe-bas laisse passer toutes les frquences entre la frquence nulle et la frquence de coupure fc et attnue toutes les frquences suprieures celle-ci. Avec un filtre passe-bas, les frquences comprises entre la frquence nulle et fc forment la bande passante du filtre (BP). Il est trs utilis en audio, pour attnuer les aigues.

f (Hz)0

|H(f)|

1

fc0

-BP-

f (Hz)0

|H(f)|

1

fc0

-BP-

Un filtre passe-haut attnue toutes les frquences entre la frquence nulle et la frquence de coupure fc et laisse passer toutes les frquences suprieures celle-ci. Avec un filtre passe-haut, les frquences comprises entre la frquence de coupue fc et la frquence infinie forment la bande passante du filtre. Il est trs utilis en audio, pour attnuer les graves. f (Hz)

0

|H(f)|

1

fc0

-BP-

f (Hz)0

|H(f)|

1

fc0

-BP-


Un filtre passe-bande laisse passer les frquences comprises entre la frquence de coupure infrieure fc1 et la frquence de coupure suprieure fc2. La bande passante (appele encore ici largeur de bande) comporte toutes les frquences comprises entre fc1 et fc2. Il est trs utilis dans les rcepteurs radio pour isoler le signal que l'on dsire capter.

f (Hz)0

|H(f)|

1

fc20

-BP-

fc1 f (Hz)0

|H(f)|

1

fc20

-BP-

fc1

Un filtre rjecteur de bande, aussi appel filtre trappe, cloche ou coupe-bande, laisse passer les frquences entre la frquence nulle et la frquence de coupure infrieure fc1 ainsi que les frquences entre la frquence de coupure suprieure fc2 et la frquence infinie. La bande de frquences attnues ou "coupes" se situe donc entre fc1 et fc2. Il est trs utilis pour supprimer le signal parasite du secteur (50 Hz).

f (Hz)0

|H(f)|

1

fc20

-BP-

fc1

-BP-

f (Hz)0

|H(f)|

1

fc20

-BP-

fc1

-BP-

Un filtre passe tout laisse passer toutes les frquences entre 0 et linfini. Il ny a aucune attnuation pour aucune frquence, mais il provoque un dphasage par rapport au signal dentre.

f (Hz)0

|H(f)|

1

0

-BP-

f (Hz)0

|H(f)|

1

0

-BP-

Techniquement, un filtre peut tre ralis de diffrentes manires : passive, active ou numrique

Les filtres passifs sont raliss avec des rsistances, des inductances et des condensateurs. Ils sont gnralement utiliss au-dessus de 1 MHz, leur gain maximum est gal 1 (on dit quils nont pas de gain en puissance).

Les filtres actifs sont raliss avec des rsistances, des condensateurs et des ampli-op. Contrairement leurs homologues passifs, les filtres actifs possdent un gain. Ils remplissent donc deux fonctions: filtrage et amplification des signaux dans la bande passante. Les filtres actifs sont gnralement utiliss des frquences infrieures au MHz.

1.5. Diagramme de Bode

1.5.1. Dfinition du diagramme de Bode

Le diagramme de Bode est une reprsentation graphique d'une fonction complexe (eg. la fonction de transfert H(j)) utile l'tude des filtres. Cette reprsentation comprend deux grandeurs traces en fonction de la pulsation (ou frquence) que l'on appel parfois spectres:

Le gain (ou l'amplitude) |H| en db, donn par la formule: Hdb = 20 log | H(j)|;


La phase en degr, donne par la formule: = arg (H(j));

L'chelle des pulsations est logarithmique et est exprime en rad/s.

1.5.2. Exemple de diagramme de Bode d'une fonction de transfert d'un circuit RC

On rappelle dans l'q. 35 la fonction de transfert du circuit RC de la Figure 8. Le diagramme de Bode qui permet de reprsenter graphiquement les caractristiques frquentielles de ce circuit est ainsi obtenu en traant d'une part le gain Hdb = 20 log | H(j)| = -10 log [1 + (RC)2] et d'autre part la phase = arg (H(j)) = -arctg (RC), en fonction de la pulsation dans une chelle logarithmique (Figure 9).

R

Zc=1/jCVsVe

IsIeH

Figure 8: Circuit RC

q. 35: Fonction de transfert cZR

cZ+

==

VV

He

s ( )jRC+== 1

1

VV

jHe

s

-40

-30

-20

-10

0

Gai

n [d

B]

102 103 104 105 106-90

-45

0

Pulsation [rad/s]Ph

ase

[deg

]

Figure 9: Diagramme de Bode d'un circuit RC=150 s

Ces reprsentations logarithmiques ont de multiples intrts: elles permettent entre autres des tracs sur des tendues d'amplitude et de frquence importantes et rvlent des comportements quadratiques sous forme de droites affines comme l'illustre la Figure 10.


102 103 104 105 106-40

-20

0

Pulsation [rad/s]

Gai

n [d

B]

102 103 104 105 1060

0.5

1

Pulsation [rad/s]

Gai

n [ a

bs]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10x 105

0

0.5

1

Pulsation [rad/s]

Gai

n [ab

s]

Figure 10: Illustration de l'utilit de l'chelle logarithmique dans la reprsentation graphique d'une fonction de transfert sur des tendues d'amplitude et de frquence importantes

1.5.3. Mthode de trac du diagramme de Bode (diagramme asymptotique) Pour raliser le diagramme de Bode il faut faire une tude pralable de la fonction

H(j), en d'autres termes il s'agit de rechercher les directions asymptotiques de H(j). 1.5.3.1. Rsum de la mthode

(1) Mise sous forme canonique de la fonction de transfert

(2) Approximation de la fonction de transfert: 0;

(3) Approximation de la fonction de transfert: ;

(4) Ecriture des quations du Gain Hdb et de la phase correspondants

(5) Calcul du gain et de la phase au point particulir

tel que p/c (klm ou n)=j (6) Trac des asymptotes, du point particulier et de fonction rel main leve

1.5.3.2. Application de la mthode au cas du circuit RC de la Figure 8

(1) Mise sous forme canonique de la fonction de transfert (q. 36):

q. 36: Fonction de transfert du circuit RC sous forme canonique ( )pRC.1

1 pH

+=

(2) Approximation de la fonction de transfert 0 (q. 37)


q. 37: Approximation de la Fonction de transfert qd 0 ( ) 1 pH 0p (3) Approximation de la fonction de transfert (q. 38)

q. 38: Approximation de la Fonction de transfert qd ( )pRC.

1 pH p

(4) Ecriture des quations du Gain Hdb et de la phase correspondants

q. 39: Gain qd 0 020.log(1) H db = q. 40: Gain qd )20.log(-)

RC120.log()

RC.120.log( H db =

Ce qui correspond une fonction affine (dans un repre ou les abscisses sont en chelle logarithmique) de pente -20db /dcades et passant par Hdb=0 en =1/RC.

q. 41: Phase qd 0 = 0arg(1) q. 42: Phase qd = -90)j.RC.

1arg(

(5) Calcul du gain de et de la phase au point particulier

q. 43: Gain qd = c=1/RC dbdb -3)2120.log()

11120.log( H ==+

=

q. 44: Phase qd = c=1/RC ==+

= -45)1()j11

arg( arctg

-40

-30

-20

-10

0

Gai

n [d

B]

102 103 104 105 106-90

-45

0

Pulsation [rad/s]

Phas

e [d

eg]

droite

-20db/dec

c=1/RC

-3db

droite 0db

droite 0

droite -90

inflexion -45

Figure 11: (6) Diagramme asymptotique superpose au digramme de Bode d'un circuit RC=150 s


Sur le trac du gain, la courbe relle se situe 3 dB du trac asymptotique pour = c et se rapproche 1dB pour = c/2 et 2 c. Le trac asymptotique est souvent suffisant pour caractriser la rponse du quadriple. L'observation du trac du gain permet de caractriser la rponse du quadriple vis vis de la pulsation des signaux. Dans l'exemple ci-dessus (Figure 11) il s'agit d'un "filtre passe bas" dont la bande passante s'tend de 0 c. La pulsation particulire c sera plus souvent dsigne comme pulsation de coupure marquant le frquence seuil partir de laquelle l'attnuation dpasse les 1/2 ou les -3db quivalents.

1.5.4. Diagrammes de Bode des fonctions de transferts lmentaires

1.5.4.1. Fonction drivateur pur

q. 45: Fonction drivateur pur ( ) p. pH =

)log(20)log(.20).log(.20 H db +==

db0 H /1db ==

+== 90).arg( j

(rad/s)0

()

(rad/s)0

Hdb

=1/+2

0db/d

ec+90

1.5.4.2. Fonction intgrateur pur

q. 46: Fonction intgrateur pur ( )p1

. pH =

)log(20)log(.20)log(.20 H db

==

0Hdb db==

== 90)arg(

j (rad/s)0

()

(rad/s)0

Hdb

=

-20db/dec

-90

1.5.4.3. Fonction passe bas du 1er ordre


q. 47: Fonction passe bas 1er ordre ( )c

p

+=

1

1 pH

db0)1log(.20H 0 db ==

dbc

3H

db ==

)log(20)log(.20)1log(.20 H

db

==

c

c

== 0arg(1) 0

=

+=

=54)

11

arg( jc

== 90)

1arg(

c

j

0

0= c

-20db/dec

()

Hdb

(rad/s)

(rad/s)

-90

= c

1.5.4.4. Fonction passe haut du 1er ordre

q. 48: Fonction passe haut 1er ordre ( )c

c

p

p

+=

1 pH

)1log(.20)log(.20)log(.20H 0 dbcc

+==

dbc

3H

db ==

db0)1log(.20 H

db ==

+== 09)arg(j 0 c

=

+=

=54)

1arg(

jj

c

== 0)1arg(

0

0= c

+20d

b/dec

()

Hdb

(rad/s)

(rad/s)+90

= c

1.5.4.5. Fonction passe bas du 2ime ordre


q. 49: Fonction passe bas 2ime ordre ( ) 200

21

1 pH

++

=

pp

db0)1log(.20H 0 db ==

)21log(.20H

db == c

)log(40)log(.40)1log(.20 H 02

0

db

=

=

== 0arg(1) 0

===

90).2

1arg(

jc

=

= 081)

1arg( 2

c

0

0

= 0

-40db/dec

()

Hdb

(rad/s)

(rad/s)

-180

= 0

rsonant707.00


1.6. Quiz sur les outils danalyse appliqus llectronique Quest ce quun quadriple ?

A quoi sert ce formalisme ?

Quel est le modle quivalent dun quadriple paramtr en Z ?

Comment identifie-t-on les paramtres du modle en Z simplifi ?

Quelles sont les trois principales formes dassociation des quadriples ?

Quest ce quune fonction de transfert ?

Quest ce quune fonction de transfert de type gain en tension ?

Quelle est la forme canonique la plus universelle des fonctions de transfert ?

A quoi sert ce formalisme ?

Quest ce que la pulsation de coupure (sous entendu dune FT du 1er ordre) ?

Quest ce que la frquence de coupure (sous entendu dune FT du 1er ordre) ?

Quest ce que la bande passante ?

Quest ce que la constante de temps (sous entendu dune FT du 1er ordre) ?

Quest ce que le gain statique ?

Quest ce que le facteur de mrite ?

Quelle est la fonction de transfert dun circuit RC (entre sur RC et sortie sur C) ?

Quels sont les paramtres didentification la forme canonique de cette FT ?

Quest ce qui caractrise un filtre actif ?

Quest ce qui caractrise un filtre passif ?

Quelles sont les 5 principales classes de filtre ?

Quest ce quun diagramme de Bode ?

Quel est lintrt de cette reprsentation ?

Quelle est la mthode du trac du diagramme de Bode asymptotique ?

Quel est le diagramme de Bode asymptotique et rel ( main leve) du circuit RC (entre sur RC et sortie sur C) ?

Quels sont les diagrammes asymptotiques des 6 principales FT lmentaires ?

Quelle est la rgle de construction du diagramme dun produit de FT ?


Chapitre 2. Diodes semi-conducteur et montages usuels (2h)

2.1. Semi-conducteurs

Cette section, essentiellement descriptive, a pour objet de donner au lecteur des modles simples de semi-conducteurs intrinsques et extrinsques de type n ou de type p. La connaissance de ces modles permet, par la suite, de rendre compte du comportement des dispositifs semi-conducteurs tels que diode, transistor bipolaire, transistors effet de champ, etc

Dans les matriaux isolants, les atomes ne possdent pas dlectrons libres (leur orbite de valence contient 8 lectrons fortement lis au noyau et ne peuvent se librer pour se trouver dans la bande dnergie de conduction. Par consquent, ces matriaux ne peuvent pas vhiculer de courants.

Nous allons voir dans le paragraphe suivant que certains matriaux tels que le silicium (silicon en anglais) ou le germanium sont des mauvais conducteurs la temprature ambiante. En dautres termes, les courants vhiculs sont trop faibles pour quils soient dune quelconque utilit. Ces matriaux ne sont donc pas des bons isolants, ni des bons conducteurs, ils sont donc "des semi-conducteurs".

2.1.1. Description d'un semi-conducteur intrinsque

Un cristal de semi-conducteur intrinsque est un solide dont les noyaux atomiques sont disposs aux nuds d'un rseau gomtrique rgulier. La cohsion de cet difice est assure par les liens de valence qui rsultent de la mise en commun de deux lectrons appartenant chacun deux atomes voisins de la maille cristalline. Les atomes de semi-conducteur sont ttravalents et le cristal peut tre reprsent par le rseau de la Figure 13:

Figure 13: Semi-conducteur intrinsque

L'lectron qui possde une nergie suffisante peut quitter la liaison de valence pour devenir un lectron libre. Il laisse derrire lui un trou qui peut tre assimil une charge libre positive; en effet, l'lectron quittant la liaison de valence laquelle il appartenait dmasque une charge positive du noyau correspondant. Le trou peut tre occup par un autre lectron de valence qui laisse, son tour, un trou derrire lui: tout se passe comme si le trou s'tait dplac, ce qui lui vaut la qualification de charge libre. La cration d'une paire lectron libre - trou est appele gnration alors qu'on donne le nom de recombinaison au mcanisme inverse.


La temprature est une mesure de l'nergie cintique moyenne des lectrons dans le solide. On comprend ds lors que la concentration des lectrons libres et des trous dpende trs fortement de la temprature. A titre d'exemple, le silicium dont le nombre volumique d'atomes est de 5.1022 cm-3 , prsente 300K (27 C) un nombre volumique d'lectrons libres et de trous de 1,5.1010 cm-3, soit une paire lectron libre - trou pour 3,3.1012 atomes. Le nombre volumique des atomes dans le germanium est de 4,4.1022 cm-3. A 300K, le nombre volumique des lectrons libres et des trous est 2,5.1013 cm-3, soit une paire lectron libre - trou pour 1,8.109 atomes.

2.1.2. Description d'un semi-conducteur extrinsque de type n

Un semi-conducteur dans lequel on aurait substitu quelques atomes ttravalents des atomes pentavalents est dit extrinsque de type n (Figure 14)

Figure 14: Semi-conducteur de type n

Quatre lectrons de la couche priphrique de l'atome pentavalent prennent part aux liens de valence alors que le cinquime, sans attache, est libre de se mouvoir dans le cristal. L'lectron libre ainsi cr neutralise la charge positive, solidaire du rseau cristallin, qu'est l'atome pentavalent ionis.

Le dopage est l'action qui consiste rendre un semi-conducteur extrinsque. Par extension, ce terme qualifie galement l'existence d'une concentration d'atomes trangers: on parle de dopage de type n. On donne le nom d'impurets aux atomes trangers introduits dans la maille cristalline. Dans le cas d'un semi-conducteur extrinsque de type n, les impurets sont appeles donneurs car chacune d'entre elles donne un lectron libre.

Les dopages courants sont d'environ 1016 1018 atomes cm-3. On peut admettre que le nombre volumique des lectrons libres est gal au nombre volumique des impurets et que le nombre volumique des trous (charges libres positives) est ngligeable. Etant donnes ces considrations, on tablit le modle de semi-conducteur reprsent par la Figure 15 dans lequel n'apparaissent que les charges essentielles, savoir: les lectrons libres et les donneurs ioniss. Les charges fixes sont entoures d'un cercle.


Figure 15: Semi-conducteur de type n (modle)

2.1.3. Description d'un semi-conducteur extrinsque de type p

Si l'on introduit des atomes trivalents dans le rseau cristallin du semi-conducteur, les trois lectrons de la couche priphrique de l'impuret prennent part aux liens de valence, laissant une place libre. Ce trou peut tre occup par un lectron d'un autre lien de valence qui laisse, son tour, un trou derrire lui. L'atome trivalent est alors ionis et sa charge ngative est neutralise par le trou (Figure 16). Le semi-conducteur est alors extrinsque de type p.

Figure 16: Semi-conducteur de type p

Les impurets, dans un semi-conducteur extrinsque de type p sont appeles accepteurs au vu de leur proprit d'accepter un lectron situ dans un lien de valence.

On peut faire les mmes considrations qu'au paragraphe prcdent concernant le nombre volumique des trous: il est approximativement gal au nombre volumique des impurets. Le nombre volumique des lectrons libres est alors considr comme ngligeable. Il s'ensuit un modle, reprsent par la Figure 17, dans lequel n'apparaissent que les charges prpondrantes: les trous et les accepteurs ioniss.

Figure 17: Semi-conducteur de type p (modle)

Il faut remarquer que le semi-conducteur extrinsque, type p ou type n, est globalement neutre. On peut le comparer un rseau gomtrique dont certains noeuds sont chargs et dans lequel stagne un gaz de charges mobiles qui neutralise les charges fixes du rseau. On largit, par la suite, la notion de semi-conducteur de type n un semi-conducteur


dont le nombre volumique des donneurs l'emporte sur celui des accepteurs et celle de semi-conducteur de type p un semi-conducteur dans lequel le nombre volumique des accepteurs est prpondrant.

2.1.4. La jonction pn Soit le semi-conducteur dopage non uniforme de la Figure 18 qui prsente une

rgion p nombre volumique d'atomes accepteurs constant suivie immdiatement d'une rgion n nombre volumique infrieur de donneurs constant galement. La surface de transition entre les deux rgions est appele jonction pn abrupte. Du fait de la continuit du rseau cristallin, les gaz de trous de la rgion p et d'lectrons de la rgion n ont tendance uniformiser leur concentration dans tout le volume disposition. Cependant, la diffusion des trous vers la rgion n et des lectrons libres vers la rgion p provoque un dsquilibre lectrique si bien que, dans la zone proche de la jonction, la neutralit lectrique n'est plus satisfaite. On trouve, dans la rgion p, des atomes accepteurs et des lectrons, soit une charge locale ngative, et dans la rgion n, des atomes donneurs et des trous, soit une charge locale positive. Il s'est donc cr un diple aux abords de la jonction et, conjointement, un champ lectrique. Une fois l'quilibre atteint, ce champ lectrique est tel qu'il s'oppose tout dplacement global de charges libres.

Cathode (K)Anode (A)

UI

Figure 18: Structure et symbole d'une diode jonction pn

La rgion dans laquelle la neutralit n'est pas satisfaite est appele zone de dpltion ou zone de charge spatiale alors que les autres rgions sont dites rgions neutres. Le champ lectrique interne cr par le diple est nomm champ de rtention de la diffusion car il s'oppose toute diffusion des charges mobiles.

Gnralement, la concentration des charges mobiles dans la zone de charge spatiale est ngligeable vis--vis du nombre volumique des charges fixes. On idalise cet tat de fait et l'on admet qu'il n'y a pas de charge mobile dans la zone de dpltion (Figure 18).


Il existe, entre la rgion p et la rgion n, une barrire de potentiel nergtique pour les charges mobiles (Figure 19). L'existence de cette barrire se traduit par une diffrence de potentiel lectrique lie au champ de rtention de la diffusion. L'existence de la barrire de potentiel est mise en vidence par le travail Wp=q.UAK qu'il faut fournir pour faire passer un trou de la rgion neutre p la rgion neutre n ou pour faire passer un lectron en sens contraire. Pour une jonction pn au silicium avec un dopage NA = 1018 cm-3 dans la rgion p et un dopage ND = 1017 cm-3 dans la rgion n, la hauteur de la barrire de potentiel 300 K (27 C) l'quilibre vaut 872 mV. La hauteur de la barrire de potentiel l'quilibre est telle que les trous qui sont dans la rgion p ont une nergie moyenne qui n'est juste pas suffisante pour leur permettre de passer la barrire de potentiel. Il en va de mme pour les lectrons qui se trouvent dans la rgion n.

Figure 19: Grandeurs spcifiques dans une jonction pn

2.2. Caractristiques lectriques de la jonction pn: La diode Si l'on applique une tension U ngative la jonction (U- en p et U+ en n), cette tension

se reporte presque entirement la zone de dpltion qui prsente une rsistivit trs grande vu la quasi-absence de charges mobiles. Ainsi cette tension U ngative (Figure 20, Figure 21) renforce le champ de rtention de la diffusion et augmente, par consquent, la hauteur de la barrire de potentiel, de telle sorte "qu'aucune" charge libre ne traverse la zone de charge spatiale. La jonction pn est la base du composant que l'on appelle: diode. Le cot de la diode dope p est appel anode et le cot dope n est appel cathode.


E

E

Zone de dpltion

Zone de dpltion

Zone de dpltion

E

np

np

np

U+U-

U+ U-

CathodeAnode

CathodeAnode

U+U-

CathodeAnode

U-U+

Inverse

Direct

Figure 20: Polarisations de la jonction: modle physique

Figure 21: Polarisations de la jonction: modle nergtique


Au contraire, si l'on applique une tension U positive (U+ en p et U- en n), le champ lectrique de rtention de la diffusion est diminu et les charges mobiles qui ont une nergie suprieure celle que reprsente la hauteur de la barrire de potentiel peuvent traverser la zone de charge spatiale. Il est utile, ici, de se rappeler que l'nergie moyenne des charges mobiles est lie la notion de temprature et qu' temprature donne, cette nergie est constante.

L'application d'une tension qui diminue la hauteur de la barrire de potentiel par rapport l'quilibre est appele polarisation directe par opposition la polarisation inverse qui augmente la hauteur de la barrire de potentiel par rapport l'quilibre.

Une polarisation directe permet le passage d'un courant lectrique dans la jonction alors qu'une polarisation inverse l'empche. Cette loi est traduite par les relations (q. 52) et reprsente par la Figure 22.

q. 52: Expression du courant lectrique d'un jonction pn en fonction de la polarisation

IsnIspIsavecnUUIsInIpI

nUUIsnIn

nUUIspIp

T

TT

+=

=+=

=

=

1exp

1exp1exp

Tension seuil Vs

Rsistancedynamique oudiffrentiellerd ou r

Courant inverse de saturation Is

Tension seuil Vs


Courant inverse de saturation Is

Figure 22: Caractristique lectrique de la jonction pn

Le courant Is est appel courant inverse de saturation; c'est la valeur asymptotique du courant I en polarisation inverse. Pour une jonction au Si, il est de l'ordre de grandeur de 10-12 10-15 A de telle sorte qu'on peut gnralement le considrer comme nul en polarisation inverse. On appelle tension thermodynamique la tension UT (q. 53) o k est la constante de Boltzmann, T la temprature absolue et e la charge de l'lectron. A 25 C, UT = 25mV. Le facteur n est appel coefficient d'mission. Il est voisin de 1 dans les jonctions de transistors au Si et dans les diodes au Ge. Il est compris entre 1 et 2 dans le cas de diodes au Si.

q. 53: Tension thermodynamique (Boltzmann)

e

kTUT =


2.3. Modles lectriques simplifis de la diode bipolaire

Dans la plupart des modles utiliss, le courant de saturation inverse est considr comme nul. La diode est donc simplifie en un composant unidirectionnel en courant permettant le passage du courant uniquement de l'anode vers la cathode. Voici reprsent ci-dessous les principaux modles lectriques de la diode (Figure 23).

I=0

U

I

U

VsI

U

VsI

U

rd ou r

Diode Bloque Diode Passante 1ier modle

Diode Passante 2ime modle

Diode Passante 3ime modle

Figure 23: Modles lectriques de la diode bipolaire

2.4. Mthodes d'tude de circuits base de diodes (bases sur le 1er et 2ime modle) 2.4.1. Dtermination de l'tat d'une diode

La diode devient passante si la tension ses bornes U (VA-VK) est positive ou >Vs.

IU>0

Iou

VsI

U

La diode devient bloque si le courant qui la traverse I (de A K) est nul ou


Figure 25: Oscillogrammes d'un redressement par pont de Gratz

2.5.2. Dmodulation AM

Le signal sonore transmettre a une frquence comprise entre 20 Hz (basses) et 10 kHz (aigus). Si le signal tait transmis directement par voie lectromagntique: la porte serait trs faible; il y a en gnral plusieurs metteurs au voisinage du rcepteur. Le rcepteur capterait en mme temps les signaux d'un autre metteur sans pouvoir les sparer. Pour rsoudre ces problmes, on utilise une onde lectromagntique de haute frquence qui transporte le signal sonore: c'est la porteuse. Il suffit, alors, de n'accorder le rcepteur que sur la porteuse du signal pour ne plus tre gn par les autres missions (autre porteuse).

La diode va supprimer les tensions ngatives de l'onde puis le condensateur et la rsistance vont rcuprer la crte de l'onde, enfin le filtre passe haut va supprimer les plus basses frquences ainsi que la tension continue ajoute la partie modulation (Figure 26).

RC R C

Redressement Filtre passe bas Filtre passe haut

RC R C

Redressement Filtre passe bas Filtre passe haut

Figure 26: Dmodulateur radio de type AM (diode de redressement mono-alternance)


2.5.3. Anti-retour

Les diodes peuvent servir de dtrompeur dans un circuit o la polarit est indispensable au bon fonctionnement en empchant la circulation du courant dans le mauvais sens. Par exemple, en cas de coupure de l'alimentation principale un accumulateur de sauvegarde prend le relais grce la diode et alimente la charge (Figure 27).

Charge

Alim 5V

Accu 3.5V

Figure 27: Anti-retour (fonction logique ou)

2.5.4. Ecrteur

Un circuit dont la tension d'entre doit imprativement rester en dessous d'une valeur seuil Vs, peut tre protg par un jeu de diodes montes en antiparallle. En cas de dpassement de la tension seuil Vs, l'une des deux diodes se mettra alors conduire et assurera ainsi une protection du circuit aval (Figure 28).

Circuit protger

Figure 28: Ecrteur (protection de circuit)

2.5.5. Protection de contact

L'ouverture d'un circuit inductif pose le problme du courant de rupture qui dgrade les contacts cause de la cration d'un arc entre ceux-ci. La diode monte en parallle sur la bobine permet la dissipation de l'nergie emmagasine dans celle-ci et protge ainsi le contact.

U+

Figure 29: Protection de contact

2.6. Diodes spciales et applications

2.6.1. Diode Zener (cf TP) Si l'on diminue l'paisseur de la jonction pn et que l'on renforce le dopage, on obtient

des diodes dont le courant inverse peut devenir trs important au del d'une valeur de tension inverse Vz dite tension coude ou tension Zener. Ces diodes Zener ont donc pratiquement les mmes caractristiques quune diode normale, sauf quelles sont optimises par la technologie pour fonctionner dans leur rgion inverse (Figure 30).


Tension seuil Vs


Courant inverse de saturation IsTension Zener Vz


-6.4V

U

I

Figure 30: Caractristique lectrique et symbole d'une diode Zener 6.4V

Une des principales applications de la diode Zener est la limitation de tension. Elle peut dans une certaine limite maintenir la tension constante quelque soit le courant qui la traverse (Figure 31).

Charge

Alim.R

Limitation par Vz

Figure 31: Limiteur de tension

2.6.2. Diode Electroluminescente

Ces diodes peuvent mettre de la lumire quand elles sont polarises en direct. La longueur donde de la lumire mise dpend du semi-conducteur utilis dans la fabrication de la diode (ie. Gap) et quelques fois de la tension applique sur la diode et/ou du courant. On distingue gnralement: les diodes infrarouges qui mettent dans linfrarouge (longueur donde autour de 1m) et les diodes qui mettent de la lumire visible; lumire rouge, vert, bleue). Les diodes mettant dans le visible sont largement utilises dans les afficheurs numriques des instruments de mesure ou des appareils domestiques: afficheur 7 segments; conversion dun signal lectrique en signal optique pour transmission par fibre optique par exemple; tlcommandes infrarouges. L'efficacit lumineuse des DEL blanches) de dernire gnration (limite thoriquement 300[lm/W] est suprieure celle des lampes incandescence mais aussi celle des lampes fluocompactes ou encore de certains modles de lampes dcharge. Le spectre de la lumire mise est presque intgralement contenu dans le domaine du visible (les longueurs d'onde sont comprises entre 400 nm et 700 nm). Contrairement aux lampes incandescence et aux lampes dcharge, les DEL n'mettent quasiment pas d'infrarouge. (Figure 32).


U

I

Figure 32: Symbole d'une diode lectroluminescente

2.6.3. Photo Diode

Cette diode doit tre polarise en inverse. Elle fournit un courant inverse I (attention au sens) qui dpend de lclairement. Cette diode ralise la fonction inverse dune LED. Ses applications majeures concernent son utilisation comme capteur de lumire : conversion dun signal optique, fourni par une fibre optique par exemple, en signal lectrique; rcepteur des tlcommandes infrarouges.

U

I

Figure 33: Symbole d'une photo-diode

2.6.4. Diode Schottky

Dans les diodes Shottky, la jonction p n est remplace par la jonction d'un mtal avec un semi-conducteur peu dop (de type n car porteurs plus mobiles). Si le mtal (anode) est positif par rapport la zone n (cathode) la jonction est conductrice. Cette diode ne fait intervenir qu'un seul type de porteur. Cette diode (Figure 34) fonctionne comme une diode classique, mais elle prsente deux avantages : une tension de seuil Vs faible (Vs =0.3 V); un temps de commutation (passage de ltat passante ltat bloque et inversement) trs faible (de lordre de10ns) et elle prsente une capacit beaucoup plus faible. On lappelle parfois "diodes rapide". Elle est souvent utilise dans les applications o le temps de commutation de la diode est critique comme dans les applications hautes frquences ( partir de 1 MHz).

U

I

Figure 34: Symbole d'une diode Schottky

2.6.5. Les diodes Varicap (ou varactor): diodes capacit variable Polarise en inverse, la diode varicap (Figure 35) est quivalente une capacit C

dont la valeur est variable en fonction de la tension inverse applique. Grce ce type de diode, on peut raliser une capacit variable commande par une tension. Avec la technologie actuelle, la valeur de la capacit ne peut dpasser quelques 100 pF (pico farad = 10-12F). Ces diodes sont utilises hautes frquences ( partir de 100 MHz). On l'utilise par exemple pour rgler la frquence de rsonance dun capteur (circuit RLC) de signaux radiofrquences de


llRM (Imagerie par Rsonance Magntique) en agissant sur la tension de commande. Les capteurs de la dernire gnration sont quips de ce type de diode.

U

I

Figure 35: Symbole d'une diode Varicap

2.6.6. Les diodes PIN (P-Isolant-N)

Une diode PIN (Positive intrinsic negative diode en anglais) est une diode constitue d'une zone non-dope, dite intrinsque I, intercale entre 2 zones dopes p et n. Une diode PIN (Figure 36) polarise dans le sens direct (passante) offre une impdance dynamique (vis vis des signaux variables) extrmement faible. Polarise dans le sens inverse (bloque) elle offre une trs grande impdance et surtout une trs faible capacit (Elle se comporte comme un condensateur de trs faible valeur, quelques picofarads, voire bien moins encore suivant les modles). Pour des frquences suprieures 1MHz, la diode PIN peut fonctionner comme interrupteur dont louverture et la fermeture sont commandes par un courant continu. Ce sont des diodes de commutation rapide utilises pour les signaux de hautes frquences comme par exemple: pour commuter l'antenne tour tour sur la partie metteur puis sur la partie rcepteur d'un metteur-rcepteur.

U

I

PIN

Figure 36: Symbole d'une diode PIN

2.6.7. Listing des diffrents types de diodes produites en 2007

Voici une liste quasi-exhaustives des types de diodes produites en 2007 : diode de Fleming; diode lectroluminescente; diode Gunn; diode laser; diode Schottky; diode transil; diode PIN; diode varicap; diode Zener; diode effet tunnel; photodiode; diode vide (Tube lectronique); diode vapeur de mercure (Tube lectronique); DIAC

2.7. Quiz sur les Diodes Quest ce quun semi-conducteur intrinsque ?

Quest ce quun semi-conducteur extrinsque de type n ?

Quest ce quun semi-conducteur extrinsque de type p ?

Que ce passe til lorsque lon forme un jonction pn ? Quelle est dans ce cas la distribution des charges, du champ et du potentiel lectrique ?

Quel est le symbole de la diode ?


Quelles sont les distributions de charge, de potentiel, dnergie et de courant en fonction de la polarisation applique la jonction pn ?

Quelle est lexpression et la caractristique lectrique dune jonction pn (ie. dune diode) ? Quels sont les 4 principaux modles lectriques dune diode ?

Quels sont les mthodes permettant de dterminer ltat dune ou de plusieurs diodes ?

Quelles est loscillogramme complet dun redressement double alternance (chronogramme des diodes, courants dentre et de sortie, tensions dentre et de sortie) ?

Comment fonctionne une dmodulation AM base de diode ?

Quel est le principe du montage anti-retour ?

Quel est le principe du montage crteur ?

Quel est le principe du montage protection de contact ?

Quelle est la caractristique lectrique dune diode Zener ?

Quel peut tre son application ?

Quel est le principe et le symbole dune diode lectroluminescente ?

Quel est le principe et le symbole dune photo-diode ?

Quel est le principe et le symbole dune diode Schottky ?

Quel est le principe et le symbole dune diode Varicap ?

Quel est le principe et le symbole dune diode PIN ?


Chapitre 3. Transistors jonction (bipolaires) et montages usuels (+variantes) (2h)

Le transistor (invent en 1948 par les physiciens amricains John Bardeen, Walter Houser Brattain et William Shockley) a remplac, pratiquement partout, le tube lectronique. Le transistor bipolaire est l'un des dispositifs semi-conducteur les plus utiliss l'heure actuelle dans les rles d'amplificateur et d'interrupteur. Cest celui dont les processus de fabrication ont t les premiers tre domins industriellement.

3.1. La jonction npn (ou pnp) Le transistor bipolaire (Bipolar Junction Transistor) est un dispositif semi-

conducteur form par l'association de deux jonctions pn places en opposition (transistor npn ou pnp) (Figure 37). Un transistor comprend 3 lments: l'metteur E qui met les porteurs (lectrons si n+ ou trous si p+); le Collecteur C qui recueille les lectrons et la Base B qui contrle le passage des lectrons entre E et C (nous dtaillons cet aspect dans le paragraphe suivant). Sur certains types de botiers encapsulant le composant, un ergot dtrompeur permet d'identifier l'metteur.

Enp

Base (p)

n+ E

Zones de dpltion

metteur (n+)

Collecteur (n)

VBE

VCE

VCE

NPN

Epn

Base (n)

p+ E

Zones de dpltion metteur (p+)

Collecteur (p)VBE

VCE

VCE

PNP

metteur (p+) Collecteur (p)

Collecteur (n)metteur (n+)Base (p)

Base (n)C

B

E

Figure 37: Structures et symboles des transistors jonction pnp et npn

3.2. Caractristiques lectriques de la jonction npn: l'effet transistor Le principe de superposition s'applique aux charges injectes par la jonction BE et aux

charges injectes par la jonction BC, nous allons donc tudier sparment l'effet de chaque jonction.

La "Figure 38" (gauche) montre les barrires de potentiel nergtique pour les lectrons et pour les trous. Au repos, elles sont telles que ni les lectrons de l'metteur, ni les lectrons du collecteur, ni les trous de la base ne peuvent les franchir.


Jonction BE polarise en sens direct (VBC=0)Transistor au repos Jonction BC polarise en sens direct (VBE=0)

B (p)

E (n+)

C (n)

VBE

VCE

VBC=0 IF (IC )IBF (IB )

B (p)

E (n+)

C (n)

VBE=0

VCE

VBC

IR (IE )

IBR (IB )B (p)

E (n+)

C (n)

VBE

VCE

VBC IC=0IB=0

IE=0

Jonction BE polarise en sens direct (VBC=0)Transistor au repos Jonction BC polarise en sens direct (VBE=0)

B (p)

E (n+)

C (n)

VBE

VCE

VBC=0 IF (IC )IBF (IB )

B (p)

E (n+)

C (n)

VBE=0

VCE

VBC

IR (IE )

IBR (IB )B (p)

E (n+)

C (n)

VBE

VCE

VBC IC=0IB=0

IE=0

Figure 38: Polarisations de la jonction npn: modle nergtique (repos, mode F et mode R)

3.2.1. Caractristiques en mode F

Le mode F (Forward: progressif) est un mode particulier de fonctionnement du transistor dans lequel la tension de la jonction BC est maintenue zro. A la Figure 38 (centre) on a reprsent les barrires de potentiel pour les lectrons et les trous dans le transistor en mode F. Si la jonction BE est polarise en sens direct, la barrire de potentiel de la jonction BE est diminue. Les lectrons de l'metteur diffusent dans la base; comme celle-ci est courte, ces lectrons sont rapidement happs par le puit de potentiel que reprsente le collecteur. Le flux d'lectrons allant de l'metteur au collecteur en transitant par la base se traduit par un courant IF, qui n'est rien d'autre que le courant de la jonction BE et qui rpond l'expression (q. 54, Figure 39). q. 54: Expression du courant IF (IC lectrons jonction BE)

Les trous injects de la base dans l'metteur sont responsables du courant IBF et obissent galement la loi de la jonction. On peut ainsi crire (q. 55, Figure 39). q. 55: Expression du courant IBF (IB trous jonction BE)


Le rapport F entre le courant de collecteur et le courant de base est constant; on l'appelle gain de courant en mode F. On peut galement affirmer que le courant de collecteur du transistor, en mode F, est command par le courant de base (q. 56, Figure 39). q. 56: Expression du gain en courant (IBF ou IB commande IF ou IC)

IF

F

IFIF

F

Figure 39: Caractristiques de transfert et d'entre en mode F

3.2.2. Caractristiques en mode R

Tout comme le mode F, le mode R (Reverse: inverse) dsigne un fonctionnement particulier du transistor. En mode R, c'est la tension de la jonction BE que l'on maintient nulle. Les barrires de potentiel pour les lectrons et pour les trous prennent alors les allures dcrites la Figure 38 (droite).

Si la jonction BC est polarise en sens direct, sa barrire de potentiel est diminue. Les lectrons du collecteur diffusent dans la base et sont happs par le puits de potentiel que reprsente alors l'metteur. Le flux d'lectrons allant du collecteur l'metteur en transitant par la base se traduit par un courant IR, qui n'est rien d'autre que le courant d'lectrons de la jonction BC et qui rpond l'expression (q. 57, Figure 40) q. 57: Expression du courant IR (IE lectrons jonction BC)

Les trous injects de la base dans le collecteur sont responsables du courant IBR et obissent galement la loi de la jonction. On peut ainsi crire (q. 58, Figure 40). q. 58: Expression du courant IBR (IB trous jonction BC)

Le rapport R entre le courant de collecteur et le courant de base est constant; on l'appelle gain de courant en mode R. On peut galement affirmer que le courant d'metteur du transistor, en mode R, est command par le courant de base (q. 59, Figure 40).


q. 59: Expression du gain en courant (IBR ou IB commande IR ou IE)

IR

R

IR

R

Figure 40: Caractristiques de transfert et d'entre en mode R

Le gain de courant inverse R, du fait de la technologie, est plus petit que le gain de courant F; dans un transistor discret de petite puissance il peut tre compris entre 1 et 10 alors qu'il devient beaucoup plus petit que l'unit dans les transistors intgrs.

Ces mmes principes physiques sappliquent au cas dun transistor PNP en considrant le flux de trous (majoritaire dans lmetteur). Les sens des diffrents courants sont inverss par rapport au cas du transistor NPN.

3.3. Zones de fonctionnement du transistor

Aprs avoir tudi sparment l'effet de chaque jonction, le modle complet du transistor peut tre obtenu par la simple superposition des modes F et R: il s'agit du modle de Ebers et Moll (Figure 41). Le transistor peut tre reprsent par une source de courant, place entre collecteur et metteur, dont une composante est commande par la jonction BE et l'autre par la jonction BC; le comportement des deux jonctions est simul par les diodes DBE (anode place la base et cathode place l'metteur) et DBC (anode place la base et cathode place au collecteur).

E

C

BIF-IR

IBF

IBR

IB

E

C

BIF-IR

IBF

IBR

IB

Figure 41: Modle complet du transistor npn dit d'Ebers et Moll

Le transistor est bloqu lorsque ses deux jonctions sont en polarisation inverse (Figure 42). Aucun courant ne circule dans un transistor bloqu puisque ses deux jonctions sont polarises en sens inverse. Le transistor se comporte comme un circuit ouvert de telle sorte que le collecteur est isol de l'metteur.


Le transistor est en fonctionnement normal direct (F) lorsque la jonction de commande BE est en polarisation directe et que la jonction BC est en polarisation inverse (Figure 42). Les barrires de potentiel du transistor en fonctionnement normal direct sont reprsentes la Figure 38. La jonction BE dtermine le dbit des lectrons. La jonction BC, polarise en sens inverse, n'influence d'aucune manire le dbit des lectrons. On peut donc dire que, dans ce cas de fonctionnement, le courant de collecteur est indpendant de la tension UBC ( 0) et que les seules grandeurs prendre en considration sont celles qui apparaissent dans les expressions (q. 54, q. 55, q. 56). Le modle du transistor se ramne au modle Ebers et Moll (EM) en mode F (Figure 38 centre). Par ailleurs, comme le gain de courant F est trs grand, en gnral, il est loisible de ngliger IB vis--vis de IC ou de IE en fonctionnement normal direct. On admet l'galit entre le courant de collecteur et le courant d'metteur.

Le transistor est en fonctionnement normal inverse (R) lorsque la jonction de commande BE est en polarisation inverse et que la jonction BC est en polarisation directe (Figure 42). La jonction BC dtermine l'injection des lectrons dans la base puis dans l'metteur, indpendamment de la jonction BE. Les lectrons de l'metteur ne peuvent franchir la barrire de potentiel qui a pour sige la jonction BE; il n'y aura par consquent aucune influence de la tension UBE sur le dbit des lectrons. On a reprsent les barrires de potentiel du fonctionnement normal inverse Figure 38 droite. Dans ce cas de fonctionnement, le courant d'metteur est indpendant de la tension UBE ( 0) et les seules grandeurs qui entrent en jeu sont celles qui apparaissent dans les relations (q. 57, q. 58, q. 59). Le modle du transistor se ramne au modle EM en mode R (Figure 38 droite)

Le transistor est satur lorsque ses deux jonctions sont en polarisation directe (F+R) (Figure 42). En saturation, les deux jonctions du transistor conduisent: c'est donc le modle EM complet qu'il faut utiliser pour dcrire ce cas de fonctionnement. Il est intressant de remarquer que le courant qui circule du collecteur l'metteur est infrieur au courant qui circulerait seul si l'une des deux jonctions tait polarise en sens direct sous mme tension.

Figure 42: Zones de fonctionnements du transistor

Le modle EM permet de reprsenter les caractristiques de sortie IC = f(UCE) d'un transistor lorsqu'on prend comme paramtre la tension UBE (Figure 43). Pour UBE constant, le courant IF est constant. Ds que UCE < UBE, la jonction BC se polarise en sens direct, le transistor entre en saturation et un courant IR (1 + 1/R) se soustrait au courant de collecteur IF. Figure 43, on a reprsent la caractristique de transfert IF = f(UBE) et les caractristiques de sortie pour diffrentes valeurs de UBE. En fonctionnement normal direct, on remarque le comportement du transistor en source de courant commande.


Figure 43: Illustration de deux modes de fonctionnement sur une caractristique de transfert et de sortie

3.4. Montages usuels base de transistors

3.4.1. Montages lmentaires du transistor

Rappelons en prambule que les relations fondamentales que l'on peut utiliser pour dterminer les paramtres caractristiques d'un transistor sont les suivantes (q. 60). q. 60: Equations fondamentales pour calculer les paramtres d'un transistor en statique

.Ib Ic = (F) et .Ib Ie = (R)

Ib Ic Ie +=

Vbe Vcb Vce +=

Dans les montages metteur commun (EC), l'metteur est commun entre l'entre et la sortie du montage (Figure 44).

E

Rb

e

c

be

c

bvce

Re

Rc

v: A+B.sin(2t)

ic

Ib e

c

bvce

ic

ib

ie e

c

be

c

bvce

ic

ib

ievbe

Eg: IE = 6.06 mA; IB = 60 A; IC = 6.00 mA; VCE = 10 V; VBE = 0.7 V; Gain en courant du montage () : IC /IB = 6.00 mA/60 A = 100 (Normal Direct) Figure 44: Montage metteur commun (EC) et Applications Numriques

Le montage metteur commun de la Figure 44 (gauche) permet d'obtenir le rseau de caractristique statique du transistor (Figure 45).


VCE croissant IB croissant

IB croissant

VCE croissant

E

E/(Re+Rc)

Point de fonctionnement

Droite de charge statique

Droite de commande statique

E/Rb

E

Figure 45: Caractristique statique du transistor (montage metteur commun)

Dans les montages Base Commune (BC), la base est commune entre l'entre et la sortie du montage (Figure 46).

ic

ib

ec

bie

vcb vbe

Eg: IE = 6 mA; IB = 0.6 mA; IC = 6.06 mA; VCB = -0.7 V; VBE = -9.3 V; Gain en courant du montage : IE /IC = 6 mA/6.06 mA = 0.99 (Normal Inverse) Figure 46: Montage base commune (BC) et Applications Numriques

Dans les montages collecteur commun (CC), le collecteur est commun entre l'entre et la sortie du montage (Figure 47).

c

e

bc

e

bvce

ie

ib

ic vcb

Eg: IE = 6.06 mA; IB = 60 A; IC = 6.00 mA; VCE = 10 V. ; VBE =0.7 V; Gain en courant du montage : IE/IB = 6.06 mA/60 A = 101 (Normal Direct) Figure 47: Montage collecteur commun (CC) et Applications Numriques


3.4.2. Montage d'amplification

Voici reprsent Figure 48 un des montages d'amplification linaire les plus connus. Une partie du circuit est ddie la polarisation du transistor. On cherche en gnral placer ce point de fonctionnement autour des valeurs de Ic0=Ic saturation /2 et Vce0=Vce blocage /2, ceci afin de travailler dans la plus large plage d'amplification du transistor. On parle alors d'amplification en classe A (Figure 49). L'autre partie du circuit est ddie au convoyage du "petit signal e" jusqu' l'entre du transistor et la rcupration en sortie du "signal amplifi s". Les petits signaux sont dcoupls des grandeurs continues grce aux diffrentes capacits de dcouplage places dans le circuit.

E: DC Rb1

e

c

bVce0+vce

Re

Rc

e: AC

Ib0+ib

s

C

C

Rb2

is

C

Figure 48: Montage amplificateur (EC)


IB croissant

VCE croissant

E

E/(Re+Rc)





IB croissant

VCE croissant

E

E/(Re+Rc)




Petit signal e

Signal amplifi s

Blocage

Saturation

Figure 49: Reprsentation du principe d'amplification du signal d'entre d'un montage amplificateur (EC) l'aide de la caractristique statique du transistor

La Figure 49 illustre avec les caractristiques du transistor l'effet amplificateur. En effet, la variation de la tension vbe (= e) autour de la tension Vbe0, entrane une variation du courant de collecteur autour de sa valeur de repos. Compte tenu de la droite de charge


dynamique, on obtient des variations de la tension vce (= s) de part et d'autre de sa valeur de repos. La tension sinusodale de sortie s est donc en opposition de phase et d'amplitude beaucoup plus grande que celle de e.

Pour viter toute distorsion de signal de sortie, ont doit appliquer en entre des "petits signaux". On appel "petit signaux" des accroissements assez petits pour que les caractristiques d'entre puissent tre assimiles leur tangente au point de repos. On obtient ainsi des relations linaires entre vbe, ib et ic. Dans tous les cas, la tension de sortie s ne peut pas dpasser les deux limites qui correspondent au blocage et la saturation du transistor.

Le transistor vu par les "petits signaux"peut tre modlis par le quadriple suivant (en H simplifi) (Figure 50).

rbe

icib

vbe vce

Rc

gm.vbe

B

E

C

.ib

Figure 50: Schma quivalent "petit signaux" du transistor (modle simplifi)

Les paramtres du modle sont identifiables en vertus des relations suivantes (q. 61, q. 62, q. 63). q. 61: Conductance de transfert petits signaux du transistor

TT

TS

Icbe

c

m UIc

UU

VbeI

dVdI

g 00exp

0

===

q. 62: Gain en courant petits signaux du transistor (identique au gain statique)

0Icb

c

dIdI

=

q. 63: Rsistance d'entre petits signaux du transistor (ou rsistance dynamique de la jonction be)

000

IcU

gdIdV

dIdV

r T

mIcc

be

Icb

bebe ====

3.4.3. Montage de commutation (blocage-saturation) Voici reprsent Figure 51, un montage base d'un transistor (EC) fonctionnant en

commutation. Ce montage permet de raliser la sacro-sainte fonction logique: "inverseur".


E+

Rb

e

c

be

c

bvce

Rc

s

icIb

e

e

ts

t

E+

Figure 51: Montage inverseur (EC) et oscillogramme de e et s

Si la tension d'entre e est nulle ou faible, aucun courant ne circule dans la base et par consquent dans le collecteur. La tension de sortie du montage est au niveau de celle de l'alimentation. On parle de blocage. Point de fonctionnement: en bas droite (Figure 49).

Si la tension d'entre e est suffisamment grande ou maximum, un courant de base circule et commande un courant de collecteur maximum. Dans ce cas dit de saturation, la tension de sortie est pratiquement nulle. Point de fonctionnement: en haut gauche (Figure 49).

3.5. Caractristiques techniques

3.5.1. Principaux paramtres lectriques d'un transistor

Les tensions de polarisation Vbe est gnralement compris entre 0,65V (pour des Ic de quelques mA) et 1V (pour les transistors de puissance parcourus par un Ic important, pe. 1A). Les courants de base ou de commande sont de l'ordre de la dizaine de A. Par ailleurs, les gain en courant de transistors de mme type prsentent une grande dispersion. Cela oblige les constructeurs indiquer des classes de gain. Si l'on prend par exemple un transistor trs rpandu comme le BC107, le gain en courant varie de 110 460. Le constructeur teste alors les transistors aprs fabrication et ajoute une lettre aprs le numro, pour indiquer la classe de gain A, B, C.

Les transistors pour l'amplification de petits signaux ne dissipent que quelques dizaines ou centaines de milliwatts. Les transistors moyenne puissance supportent quelques watts ; les transistors de puissance, utiliss par exemple dans les amplificateurs audio de puissance ou dans les alimentations stabilises peuvent supporter, condition d'tre placs sur un refroidisseur adquat, plus de 100W.

La gamme de frquence : transistors pour frquences basses (fonctionnent correctement jusqu' quelques MHz), moyennes (jusqu' quelques dizaines de MHz), hautes (jusqu' quelques GHz), encore plus hautes (frquences maximales d'oscillation de plusieurs centaines de GHz)

La frquence de transition FT, caractristique de sa vitesse de fonctionnement (produit gain-bande accessible) ; plus le transistor est capable d'atteindre une transconductance leve pour une capacit faible, plus la frquence de transition est grande ; grce aux progrs


technologiques, on atteint ainsi de nos jours des FT de plusieurs dizaines de gigahertz. Les transistors bipolaires sont en cela suprieurs aux transistors effet de champ.

La tension d'Early VEA, d'autant plus grande que le transistor se comporte comme une source idale de courant ; la rsistance metteur-collecteur correspond au ratio entre la tension d'Early et le courant collecteur.

La transconductance (gain tension-courant), directement lie au courant collecteur (en premire approximation, elle vaut gm = Ic/UT o on a la tension thermique UT=kT/e qui est de 26mV temprature ambiante). Bien sr, chaque transistor tant prvu pour fonctionner correctement dans une certaine plage de courant, il est inutile d'augmenter le courant au del d'une certaine limite pour accrotre le gain.

3.5.2. Diversit de botiers et normes

Les valeurs des transistors sont inscrits dessus sous forme de codes, il existe une multitude de transistors sous de nombreuses formes ou " botier " dsignant le type d'en capsulage d'un transistor et enfin il y a des brochages diffrents pour un mme botier (Figure 52). Au fil des ans, les fabricants ont commercialis probablement plus de 100 000 transistors portant des noms distincts. Devant la prolifration des codes maisons quelques normes ont t cres afin de standardiser le march

Figure 52: Diversit de botiers encapsulant des transistors jonction (bipolaires)

3.6. Autres types de transistors

3.6.1. Transistors effet de champ

Un Transistor Effet de Champ (TEC) est un composant 3 broches : la Grille, le Drain et la Source. Le passage du courant travers un canal continu reliant la source au drain est en fait contrl par le champ cr par une troisime lectrode, la grille situe sur le canal. La commande du transistor se fait par l'application d'une tension VGS positive dans le cas d'un type p, ngative dans le cas d'un type n. Les caractristiques de sortie sont lies au rapport tension/courant admissible entre le drain et la source. Ce rapport est reprsent par une rsistance quivalente RDS = RDS ON lorsque le transistor est passant (l'image d'un robinet ou plus lectriquement d'une rsistance variable commande par la tension VGS peut tre utile). Les transistors effet de champ sont facilement miniaturisables et permettent des amplifications leves.

Le transistor effet de champ jonction (depuis 1952)(Figure 53): Il est aussi appel JFET (Junction Field Effect Transistor ). Un transistor de ce type prsente une grille relie au substrat (Figure 54). Dans le cas d'un canal dop N, le substrat et la grille sont fortement


dops p+ et physiquement relis au canal. Le drain et la source sont des lots trs fortement dops n+ dans le canal, de part et d'autre de la grille. Dans le cas d'un canal dop p, les dopages de chaque partie sont inverss, ainsi que les tensions de fonctionnement. Les caractristiques lectriques d'un JFET sont reprsentes (Figure 55).

p n

Figure 53: Symbole d'un JFET

V+V- V-

V-

V+V- V-

V-

V++V- V-

V-

Figure 54: Structure et principe d'un JFET (Plus VDS augmente et plus la zone de dpltion s'largit = le robinet se referme ceci explique la caractristique sature de Id=f(Vds) VGS=0)

VDS fix >3V

10mA

-4V VDS fix

ou linaire

3V

VDS fix >3V

10mA

-4V VDS fix

ou linaire

3V

Figure 55: Caractristiques d'un JFET

Le transistor effet de champ grille isole (Figure 56) : connu dans son principe depuis 1930, sa fabrication na t domine qu partir des annes 60. La grille est une mince couche d'aluminium spare par un isolant du canal. Il est aussi appel MOSFET (Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor). Grce une gomtrie simple et une consommation pouvant tre trs faible, cest le composant lmentaire de tous les circuits intgrs trs grande chelle (VLSI).


p n

Figure 56: Symboles d'un MOSFET

3.6.2. Transistors Effet de Champ et jonction Bipolaire Le transistor bipolaire grille isole ou IGBT (Insulated Gate Bipolar

Transistor)(Figure 57): ct de ces transistors dits bipolaires, il existe un autre type de transistors dits transistors effet de champ (TEC ou FET Field Effect Transistor ).

n

Figure 57: Symbole d'un IGBT

3.6.3. Transistors particuliers

Citons enfin quelques transistors particuliers tels que: les transistors unijonction, les transistors Darlington, les phototransistors et les photocoupleurs

3.7. Quiz sur les Transistors Quelles sont les structures (reprsentation physique) et symboles des transistors jonction

npn et pnp ?

Quelles sont les distributions dnergie et de courants en fonction de la polarisation applique (npn) ?

Quelles sont les caractristiques lectriques en mode direct (F) ?

Quelles sont les caractristiques lectriques en mode inverse (R) ?

Quel est le modle quivalent statique du transistor dit dEbers et Moll ?

Quelles sont les 4 modes de fonctionnement dun transistor ?

Quelle est la caractristique Ic=f(Ube)=f(Uce) ?

Quels sont les modes satur, normal direct et bloqu correspondants ?

Quelle est la relation fondamentale entre Ic, Ib et Ie ?

Quelle est la relation fondamentale entre Ic et Ib (en mode F) ou Ie et Ib (en mode R) ?

Quelle est la relation fondamentale entre Vce, Vcb et Vbe ?

Quest ce que des montages EC, BC et CC ?

Quelle est la caractristique statique complte dun transistor mont en EC ?


Quel est le principe et la caractristique lectrique dun montage amplificateur (EC) ?

Quel est le modle quivalent dynamique simplifi (ou petits signaux) du transistor ?

Quelles sont les relations qui permettent den identifier les principaux paramtres ?

Quels sont les ordres de grandeurs caractristiques dun transistor (P, Vbe, Ic, Ib etc) ?

Quel est le principe et le symbole dun transistor effet de champ dop n (JFET n) ?

Quelles sont les caractristiques Id=f(Vgs) et V(ds) du JFET ?


Chapitre 4. Amplificateurs Oprationnels et montages usuels (2h)

4.1. Historique de lamplificateur oprationnel

Les essais esquisss de ralisation dampli-op remontent au dbut du 20ime sicle. Le dveloppement de ces dispositifs, bass initialement sur lutilisation de tubes vide, connt une rvolution suite linvention majeure de la contre-raction dont la thorie et les principes de base furent labors en 1927 par Harlod Black (jeune ingnieur chez Bell Labs). Dautres avances dans ce domaine commencrent avant la deuxime guerre mondiale et se poursuivirent pendan

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