J. LAURENT ELCTRONIQUE ANALOGIQUE L3-PLURI Université de Bretagne Sud

J. LAURENT

ELCTRONIQUE ANALOGIQUE

L3-PLURI

Université de Bretagne Sud

J. LAURENT

PLAN DU COURS

Introduction : notations Chap 1. Les diodes

I. Principe de la diode 1. Semi-conducteurs 2. Dopage

a. type N b. type P

3. Jonction PN - diode a. Diode non polarisée b. Polarisation directe c. Polarisation inverse

4. Caractéristique d ’une diode 5. Droite de charge 6. Approximations d ’une diode

a. diode idéale b. diode réelle

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PLAN DU COURS

II. Redressement et filtrage 1. Alimentation stabilisée 2. Transformateur 3. Redresseur demi-onde

a. diode idéale b. diode réelle

4. Redresseur en pont a. diode idéale b. diode réelle

5. Filtrage a. signal demi-onde b. signal pleine onde

III. Régulation de tension 1. Généralités 2. Diode Zener

a. principe

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PLAN DU COURS

b. caractéristique c. régulation de tension d. modélisation

3. Régulateur Zener a. synoptique b. conduction de la Zener c. analyse des performances

4. Filtrage et diagramme de Bode Chap 2. Le transistor bipolaire

I. Présentation 1. Description et symboles

a. transistor npn b. transistor pnp

2. Fonctionnement a. transistor non polarisé b. transistor polarisé c. rapport statique a

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PLAN DU COURS

d. tension de claquage e. gain statique b f. conclusion

3. Caractéristiques a. collecteur b. base c. gain en courant

4. Droite de charge statique 5. Régimes linéaire et NL

a. Transistor interrupteur b. Régime linéaire

6. Circuits de polarisation a. de base b. par réaction d ’émetteur c. par réaction de collecteur d. par division de tension

7. Polarisation universelle 8. Circuits à transistors pnp

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PLAN DU COURS

d. tension de claquage e. gain statique b f. conclusion

3. Caractéristiques a. collecteur b. base c. gain en courant

4. Droite de charge statique 5. Régimes linéaire et NL

a. Transistor interrupteur b. Régime linéaire

6. Circuits de polarisation a. de base b. par réaction d ’émetteur c. par réaction de collecteur d. par division de tension

7. Polarisation universelle 8. Circuits à transistors pnp

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PLAN DU COURS

c. gain en tension à vide d. impédance d ’entrée e. impédance de sortie

3. Montage collecteur commun a. montage initial b. schéma équivalent dynamique c. gain en tension à vide d. impédance d ’entrée e. impédance de sortie

4. Montage à base commune a. montage initial b. schéma équivalent dynamique c. gain en tension à vide d. impédance d ’entrée e. impédance de sortie

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PLAN DU COURS

Chap 3. Les transistors à effet de champ

I. Les JFET 1. Présentation

a. JFET à canal N b. JFET à canal P

2. JFET polarisé 3. Caractéristiques

a. caractéristiques de drain b. transconductance

4. Circuits de polarisation a. de grille b. automatique c. par diviseur de tension d. de source e. par source de courant

5. Régimes linéaire et non linéaire a. régime non linéaire b. comportement dynamique

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PLAN DU COURS

6. Applications à l ’amplification a. amplificateur à source

commune b. amplificateur à drain commun c. amplificateur à grille commune

II. MOSFET 1. MOSFET à appauvrissement

a. présentation b. régimes c. caractéristiques d. polarisation e. applications

2. MOSFET à enrichissement a. présentation b. tension de seuil c. caractéristiques d. polarisation e. polarisations des FET f. applications

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Introduction : notations

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V(t) : tension instantanée composée d ’un terme continu V0 et d ’un terme alternatif pur v(t)

v(t) = Vmax sin (wt + j) dont Vmax est l ’amplitude crête Veff = Vmax/Ö2 la valeur efficace

wt + j : angle en radians w : pulsation en rad/s = 2 p f f : fréquence en Hz = 1/T T : période en secondes j : phase à l ’origine en radians

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Notations en grandeur complexe V = (V ; j)

V : grandeur complexe V ou |V| : module (valeur efficace) j : argument

V = V e jj = V (cos j + j sin j) V = a + j b

a : partie réelle b : partie imaginaire

a = V cos j ; b = V sin j V = Ö(a² + b²) ; j = atan b/a

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Chap 1. Les diodes

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I.1. Semi-conducteurs

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I.2. Dopage

Semi-conducteur intrinsèque : cristal de silicium pur

Dopage : ajout d ’atomes d ’impuretés pour augmenter le nombre de charges à semi-conducteur extrinsèque a. Type N

ajout d ’atomes à 5 électrons sur la couche périphérique à électrons porteurs majoritaires

Arsenic (As), Antimoine (Sb), Phosphore (P)

b. Type P ajout d ’atomes à 3 électrons sur la

couche périphérique à trous porteurs majoritaires

Aluminium (Al), Bore (B), Gallium (Ga)

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I.3. Jonction PN - Diode

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I.4. Caractéristiques

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I.4. Caractéristique

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I.4. Caractéristique

Polarisation directe : la diode ne conduit pas tant qu

’on n ’a pas surmonté la barrière de potentiel

Au-delà de Vd = 0,7 V, une petite augmentation de tension implique une forte augmentation de courant

Polarisation inverse : on obtient un courant extrêmement petit

diode : conducteur à sens unique Ne pas dépasser la tension de

claquageet la puissance limite

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I.5. Droite de charge

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I.5. Droite de charge

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I.6. Approximations

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I.6. Approximations

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II. Redressement et filtrage

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II.2. Transformateur

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II.3. Redresseur demi-onde

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II.3. Redresseur demi-onde

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II.4. Redresseur en pont

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II.4. Redresseur en pont

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II.5. Filtrage

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II.5. Filtrage

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III. Régulation de tension

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III.1. Généralités

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III.2. Diode Zener

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III.2. Diode Zener

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III.2. Diode Zener

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III.3. Régulateur Zener

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III.4. Filtrage et diagramme de Bode

Lois de base: Loi d’ohm générale:

U = Z I

Loi des nœuds: Pour 1 nœud, la somme des

courants entrants = somme des courants sortants: ici

i3 + i2 = i1

Z

U

I

i1

i3

i1

i2

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Loi des mailles: Somme des tension sur une maille

=0 On part d’un point et on revient au

même endroit.

Ici: -V + Z1i1+ Z2i2 = 0 Ou: -V + Z1i1+ Z2i3 + Z4i3=0

Z1

Z3

Z2

Z4

i1

i3

i2

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Formule du pont diviseur V2 = V1* (Z2/(Z1+Z2))

Association d’impédances Série: Zt = Z1+Z2

Z1

Z2

I

V1 V2

Z1 Z2 Zt

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Parallèle: Zt = (Z1Z2/Z1+Z2)

Impédance des dipôles passifs

Passif: à base de R,L et C -> pertes, pas d’alimentation.

Actif: il faut fournir une alimentation continue pour obtenir une amplification de V ou I (T, AOP).

Z1

Z2

Zt

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Résistance: Zr=R -> V=ZrI=RI V et I sont en phase

Caractéristiques d’une résistance: Valeur en Précision en % Puissance en W Stabilité (en T°, en temps..)

Potentiomètre: R variable Thermistance: R varie en fonction de la

température Photo résistance: R varie en fonction de la

lumière

Zr

V

I

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Self inductance ou self: V=Zl*I=jLwI

L: inductance en Henri Zl est imaginaire pure et dépend de

w, on modélise par approximation le comportement en fréquence.

BF: f->0 w->0 Zl->0 L=>CC HF: f->inf Zl->inf L=>CO La self laisse passer le continu mais

bloque les HF; elle s’oppose aux variations rapides.

En fait la self a une résistance interne r Zl=r+jLw = |Zl|=sqrt(r²+(Lw)²)

V

IL

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Condensateur: Zc= 1/(jCw)

C: capacité en Farad On a une influence de la

fréquence qui est l’inverse de la self

f->0 Zc-> inf => C=CO f->inf Zc->0 => C=CC Le temps de charge d’un

condensateur dépend de =1/(RC)

C

V

I

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Fonctions de transfert H = Vsortie/Ventrée

Impédances d’entrée et de sortie Ze: impédance équivalente vue de

l’entrée. Ze=Ve/Ie Zs: impédance équivalente vue de la

sortie. Ze=Vs/Is

Ze

Zg

ZlZs

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Types de filtre Actif, passif (T ou RLC) Passe bas, passe haut,

passe bande ou coupe bande

Ordre du filtre n (relié au nbre d’éléments C ou L)

Fonction du filtre (Butterworth, Chebychev, Bessel…)

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Passe bas 1er ordre

Passif -> filtre RC C en // -> passe bas

Fonction de transfert On regarde la TF à vide

H=Vs/Ve = Zc/(Zc+Zr) =1/(1+jRCw) On pose w0=1/(RC) ; w0 pulsation

propre D’où H=1/(1+j(w/w0))

Ordre n=1 -> w puissance 1 et 1 condo Etude du module

|H|=1/sqrt(1+(w/w0)²) On exprime en dB |H|=20log|H|

=-10log(1+(w/w0)²)

R

C VsVe

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De manière générale: Atténuation de -20dB/dec ou -

6dB/octave La fréquence de coupure est

déterminée à -3dB. La bande passante va de 0 à fc

|H|dB

f

-20dB/dec

fc

BP=[0;fc]

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De manière générale: Phase de H = arctan(w/w0) Passe bas phase H= -n()

Forme canonique: H=K/(1+j(w/w0))

ffc

-

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Passe haut du 1er ordre

Fonction de transfert H=1/(1-j(1/RCw)); H=1/(1-j(w0/w))

Forme canonique H=K/(1-j(w0/w))

R

CVe Vs

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Diagramme de Bode|H|dB

f

-20dB/dec

fc

BP=[f0;inf[

ffc

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Passe bande ou coupe bande Combinaison d’un passe haut

et d’un passe basP bas P hautf1 f2

Si f2<f1 Passe bande Si f1<f2 coupe bande

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Chap 2. : Transistor bipolaire

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I.1. Description et symboles

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I.1. Description et symboles

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I.2. Fonctionnement

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I.2. Fonctionnement

Diode émetteur : commande par VBE le nombre d ’électrons libres injectés dans la base

95% des électrons injectés par l ’émetteur atteignent le collecteur

IC # IE c. rapport statique

= IC /IE souvent > 0,99 d. tension de claquage

Breakdown Voltage : dépend du dopage

BVBE = 5 à 30 V BVCE = 20 à 300 V

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I.2. Fonctionnement

e. gain statique = hfe = IC /IB 50 < < 300 (jusqu ’à 1000)

f. conclusion transistor bipolaire en régime linéaire

si : 1. La diode émetteur soit polarisée en

direct 2. La diode collecteur soit polarisée en

inverse 3. La tension entre les bornes de la

diode collecteur soit inférieure à BVCE Tbip = dispositif actif

amplificateur Source de courant IC commandée par

IB IE = IC + IB IC # IE

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I.4. Droite de charge statique

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I.5. Régimes linéaire et NL

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I.6. Circuits de polarisation

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I.7. Polarisation universelle

Connus : VCC, R1, R2, RE, RC, T (VBE, b)

Inconnus : IB, IC, IE, Vbm, Vem, Vcm

Hypo : IB << IR2 alors Vbm # Vcc R2/(R1 + R2) Vem = Vbm - Vbe IE = Vem /RE IC = b IE / (b + 1) Vcm = VCC - RCIC IB = IC / b

Vérifier l ’hypo IBmax = IC / bmin << IR2 =

Vbm/R2

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I.8. Circuits à transistors pnp

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II. Généralités sur l’amplification

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II.2. Environnement réel

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II.3. Régime petit signal

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II.4. Couplage et découplage

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II.5. Théorème de superposition

Démarche de l ’étude 1. Etude statique grandeurs continues V0,

I0 annuler les sources alternatives (Ve) ouvrir les condensateurs de couplage remplacer les transistors par leur modèle

statique

Schéma équivalent statique 2. Etude dynamique grandeurs

alternatives v(t), i(t) annuler les sources continues (Vcc) court-circuiter les condensateurs de

couplage remplacer les éléments actifs par leur

modèle équivalent dynamique petit signal

Schéma équivalent dynamique 3. Etude globale

Chaque grandeur est la somme de sa composante continue et de sa composante alternative

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III. Régime dynamique

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III.1. Modèle dynamique

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III.2. Montage émetteur commun

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c. Gain en tension à vide G0 G0 = vs/ve = - RC h21 /(h11 +

RE( h21+ 1)) si h21 >> 1 alors G0 # - RC/RE Déphasage de p entre ve et vs

d. Impédance d ’entrée Ze Ze = RB//(h11 + RE(h21 + 1))

e. Impédance de sortie Zs ZS = RC

amplification + déphasage Ze élevée Zs moyenne EC =AMPLI de

tension

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III.3. Montage collecteur commun

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c. Gain en tension à vide G0 G0 = RE (h21 + 1) /(h11 +

RE( h21+ 1)) si h21 >> 1 alors G0 # 1 G0 ≤ 1

d. Impédance d ’entrée Ze Ze = RB//(h11 + (RE//ZL)(h21 +

1)) e. Impédance de sortie Zs

ZS = RE//((h11 + RB//Zg)/(h21 + 1))

pas d ’amplification ni de déphasage

Ze élevée Zs faible CC = SUIVEUR

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III.3. Montage base commune

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c. Gain en tension à vide G0 G0 = RC h21 / h11 pas de déphasage

d. Impédance d ’entrée Ze Ze = RE//(h11/ (h21 + 1))

e. Impédance de sortie Zs ZS = RC

forte amplification sans déphasage

Ze faible Zs moyenne BC = AMPLI HF

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Chap.3 : Les TEC

Transistors unipolaires : un seul type de charge (trou ou électron)

Transistor à Effet de Champ = TEC

Field Effect Transistor = FET 2 familles :

JFET : Junction FET ou TEC à jonction

MOSFET : Metal-Oxyde- Semiconductor FET

commandés par tension 3 électrodes : Drain, Source et

Grille

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I. JFET

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I.2. JFET polarisé

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I.6. Applications à l’amplification

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I.6. Applications à l ’amplification

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II. MOSFET

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II.1. MOSFET à appauvrissement

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II.2. MOSFET à enrichissement

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III. AOP

Un des composants les plus utilisés et un des plus simples à mettre en œuvre.

Présentation C’est un CI comportant de nombreux

étages à transistors (20 à 30 T) avec des caractéristiques quasi idéales:

Ze = 2M Zs = 100 G0 = 200 000

C’est un ampli différentiel avec 2 entrées et 1 sortie

V+

V-

+

-

+

-

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III. AOP

tension différentielle = V+ - V- Vs = A avec A: amplification en BO

Modèle et caractéristiques

En pratique Is limité à environ 10mA i- et i+ environ 10-10A Ze de 106 à 1012 A grand mais dépend de BP Zs de 10à 100

i+=0

i-=0

A

V+

V-Vs

is

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III. AOP

En régime linéaire = 0

Régime linéaire et NL La relation i+= i- =0 tjrs vrai. Régime linéaire pour cela il faut une

contre réaction (sortie reliée à V-)

Vsat-

Vsat+

-

+

Ve

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III. AOP

Régime non linéaire alors ≠0 et Vs =+- Vsat

AOP en BO donc pas de CR

Si >0 alors Vs= Vsat+ Si <0 alors Vs= Vsat- Quand change de signe, la commutation est

pratiquement instantanée

V+

V-

+

-

Vs

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III. AOP

Réaction (liaison entre la sortie et V+)

La fraction de Vs réinjectée en entrée est en phase avec V+ donc si V+ augmente, Vs augmente jusqu’à Vsat+

Ici encore, si >0 Vs=Vsat+ et si <0 Vs=Vsat- Pour étudier le montage en régime NL:

On détermine l’évolution de V+ et V- pour en déduire

Pour étudier le montage en régime linéaire: On écrit la loi des mailles pour chaque branche avec

=0 On écrit la loi des nœuds pour chaque nœud avec i+ =

i- =0 On résout le système d’équations pour exprimer Vs en

fct de Ve

+

-

Ve

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III. AOP

AOP en régime linéaire Exemples de montages

Ampli de tension non inverseur

G0=1+(z2/z1) Ze ->inf Zs = 0

Montage suiveur

Vs= Ve (étage tampon)

-

+

Ve

Z1

Z2

Vs

V+

V-

+

- Vs

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III. AOP


Ampli de tension inverseur

G0=-(z2/z1) Ze ->z1 Zs = 0

Montage sommateur

Vs= -[(z4/Z1)V1 + (z4/z2)V2 +(z4/z3)V3]

-

+Ve

Z1

Z2

Vs

-

+

Z1 Z4

Vs

Z2

Z3

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III. AOP


Ampli différentiel

Vs = [(z1+z2)/z1]x[z4/(z3+z4)]xV2 – (z2/z1)V1

Dérivateur

-

+

Z1

Z2

VsZ3

Z4

-

+

R

Vs

On produit en sortie un signal rectangulaire si le signal d’entrée est une rampe

Vs= -RC dVe/dt

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III. AOP


Intégrateur

Vs = -1/(RC) intégral Ve dt

-

+

R

Vs

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III. AOP


Filtre actif

G0 = K/[(1+j(w/w2))x(1-j(w1/w))]

-

+

R1

Vs

R2

C1C2

Passe bas Passe haut

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III. AOP

AOP en régime non linéaire Exemples de montages

Comparateur à 1 seuil

-

+

VsVref

Ve

VrefVsat+

Vsat-

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III. AOP

AOP en régime non linéaire Exemples de montages

Comparateur à hystérésis (ou à 2 seuils)

1 seuil lorsque la grandeur croit Vref+ 1 seuil lorsque la grandeur décroît Vref- Vref- = [(R1+R2)/R2]Vref – (R1/R2)Vsat V = Vref+ - Vref- = 2(R1/R2)Vsat Vc = (Vref+ + Vref-)/2 = [(R1+R2)/R2] Vref

+

-

VsVref

Ve

Vsat+

Vsat-

R1

R2

V

Vc

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BIBLIOGRAPHIE Electronique Dornier Ed Foucher Coll Plein Pot Théorie ISBN 2-

216-01628-4 Applications et problèmes ISBN 2-216-01629-2 Electronique analogique Merat R. Moreau L.Allay J.P. Dubos J.

Lafargue R. Le Goff Ed Nathan Coll Etapes n° 52 ISBN 2-09-176893-6

Electronique linéaire : Cours avec exercices et travaux pratiques Blot Dunod Université ISBN 2-10-001133-2

Electronique linéaire : exercices résolus Blot Dunod Université ISBN 2-10-001777-2

Les transistors : Eléments d’intégration des circuits analogiques J. Blot Ed. Dunod

Circuits électriques et électroniques Milsant Ed. Ellipses Micro-électronique Millman - A. Grabel Ed. Mac Graw Hill 4

tomes T1 : Dispositifs à semi-conducteurs T2 : Circuits et systèmes numériques T3 : Amplificateurs et systèmes amplificateurs T4 : Traitement de signaux et saisie de données - Electronique de puissance

Guide pratique de l’électronique Bourgeron Hachette Technique Guide Pratiques Industriels ISBN 2-01-166590-6

Memotech Electronique Composants J.C. Chauveau G.Chevalier B. Chevalier Coll A. Capliez Educalivre ISBN 2-7135-1353-7

Guide du technicien en électronique Cimelli R. Bourgeron Hachette Technique ISBN 2- 01-16-6868-9

Technologie des composants électroniques 3 Tomes Besson SECF Ed

Radios ISBN 2-7091-0821-6 ISBN 2-7091-0872-0 ISBN 2-7091-0983-2

Le mémento des fondements de l’électronique Altmann Ed Fréquences Difffusion Eyrolles ISBN 2-903055-26-2

Principes d'électronique A. P. Malvino McGrawHill ISBN : 2-7042-1176-0

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