Transcript Cours : Séance 1

© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Séance 1
N° 1
• Analyse de Circuits Linéaires Rappels :
- Théorèmes : Thévenin, Norton, Millman,Superposition
• Transistors Bipolaires :
modèle amplificateur de courant
• Polarisation des transistors bipolaires
• Modèle EBERS - MOLL
• modèle petits signaux
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Circuits électriques
N° 2
Dipôle
i
Circuit électrique : ensemble de composants
interconnectés
Dipôle : composant présentant 2
ports de connexion
Quadripôles : 4 ports de connexion
v
i = f(v)
i1
v1
i2
Quadripôle
v2
V
caractéristique courant - tension
Charge
Source
(i2, v2) = F(i1 , v1)
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Dipôles Linéaires
N° 3
C
R
I
L
I
I
U
U
U
I= CdU/dt
U=Ldi/dt
Z=R
Z=1/jCw
Z=jLw
Résistance
Capacité
U=RI
Inductance
U=Z I
Composant linéaire : décrit par un ensemble d'équations (différentielles) linéaires
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Sources de courant & tension (linéaires)
N° 4
ie
Us = z21 ie
is
courant
indépendant
us
tension
indépendante
tension dépendante d'un courant
ue
us = h'21 ue
ue
tension dépendante d'une tension
ie
is = y21 ue
courant dépendant d'une tension
y21 : transconductance
is = h21 ie
courant dépendant d'un courant
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Analyse de circuits linéaires
N° 5
•
•
•
•
Théorème de Thévenin
Théorème de Norton
Théorème de Millman
Principe de superposition
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Théorème de THEVENIN
N° 6
V1
A
A
Veq
Charge
Charge
<=>
I2
Req
B
Req est la résistance entre A et B
lorsque toutes les sources sont annulées:
- sources de tension court-circuitées
- sources de courant ouvertes
B
Veq est la tension entre A et B
à circuit ouvert (pas de charge)
A
R1
V1
A
V1*R2/(R1+R2)
R2
R1||R2
B
B
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Théorème de NORTON
N° 7
V1
A
A
Ieq
Charge
<=>
B
I2
Req est la résistance entre A et B
lorsque toutes les sources sont annulées:
- sources de tension indépendantes
court-circuitées
- sources de courant ouvertes
R1
V1
Req
B
Ieq est le courant de court-circuit entre
A et B
A
A
V1/R1
R2
B
Charge
R1||R2
B
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Théorème de MILLMAN
N° 8
R1
R2
R3
Rn
A
Va
V1
V2 V
3
Va
Vn
Va =
V1
---R1
R1
V1
V2
---- + ---- +
R1
R2
V3
Vn
---- + … + ---R3
Rn
1
1
---- + ---- +
R1
R2
1
1
---- + … + ---R3
Rn
V2
---R2
R2
V3
---R3
R3
Vn
---Rn
Rn
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Théorème de Superposition
N° 9
L'effet résultant de plusieurs sources de courant et/ou de tension indépendantes
dans un circuit ne comportant que des éléments linéaires est équivalent
à la somme des effets de chacune de ces sources prise isolément.
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Transistor Bipolaire
N° 10
•
•
•
•
•
•
Description
Caractéristiques
Régime statique
modèle EBERS - MOLL
Régime dynamique
Montages de Base
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Transistor Bipolaire
N° 11
collecteur
P
N
P
collecteur
base
N
base
P
N
émetteur
transistor N - P - N
émetteur
transistor P - N - P
• Composant non linéaire
•Composant à base de semi-conducteur :
• 3 couches de semi-conducteur dopées N ou P
• 2 types de transistors : NPN & PNP
• Applications variées :
• circuits analogiques : amplificateurs, oscillateurs,...
• circuits numériques : portes logiques, bus, RAM, ...
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Effet transistor
N° 12
IC
B
C
NPN
E
IC
IB
C
B
E
PNP IB
• Jonction Base-émetteur polarisée en direct
• Jonction Base-collecteur polarisée en inverse
Courant collecteur (IC)important
proportionnel au courant de base
IC =b IB
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Modèle du transistor bipolaire
N° 13
IC
3 mA
VCE
IB
VBE
IC
5 mA
2 mA
IE
VCE
VCE(sat)
IC
IC = b IB
IB
VBE
IE
IB = 30 mA
IB = 20 mA
IB = 0
VCE
B VCEO
VCE
zone de saturation
0.6 V
IB = 50 mA
Zone de fonctionnement
à éviter : claquage du transistor
Caractéristiques de collecteur à courant de base constant
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Transistor bipolaire : utilisation
N° 14
IC
IC
points de fonctionnement
zone de fonctionnement
point de polarisation
IB = IB (sat)
saturation
blocage
fluctuations vCE
grands signaux
grands signaux : interrupteur
• commutateurs électriques
• Circuits numériques
IB =0V
VCE
IB
fluctuations vCE
petits signaux
petits signaux : polarisation
• amplificateur
• sources : courant, tension
• oscillateurs
VCE
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
transistor bipolaire : interrupteur
N° 15
points de fonctionnement
VCC
VCC
Charge
R1
IB
bIB
S= E1 nor E1
E1
E2
R2
ouvert : IB =0=> T bloqué IC =0
fermé : IB = IB0 T saturé IC =bIB0
porte nor RTL
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
N° 16
Transistor Bipolaire:
fonctionnement petits signaux
• En fonctionnement petits signaux on distingue deux
catégories de sources d'énergie :
– les sources continues qui déterminent le régime statique
– les sources variables qui définissent le régime dynamique
• La réponse d'un composant non-linéaire est la supperposition
de la réponse statique et la réponse dynamique
• le régime statique détermine la polarisation du composant
non-linéaire (point de fonctionnement en continu )
• le régime dynamique est déterminé à partir du point de
fonctionnement continu par des modèles linéaires obtenus
par différentiation de la caractéristique courant-tension en ce
point
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Détermination du
Point de polarisation statique
N° 17
• Le régime statique d'un montage désigne le mode de
fonctionnement dans lequel seules les composantes
continues des sources sont prises en compte
• Le Circuit équivalent en statique :
– les capacités sont équivalentes à des impédances infinies et
– les inductances à des impédances nulles
E
R1
R3
R2
e
C2
C4
C1
R5
R4
C3
R1
R2
Circuit équivalent
en statique
R3
R5
R4
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Polarisation de base
N° 18
RC
C
RB
IB
+
+
B
VBB
IC
VCC
3 mA
2 mA
-
-
IC
Saturation
IB >IB (sat)
droite de charge statique de RC
IB = IB (sat)
Q
E
IB
RB
B
C
RC
IB = 0
IC
+
+
0.6V
VBB
-
E
IB =(VBB -0.6V)/ RB
-
point de fonctionnement
VCE
VCC
point de blocage
IB =(VBB -0.6V)/ RB
IC = bIB
VCE =VCC - RC IC
Inconvénient : sensible aux variations de b
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Polarisation par diviseur de tension
N° 19
Condition de validité : R1 || R2 << bRE
VCC
R1
I1
VB
RC
IB
IE = (VB - VBE )/ RE
IE = IB + IC =(1+1/b) IC
R2
I2
IB négligeable par rapport à I1 VB = VCC R2/(R1 +R2)
RE
VCE = VCC - RC IC - RE IE
IC = IE b/(1+b)
VCE = VCC - (RC b/(1+b) + RE) IE
Avantage : point de polarisation stable
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Polarisation d'émetteur
N° 20
+VCC
IE = VEE /RE
RC
IB négligeable
IE = I C + IB
masse approximative
RB
VCE = VCC - RC IC
RE
-VEE
Avantage : signaux d'entrée symétriques
par rapport à la masse
Inconvenient : requiert une alimentation fractionnée
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Polarisation des transistors PNP
N° 21
-VCC
RC
-VCC
R1
I1
RB
RE
RC
IB
R2
I2
+VEE
Il suffit d'inverser le sens des courant et
des tensions
RE
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
N° 22
Variation du gain en courant avec
la Température et le courant collecteur
b
T = 100°C
T = -50°C
IC
Pour une température donnée le gain en courant peut varier dans un
rapport de 2/1 en fonction du courant collecteur
• Pour un même courant collecteur, le gain β peut varier dans un
rapport de 3/1 en fonction de la température
•vBE décroit à un rythme d'environ 2mV/°C
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Modèle EBERS-MOLL
N° 23
• Le transistor est vu comme un transconducteur:
– c'est la tension base émetteur qui programme le courant collecteur
suivant la formule :
IC = IS [exp(VBE /VT ) - 1] avec :
» VT=kT/q = 25.3mV pour une température ambiante de 20 °C,293°K
» k=1.38 10-23joules/°K : constante de Boltzman
» q=1.6 10-19Coulombs : charge électrique d'u électron
• Il prend en compte l'influence de la température
• Il permet de calculer la résistance émetteur petits signaux
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
N° 24
modèle duTransistor Bipolaire :
basse-fréquence (paramètres h)
En basse fréquence, on néglige les effets liés aux capacités internes du
transistor.
Le transistor est décrit par un quadripôle aux paramètres hybrides
iB
vBE
iC
h11
iC = h21 iB
impédance
d'entrée
h22 = [iC / vCE] (iB =0)
admittance
de sortie
1/h22
vCE
h12 vCE
h12 = [vBE / vCE] (iB =0) influence de v sur v
CE
BE
h21 = [iC / iB] (vCE =0)=b
h11 = [vBE / iB] (vCE =0)
gain en
courant
vBE =
h11 iB + h12 vCE
iC =
h21 iB + h22 vCE
h12 et h22 modélisent l'effet EARLY
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
N° 25
Modèle p transistor Bipolaire :
basse fréquence
iB
iC
rBC
vBE
rBE
iC =
gmVbe
rCE
vCE
rBE = h11
rBC = h11 / h12
rCE = 1/h22
gm= b/h11
gm gain de transconductance mA/v
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
N° 26
Transistor Bipolaire :
modèle simplifié petits signaux BF
iB
iC
vBE
h11
iC = h21 iB
vCE
iB
iC
vBE
h11
• dans la pratique, on néglige souvent h12 et h22
• h21 = β
• h11 = β*VT/IC0
exprimé en Ohm
• gm = β/ h11
exprimé en mA/V
iC =gm vBE
vCE
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Circuit équivalent en dynamique :
capacité de couplage
N° 27
• En régime variable, les capacités ont une impédance de 1/jCw
qui n'est pas infinie (wdifférent de 0)
• En fonction de la fréquence la plus basse des signaux
variables, certaines capacités dites de couplage auront une
impédance négligeable (rapport 1/10 par exemple) par rapport
aux résistances du montage :
C
A
|1/jCw|<<R
R
B
A
B
Circuit équivalent en dynamique
C : capacité de couplage
© ESIM EII-ISMEA1994 cours électronique analogique 1 - imprimé le 13/04/2015
Circuit équivalent en dynamique
N° 28
E
R1
e
source
variable
R3
R2
C2
C1
R5
condensateur de
couplage ou
de découplage :
- ouvert : statique
- fermé : dynamique
R4
R1
R2
R4
R3
VCE1
C4
Circuit équivalent
en statique
C3
R5
Circuit équivalent en dynamique
e
R1
R2
R3
R4
vs