Transcript Document 4626531

IUT G.E.I.I Salon
Systèmes électroniques
Electricité, électronique
UE21: Module SE2
O. PALAIS
Systèmes électroniques
Electricité, électronique
SE1 - 1
2
1
Plan du Cours SE2
Ce cours traite de la partie « Fonctions de l’électronique » du module SE2. Afin de pouvoir
comprendre les notions d’impédances d’entrée/sortie, d’association de quadripôles, etc. le
transistor bipolaire sera partiellement introduit.
Les autres parties de ce module (dualité temps/fréquence et le filtrage) seront vues ailleurs.
• 
• 
• 
• 
• 
• 
Quadripôle et impédances d’entrée et de sortie
Association des quadripôles
Le Transistor bipolaire
Les amplis à transistor
Sources de courant et de tension « évoluées »
Générateurs de signaux
SE1 - 1
3
1- Rappels de SE1…
Amplification et Gain en puissance
Source
d énergie
Préampli
AP =
PS
PE
Ampli
GP = 10. log
SE1 - 2
PS
= 10 log AP
PE
4
2
Quadripôles
I1
I2
V1
V2
Paramètres h
V1=h11.I1+h12.V2
I2 = h21.I1+h22.V2
Paramètres Z
V1=Z11.I1+Z12.I2
V2=Z21.I1+Z22.I2
Paramètres Y
I1=Y11.V1+Y12.V2
I2=Y21.V1+Y22.V2
SE1 - 2
5
Représentation des quadripôles
Z11
I1
V1
Z22
Z12.I2
I1
V1
I2
Y12.V2 Y21.V1
Y22
V1 Y11
I1
V2
Z21.I1
h11
h12.V2
V2
I2
h21.I1
h22
V2
SE1 - 2
Impédances
Paramètres Z
V1=Z11.I1+Z12.I2
V2=Z21.I1+Z22.I2
Admittances
Paramètres Y
I1=Y11.V1+Y12.V2
I2=Y21.V1+Y22.V2
Hybrides
Paramètres h
V1=h11.I1+h12.V2
I2 = h21.I1+h22.V2
6
3
Amplification en tension
et en courant
VS
AV =
VE
IS
AI =
IE
AP = AV . AI
PS VS2 RE
=
. 2
PE RS VE
SE1 - 2
7
Relations entre gains
&R ,V
GP = 10 log $ E .** S
$% RS + VE
)
''
(
2
#
!
!"
GP = 10 log
V
RE
+ 20 log S
RS
VE
On définit le « Gain en tension » :
GV = 20 log
VS
VE
GP = 10 log
SE1 - 2
RE
+ GV
RS
8
4
Amplificateurs en cascade
A1
A2
A3
•  Av = Av1 . Av2 . Av3 …
•  Gv = Gv1 + Gv2 + Gv3 + …
SE1 - 2
9
Impédances d’entrée et de sortie
-  Les quadripôles amplificateurs (comme tous les quadripôles)
ont une impédance d’entrée Ze et une impédance de sortie Zs
qui doivent être respectivement compatibles avec le circuit
délivrant le signal à amplifier et celui qui reçoit le signal de sortie
(la charge).
-  Dans le cas d’un amplificateur différentiel à plusieurs entrées
chaque entrée « i » a sa propre impédance Zei.
-  Dans certains cas il peut y avoir interaction entre impédances
de sortie et d’entrée (par ex. Zs = f(Ze))
SE1 - 2
10
5
Impédances d’entrée et de sortie
Is
Ie
Amplificateur
Vs
Ve
Impédance d’entrée:
Impédance de sortie:
SE1 - 2
11
2 - Transistor bipolaire
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
Notions fondamentales
Transistor passant / bloqué
Gains en courant en statique
Caractéristiques statiques
Valeurs limites
Droite de charge statique
Transistor interrupteur, en commutation,
en source de courant
EN1
12
6
Notions fondamentales
Jonction
E-B
N
Jonction
B-C
P
émetteur
base
P
N
•  Emetteur : fortement
dopé, de dimensions
moyennes
N
collecteur
P
•  Base : faiblement
dopée, mince
•  Collecteur :
moyennement dopé,
de grandes
dimensions
EN1
13
Technologie « planar »
EN1
14
7
Symboles et polarisations
C
B
•  La flèche indique
l émetteur et le sens
du courant direct
C
B
E
NPN
•  Jonction émetteurbase en direct
•  Jonction basecollecteur en inverse
E
PNP
EN1
15
Courants : IE = IB + IC
EN1
16
8
Caractéristique de base
•  Diode base-émetteur à VCE
constant
EN1
17
Caractéristique de collecteur
Courant base IB
constant
EN1
18
9
Réseau IC = f(VCE)
•  Une caractéristique
pour chaque valeur du
courant de base
EN1
19
Valeurs limites
Limitation par
puissance maximum
(hyperbole de
dissipation maximum)
Limitation
par courant
maximum
Limitation
par tension
maximum
EN1
20
10
Droite de charge
•  Elle est imposée par le
circuit
•  Le point de repos
dépend de la valeur du
courant base
•  Le point de
fonctionnement se
déplace lorsque le
courant base varie
EN1
21
Gain en courant statique
EN1
22
11
Commutation : fermeture
•  td : « delay time » entre
ib = 10% de ibf
et ic = 10% de icf
ibf
0,1ibf
•  tr : « rise time » entre ic
= 10% et 90% de icf
t
icf
0,9icf
•  tON = td + tr
0,1icf
td
tr
t
EN1
23
Commutation : ouverture
•  ts : « storage time » :
ib
temps d évacuation de 0,9ib
la charge stockée dans
la base entre 0,9ib et ic
= 90% ic(ON)
•  tf : « fall time » : ic
ic
ic
0,9
entre 90% et 10% de
ic(ON)
•  toff = ts + tf
charge stockée
dans la base
t
0,1ic
ts
EN1
tf
t
24
12
Source de courant
•  VE = RE.IE
+Vcc
RC
VB
•  VE = VB - Vγ
•  IE = (VB-Vγ)/RE = IC
Vγ#
I
REE
VE
•  IE et IC indépendants de β#
•  IC « commandée » par
VB
EN1
25
Amplificateur à transistor
bipolaire Variation de V
Ib varie
BE
Le point de
fonctionnement
se déplace
IC et VCE
varient
EN1
26
13
Couplage par condensateurs
VCE (t ) = VCEQ + Vce (t )
VB (t ) = VBQ + Vb (t )
Vch (t ) = Vce (t )
•  C1 laisse passer le signal d entrée
•  C2 bloque la composante continue
EN1
Circuit
complet
27
Circuits équivalents
Continu
Petits signaux
EN1
28
14
Modèle du transistor en
« petits signaux »
ib
vBE
h11
h21.ib
h12.vCE
iC
h22
vCE
Emetteur
commun
•  vBE = h11.ib + h12.vCE
•  iC = h21.ib + h22.vCE
EN1
29
Approximations sur le modèle
•  A l entrée :
ib dépend peu de VCE (effet Early)
h12 = 0
•  A la sortie :
la résistance 1/h22 de la source de courant
est grande devant celle du reste du circuit
h22 = 0
EN1
30
15
Application: Amplificateur à
Emetteur Commun
• 
• 
• 
• 
Etude en petits signaux
Droites de charge statique et dynamique
Rendement
Calcul des condensateurs
EN1
31
Schémas
Vsortie
Base
Collecteur
ib
Ventrée
βib
R1
R2
rb
Rc
ρ
Emetteur
1-Modèle du transistor
2-Connexions
3-(Redessiner schéma)
EN1
32
16
Amplification
ie
ib
is
vs0
βib
ve
rb
R1 R2
Rc
ρ
en sortie ouverte : Av0 = vso/ve = -β.Rc/rb
en sortie chargée : Av = vs/ve = -β.(Rc//RL)/rb
Résistance d entrée : Ri = ve/ie = rb // R1 // R2
Résistance de sortie : Ro = vso/is = Rc
EN1
33
Amplification de puissance
VS2
P
R
Ap = S = L2
V
PE
E
rb
Ap =
rb VS 2 rb 2
( ) =
Av
RL VE
RL
3
Ap =
rb RL
Avo2
2
( Rc + RL )
2
AP RL
1
0
0
100
200
300
400
500
RL
RL=RC
EN1
34
17
Droites de charge
Déplacement des points de blocage et de saturation
Saturation
RL
Blocage
En sortie chargée, RC remplacée par RC // RL
EN1
35
Rendement
Puissance fournie par le générateur continu :
PE = VCC .I CQ + VCC .I pont ≥ VCC .I CQ
Puissance absorbée par la charge : PL =
2
2
VCEMax
1 T vCE
dt
=
T ∫0 RL
2 RL
Puissance absorbée par Rc // RL :
PL' =
2
2
VCEQ.ICQ VCC.ICQ
VCEMax
V
.I
1 T vCE
dt
=
= CEMax CMax<
<
∫
T 0 RC // RL
2(RC // RL)
2
2
4
PL < PL
Rendement :
EN1
PL 1
< = 25%
PE 4
36
18
Puissance dissipée par le
transistor
PT =
1 T
(VCEQ + VCEM cos(ωt ))(. I CQ − I CM cos(ωt ))
T ∫0
PT = VCEQ I CQ −
VCEM I CM
2
1 - PT est maximale en l absence de signal
2 - PT est supérieure au double de la puissance utile !
EN1
entrée
ETH
37
Calcul des condensateurs
RTH
RI
CI
ZC << RTH + RI
sortie
VO
RO
RL
CS
ZC << RO + RL
Exemples :
EN1
38
19
Calcul du condensateur de
découplage
Base
E ie
Emetteur
Collecteur
βib
A
ib
S
rb
RB
CE
RE
M
RC
M
Masse
A relié à la masse si :
1) ZC = 1/CEω<<RE
2) VAM = βib/CEω<<rbib = VEA
La condition 2 est plus contraignante que la condition 1
EN1
39
3 - Réaction - Contre-réaction
• 
• 
• 
• 
• 
• 
Principe
Relations générales des systèmes bouclés
Cas particulier
Transmittance et gain en boucle ouverte
Marge de gain - Marge de phase
Différents types de contre-réaction
Electronique
40
20
Principe de la réaction
Chaîne directe
Grandeurs complexes :
Amplitude et Phase
ε
E
+
+
Comparateur
A
S
R
β
Chaîne
de réaction
Electronique
41
Relations générales
Chaîne directe : S = A.ε
E
ε A
S
Comparateur : ε = E + R
R
β
Chaîne de réaction : R = β.S
S = A.(E+β.S)
Formule de Black
Ar =
Electronique
S
A
=
E 1 − β .A
42
21
Modes de fonctionnement
E
S
A
Ar = =
E 1 − β .A
ε
R
A
S
β
1 − β . A > 1 ⇒ Ar
< A
Contre-réaction
1 − β . A < 1 ⇒ Ar
> A
Réaction positive
1 − β . A = 0 ⇒ Aβ = 1..et.. arg( A) + arg(β ) = 0
Oscillateur
Electronique
43
Cas particulier
Ar =
S
A
=
E 1 − β .A
Si A est grand :
Ar = −
1
β
L amplification avec réaction
ne dépend que de la chaîne de réaction
Electronique
44
22
Transmittance et Gain en
« boucle ouverte » ve
T=
vr
= A.β
ve
ε
vs
A
vr
β
G0 = 20. log T
Système instable si T=1
T =1
(ou G=0)
ϕT = 0
Electronique
45
Stabilité des systèmes réactionnés
Pour qu un système soit stable, il faut que l une des
conditions au moins ne soit pas satisfaite, donc :
- si T = 1 (ou G=0)
- si
ϕT = 0
Il faut : ϕT ≠ 0
Il faut : G<0
Electronique
46
23
Marges
φ
0
de phase
f
30° à 45°
GdB
0
de gain
f
-10 dB
Electronique
47
Contre-réaction
Tension-tension ( //-série)
Tension-courant ( //-//)
A
A
β
β
Courant-courant (série- //)
Courant-tension (série-série)
A
A
β
β
Electronique
48
24
4 -Montages
à collecteur commun
• 
• 
• 
• 
• 
Amplificateur
Montage Darlington
Suiveur Zener
Amplificateur classe B
Miroir de courant
Electronique
49
Amplificateur
Entrée
Entrée : base
Sortie : émetteur
Collecteur à la masse
« à travers » Vcc
Sortie
Electronique
50
25
Schéma petits signaux
Base
Ventrée
Collecteur
ib
βib
RB
rb
Vsortie
ρ
RE
Emetteur
Electronique
51
Schéma petits signaux
Base
Emetteur
ib
rb
Ventrée
RB
RE
ρ
βib
Vsortie
Collecteur
Av = Vsortie/Ventrée # 1
Electronique
52
26
Résistance d entrée
Ventrée
ie
ib
rb
RB
ρ
RE
βib
RL
Ventrée = rb.ib+(RE // RL).(β+1)ib
Ri = RB // β(RE // RL)
ie = ib + Ventrée / RB
Electronique
53
Résistance de sortie = Vso / iscc
En circuit ouvert
Vs 0 ≈ Ventrée
Vs 0 = ETH
avec :
RTH
Ri 0
Ri 0 + RTH
Ri0
ETH
Ri 0 = RB // βRE
ie
En court-circuit
Vs = 0 ⇒ iSCC = (β + 1)ib ≈ βib
et
Ventrée
ETH
E
rb << RB ⇒ ib ≈ ie ≈
≈ TH
RTH + rb RTH
Vs 0
Ri 0
R
≈ ETH
× TH
iSCC
Ri 0 + RTH βETH
Rsortie ≈
Electronique
RTH
ETH
RB
ib
rb
RB // βRE // RTH
β
54
27
Montage Darlington
ic = β1.β2.ib
Electronique
Suiveur Zener
55
RB ≈ RZ
Rsortie ≈
Electronique
RB // βRE // RTH
β
≈
RZ
β
56
28
Miroirs de Courant
NPN
PNP
Electronique
57
Fonctionnement en Classe B
Electronique
58
29
Push-Pull classe B
Alimentations
fractionnées
Electronique
59
Droites de charge de Q1
Dynamique
Statique
VCEQ = VCC
Point de Repos
Electronique
60
30
Push-Pull classe B
Alimentations
fractionnées
Electronique
61
Distorsion de croisement
Electronique
62
31
Rendement théorique
en régime harmonique
Sur la charge :
VL = a sin ωt
PL =
1 T VL2
a2
dt
=
T ∫0 RL
2 RL
PL =
1 T
VL I L dt
T ∫0
Puissance fournie par chaque alimentation :
1 T
1 T2
1 T
PA = ∫ VCC I C dt = ∫ VCC I C1dt + ∫T VCC I C 2 dt
T 0
T 0
T 2
Rendement :
η=
PL
πa
=
2 PA 4VCC
PA =
ηmax =
π
4
VCC a
πRL
= 78,5%
Electronique
63
Puissance dissipée par chaque
transistor
1
1 T2
PT = ∫ VCE1I C1dt =
T 0
T
T
∫V
T
2
I dt
CE 2 C 2
VCE1 = +VCC − VL = VCC − a sin ωt
VCE 2 = −VCC − VL = −VCC − a sin ωt
a
I C1 =
sin ωt
RL
lorsque
sin ωt ≥ 0
a
sin ωt
RL
lorsque
sin ωt < 0
IC 2 =
Electronique
2
2 &
VCC
a π, a ) #
' !
$
PT =
− *
πRL $VCC 4 *+ VCC '( !
%
"
PTmax si :
2V
dPT
= 0 ⇒ a = CC
da
π
PT max
2
VCC
= 2
π RL
64
32
Polarisation par diviseur de
tension (classe AB)
1 seule
alimentation
Electronique
65
Limitation en fréquence
1 - angle d ouverture
VBE = VP + E g cos(ωt )
Le transistor conduit
lorsque :
VBE
Eg
Vγ
VP
− ωt0 + 2kπ ≤ ωt ≤ ωt0 + 2kπ
Angle d ouverture : θ = 2θ 0 = 2ωt0
Classe A : θ0 = π
Classe B : θ0 = π/2#
Classe AB : π/2 < θ0 <π#
Classe C : 0 < θ0 < π/2#
0
t
IC
-t0 0 t0
Electronique
t
66
33
Limitation en fréquence
2 - Charge stockée dans la base
Variation de la charge :
dQ dQE dQC Q
=
−
−
dt
dt
dt
τ
Pour un NPN :
E
B
C
dQE
dt
Q
dQC
dt
τ
dQ Q dQE dQC
+ =
−
= − I E − (− I C ) = − I B
dt τ
dt
dt
Cas d une attaque en courant :
Q=
dQ Q
+ = − I g sin(ωt )
dt τ
− I gτ
&
, t )#
$sin (ωt + ϕ ) − sin ϕ exp* − τ '!
+
("
1+ ω τ %
2 2
Electronique
67
Stabilisation thermique
2 diodes de
compensation
Darlington
4 diodes de
compensation
Electronique
68
34
Stabilisation thermique en C.I.
Transistors
montés en
diodes
Diodes
Electronique
69
Ampli cl. AB + préampli cl. A
Push-Pull
Emetteur
Commun
Electronique
70
35
Amplificateur d attaque
Circuit
équivalent
petits signaux
Circuit
simplifié
Source de
courant
Electronique
71
Dissipation thermique
Radiateur
externe
Puissance
Par le châssis
Electronique
72
36
« Loi d Ohm thermique »
TJ - TA = RJA.PD
Tx : température en x (°C)
PD : puissance dissipée par le composant (W)
Rxy : résistance thermique entre x et y (°C/W)
Electronique
73
Radiateurs
Electronique
74
37
Abaques
Electronique
75
Montage d un dissipateur
Electronique
76
38
Alimentations régulées
• 
• 
• 
• 
Principe - Régulateur série
Exemples de réalisation
Limiteur simple de courant
Réducteur automatique de courant de courtcircuit
•  Régulateurs intégrés
Electronique
77
Principe
•  Ajustement de l’amplitude de la tension
par transformateur
•  Redressement par diode ou pont de diodes
•  Filtrage par condensateur
Ondulation 10% environ
Stabilisation par diode Zener
Electronique
78
39
Suiveur Zener (Chap 2 :
montages collecteur commun)
Electronique
79
Régulateur série
Fixe Iz
(optionnelle)
Suiveur + contre-réaction
Ballast
Vi
•  Diviseur de tension R1-R2
injecte une tension VF sur
la base de Q1
•  si Vo croît : VF croît
•  IB1 croît => IC1 # IR3 croît
=> VB2 décroît
•  Vo = VB2 - Vγ décroît
R3
RS
R1
Q1
Vz
Stabilisation :
Zener (#6 V)
Electronique
Vo
Q2
VF
R2
Ajustement du
niveau de sortie
& contre-réaction
80
40
Régulation de tension
Vi
Vo
Q2
R1
R3Q
RS
VF =
1
Vz
R2
V0
R1 + R2
VF = VZ + Vγ
' R $
V0 = %%1 + 1 ""(VZ + Vγ )
& R2 #
VF
R2
Vo indépendante de Vi
(à condition que Vi > Vo)
Electronique
81
Exemple de Réalisation
Vi
Vo
Q2
R3
R1
Q1
Vz
VF
R2
Cahier des charges :
Vi = 20,7 V
12 V < Vo < 18 V
& Io < 3 A
Choix de Vz < Vmin -Vγ
Calcul de RLmin :
RL min =
Vmin
I max
Calcul de R3
Limitation du courant dans
le pont diviseur : R2 = 100.RLmin
Electronique
82
41
Régulateur série avec A.O.
Ballast
Vi
Vo
VF =
R3
AO en régime linéaire :
+
R1
-
Vz
R2
V0
R1 + R2
VF
VF = VZ
R2
& R #
V0 = $$1 + 1 !!VZ
% R2 "
Vo indépendante de Vi
(à condition que Vi > Vo)
Electronique
83
Limiteur simple de courant
R4 : « sensible au courant »
Vi
Q2
R3
RS
R4
Q3
Vo
R1
Q1
VF
Vz
R2
Electronique
R4I4 < Vγ : Q3 bloqué
Courant de court-circuit
= courant maxi de charge :
I cc =
Vγ
R4
84
42
Limiteur simple avec A.O.
Ballast
Vi
R3
R4
Q3
+
Vz
VF
Vo
Courant de court-circuit
= courant maxi de charge :
R1
R2
I cc =
Electronique
Vγ
R4
85
Réducteur automatique de
courant de court-circuit
Vi
Q2
R4
R5
R3
Q3
Vo
R1
R6
RS
I cc =
1 ' R5 $
%1 + "Vγ
R4 %& R6 "#
Courant maxi de charge :
Q1
VF
Vz
Courant de court-circuit :
R2
Electronique
I max = I cc +
R5
V0
R4 R6
86
43
Réducteur automatique de
courant de court-circuit
Vs
I0
V0
Imax
0
Icc
0
Imax I0
Icc
I max
I
≤ I cc ≤ max
3
2
I0 =
I cc
R
1− 5 RL
R4 R6
Electronique
I0 =
V0
RL
RL
RLmin
87
Aire de sécurité
IC2
IC 2 =
PT
VCE 2
0
I max =
VBE 3
+
R4
La droite doit
rester en-dessous
de l’hyperbole
de puissance
maximum
VCE2
1
' R $
R4 %%1 + 6 ""
& R5 #
(Vi − VCE )
Electronique
88
44
Régulateur à découpage
Fonctionne en interrupteur
Ballast
Vi
Diode de roue libre
lorsque Q bloqué
L
Vo
C
R3
+
-
Osc
Vz
Le filtre LC lisse
la tension
R1
R2
Commande la largeur
des impulsions
VF
Produit signal carré pulsé
Q ne dissipe pas quand il est bloqué, et peu quand saturé
Electronique
89
Régulateur à dérivation de base
Une partie du courant est
dérivée par le transistor Q
R4
Vi
Vo
R3
Q
+
Vz
I0
VF =
R1
RL
R2
Si
VF
R2
V0
R1 + R2
VF > VZ
Q conduit
donc I0 diminue
Courant de court-circuit
= courant maxi de charge :
Electronique
I cc =
Vi
R4
90
45
Régulateur intégré à 3 bornes
Vin
Ballast
Réf
Vout
Réf
-
Vin
Vout
+
Série
+
-
Shunt
COM
COM
Electronique
91
Régulateurs intégrés
• 
• 
• 
• 
Courant maxi de sortie I0max
tension de sortie Vout
tension d ’entrée Vin
tension mini entre entrée et sortie (inputoutput differential)
•  puissance maxi dissipable avec boîtier à 25°C
•  taux de régulation :
Regline =
100 ΔVout
×
ΔVin Vout
Regload =
Electronique
100 ΔVout
×
ΔI out Vout
92
46