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SE1 - Composants électroniques 
Composants semi-conducteurs: 
de la diode à l’ADI 
Université du Havre, IUT du...
• Connaître les outils d’analyse d’un système électrique, 
• Savoir identifier les fonctions élémentaires de l’électroniqu...
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PPN 2013: SE1 
SE1 (M1104) – Systèmes électroniques 
Contenu : 
A. Les bases de l’électricité 
• Régime contin...
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I) La diode 
PPN 2013: SE1 
I.1) Propriétés 
I.2) Applications: Ecrêtage, Redressement 
I.3) Types de diodes 
...
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I) La diode 
PPN 2013: SE1 
I.1) Propriétés 
I.2) Applications: Ecrêtage, Redressement 
I.3) Types de diodes 
...
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SE1 - Composants 
Chapitre 1: La diode 
Université du Havre, IUT du Havre 
Département GEII 
Octobre 2013.
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La diode 
Chapitre 1 - La diode
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• Ce composant est réalisé avec un semi-conducteur. 
• Sans indication particulière, 
le semi-conducteur 
util...
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La diode 
Polarisation 
A K 
I 
V 
• La diode comprend deux bornes appelées électrodes : 
l'anode (A) et la ca...
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La diode réelle 
Polarisation 
• Un courant circule principalement dans le sens AK, 
mais un petit courant pe...
• Lorsque V  0, la fonction exponentielle l'emporte rapidement sur le 
nombre 1. Si V  mkT/e (c'est à dire si V  50mV, à l...
La diode réelle 
• La fonction I(V) tend rapidement vers une valeur constante puisque 
  
=  -  
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l'expone...
  
=  -  
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I 
E V 
La diode 
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 
10 
9 
8 
7 
6 
5 
4 
3 
2 
1 
0 
V (V) 
I (A) 
-1 -0.8 ...
• Une diode, insérée dans un circuit traversé par un courant continu, 
se comporte comme une résistance. C'est à dire que ...
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RS=1/tan(a) Rd=1/tan(a’) 
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 
10 
9 
8 
7 
6 
5 
4 
3 
2 
1 
0 
V (V) 
I (A) 
Résistance Sta...
Modélisation d'une diode 
Le constructeur fournit une caractéristique pour chaque type de diode. 
Ce n'est pas celle de la...
E V 
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• Le modèle utilisé pour la diode est 
constitué de deux droites qui constituent 
le squelette de la car...
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Modélisation d'une diode 
I 
V 
VS 
R 
I 
E D 
V 
E/R 
=V E D 
ID 
Si E  0 
I 
V 
La diode 
Diode avec seuil ...
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La diode 
Applications 
• Le redressement une alternance. 
• Redressement deux alternances. 
• Détection crêt...
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E(t) 
t 
t 
U(t) 
I 
t=T/4 
-E E 
V 
t=0 
t=T/2 
t=3T/4 
t=T 
La diode: Applications 
Redressement : Simple a...
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E(t) 
t 
t 
D1 E  0 D2 
D4 e(t) D3 
U(t) 
I 
E  0 
La diode: Applications 
Redressement : Double alternance 
...
Pendant la première alternance (e  0), la diode 
conduit un certain temps et la d.d.p. VAK reste 
nulle lorsque v(t) = e(t...
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e(t) 
t 
v(t) 
t 
La diode: Applications 
Détection de valeur crête 
i(t) 
e(t) C v(t) 
Mais en t = T/4, la t...
En pratique, le condensateur (en fonction de sa 
valeur) se décharge. La tension à ses bornes 
décroît. 
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e(t)...
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Montage simple écrêteur 
R1 
La diode: Applications 
• Ce montage met à profit 
l'existence du seuil de condu...
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La diode: Applications 
Montage double écrêteur 
e(t) v(t) 
e(t) 
+V t 1 
-V1 
v(t) 
Application: TD1, Ex.3, ...
• La diode de redressement 
• La diode Schottky. 
• La diode Zener. 
• La photodiode. 
• La diode électroluminescente (LED...
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La diode: Types 
Diode de redressement 
• Elle est utilisée dans les redresseurs industriels: 
– Elle est tra...
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La diode: Types 
Diode de redressement 
• Extrait de documentation constructeur: 
Fairchild Semiconductor 1N5...
La diode: Types 
Diode Schottky 
• Pour des applications à fréquence élevée, on remplace une diode 
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de signal...
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La diode: Types 
• Extrait de document constructeur: 
Avago HSMS-282x: Surface Mount RF Schottky Barrier Diod...
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La diode: Types 
Diode Schottky 
• Extrait de document constructeur: 
Avago HSMS-282x: Surface Mount RF Schot...
La diode: Types 
Diode Zener 
• Il s’agit d’une diode dont les deux zones (P et N) sont très dopées. Il 
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en r...
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La diode: Types 
Diode Zener 
• Extrait de documentation constructeur: 
Chapitre 1 - La diode
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La diode: Types 
Diode Zener 
• Extrait de documentation constructeur: 
Vz 
Izt 
Pente: 1/RD 
Chapitre 1 - La...
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La diode: Types 
Diode Zener 
• Application: Montage à potentiel fixé: 
Vz 
Izt 
Pente: 1/RD 
Malgré la varia...
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La diode: Types 
Diode électroluminescente (LED) 
• Une jonction passante émet de la lumière (non visible). E...
La diode: Types 
Diode électroluminescente (LED) 
• Ces LED connaissent un développement important dans le domaine 
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La diode: Types 
Diode électroluminescente (LED) 
• Extrait de document constructeur: 
Chapitre 1 - La diode
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La diode: Types 
Diode électroluminescente (LED) 
• Extrait de document constructeur: 
Chapitre 1 - La diode
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La diode: Types 
Diode électroluminescente (LED) 
• Extrait de document constructeur: 
• Applications: 
• Aff...
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La diode: Types 
Symboles: Résumé 
• Compléter les types de diodes: 
A K 
I 
• …………………………………… 
• ………………………………...
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I) La diode 
PPN 2013: SE1 
I.1) Propriétés 
I.2) Applications: Ecrêtage, Redressement 
I.3) Types de diodes ...
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SE1 - Composants 
Chapitre 2: Le transistor BJT 
Université du Havre, IUT du Havre 
Département GEII 
Octobre...
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Le transistor BJT 
Introduction 
Chapitre 2 - Le transistor BJT
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Le transistor BJT 
Introduction 
• Inventé en 1948 par les Américains J. 
Bardeen, W. Brattain et W. Shockley...
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Introduction 
Le transistor BJT 
• Loi de Moore: Gordon Moore, Fairchild RD, 1962: 
– L’intégration des trans...
E 
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Le transistor BJT 
Constitution et principe de fonctionnement 
• Un transistor à jonction bipolaire (BJT) ...
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Le transistor BJT 
Effet transistor et gain en courant 
• Le courant de collecteur Ic est proportionnel au co...
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• Un courant Ib assez faible 
permet l'ouverture du 
robinet (B), ce qui 
provoque via l'émetteur (E) 
l'écou...
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Le transistor BJT 
Effet transistor et gain en courant 
• Quand la tension collecteur-émetteur VCE diminue po...
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Le transistor BJT 
Transistors NPN et PNP 
• Il existe deux manières de disposer les jonctions P-N pour 
fabr...
Le transistor BJT 
Transistors NPN et PNP 
• Dans un transistor NPN, les courants de base Ib et de collecteur 
Ic sont ren...
Considérons le montage ci-dessous, appelé en émetteur commun. 
L'entrée du montage est la base et la sortie le collecteur....
La caractéristique d'entrée du transistor correspond à la 
relation IB = f (VBE), VCE étant constante. 
Cette caractéristi...
Le transistor BJT 
Caractéristiques 
• La caractéristique de sortie du transistor correspond à la relation 
IC = f (VCE), ...
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Caractéristiques 
Le transistor BJT 
Chapitre 2 - Le transistor BJT
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Caractéristiques 
Le transistor BJT 
Fonctionnement: 
Le transistor est bloqué lorsque ses deux 
jonctions so...
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Le transistor BJT 
Désignation 
• La norme JEDEC affecte le préfixe : 
- 1N aux diodes, 
- 2N aux transistors...
Le transistor BJT 
Désignation 
• La norme Pro Electron impose un codage avec trois informations: 
- une 1ère lettre désig...
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Le transistor BJT 
Désignation 
• Tout ceci serait relativement clair s'il n'existait toutes sortes de 
dérog...
Le transistor BJT 
Paramètres 
• Le néophyte sera sans doute effrayé par le nombre de paramètres 
d'apparence plus ou moin...
fT 
h (MHz) FE h max FE min 
Paramètres constructeur: Datasheet 
2N3904 TO-92 40 200 500 100 300 300 
2N3906 TO-92 40 200 ...
Le transistor BJT 
Paramètres constructeur: Datasheet 
• S'agissant du brochage de tel modèle particulier, il est impérati...
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Le transistor BJT 
Le montage émetteur commun 
• Un transistor possède, on l'a vu, trois connexions, 
ou patt...
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Le transistor BJT 
Le montage émetteur commun 
• Le montage en émetteur commun est sans aucun doute le 
monta...
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Le transistor BJT 
Le montage émetteur commun 
• Une alimentation continue Vcc. 
Elle fournit les tensions de...
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Le transistor BJT 
Le montage émetteur commun 
• La résistance Rb fixe le courant de base Ib, ce qui détermin...
Le montage émetteur commun 
• Pour calculer Rb et Rc, il faut alors partir de Ic et de VCE0. 
• On fixe un courant collect...
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Le transistor BJT 
Le montage émetteur commun 
• La valeur de la résistance de collecteur Rc, qui assure la 
...
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Le transistor BJT 
Le montage émetteur commun polarisé par pont de base 
• Le montage étudié ci-dessus se rév...
Le transistor BJT 
Le montage émetteur commun polarisé par pont de base 
• Ce schéma est rigoureusement identique au schém...
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Le transistor BJT 
Le montage émetteur commun polarisé par pont de base 
• Simulation du montage: Courants Ib...
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Le transistor BJT 
Le montage émetteur commun polarisé par pont de base 
• Simulation du montage: Courants Ib...
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Le transistor BJT 
Le montage émetteur commun polarisé par pont de base 
• Simulation du montage: Courants Ib...
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Le transistor BJT 
Le montage émetteur commun polarisé par pont de base 
• Simulation du montage: Courants Ib...
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Le transistor BJT 
Le montage émetteur commun polarisé par pont de base 
• Ce qu'il faut en définitive reteni...
Le transistor BJT 
Le montage Darlington 
• Le montage Darlington associe deux transistors, l'émetteur de l'un 
Page 78/16...
PNP 
compl. 
Le transistor BJT 
Le montage Darlington 
• A noter qu'il existe dans le commerce des transistors appelés 
Da...
Le transistor BJT 
Le montage push-pull 
• Le montage push-pull (push, en anglais, signifie pousser, pull 
signifie tirer)...
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Le transistor BJT 
Le transistor utilisé en commutateur 
• Dans ce petit montage, le transistor NPN ou PNP pi...
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Le transistor BJT 
Le transistor utilisé en commutateur 
• Voici une version plus sophistiquée de ce montage:...
Caractéristiques du 2N2222 
• Le 2N2222 est un transistor NPN destiné à la commutation rapide 
fT 
(MHz) 
(high-speed swit...
Fonctions complexes 
• Utilisé en commutateur, le transistor permet de réaliser des fonctions 
très complexes. Le montage ...
• …………………………………… • …………………………………… 
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Symboles: Résumé 
Le transistor BJT 
• Compléter les types et bornes de tr...
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I) La diode 
PPN 2013: SE1 
I.1) Propriétés 
I.2) Applications: Ecrêtage, Redressement 
I.3) Types de diodes ...
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SE1 - Composants 
Chapitre 3: Le transistor FET 
Université du Havre, IUT du Havre 
Département GEII 
Octobre...
Page 88/160 
Introduction 
Le transistor FET 
Intel Intanium quadri-coeurs 
45 nm, 2 milliards de transistors 
Transistor ...
Page 89/160 
Le transistor FET 
Introduction 
Chapitre 3 - Le transistor FET
Page 90/160 
Le transistor FET 
1 10 100 1000 
Current-Voltage Limitations 
of MOSFET vs BJT. 
1500 
1000 
500 
0 
Imax (A...
Page 91/160 
Le transistor FET 
Constitution et principe de fonctionnement 
• Un transistor FET est tout simplement une ré...
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Le transistor FET 
Introduction 
• Il existe une autre grande famille technologique de transistors: 
les tran...
Page 93/160 
Introduction 
Le transistor FET 
• Le JFET à canal N est constitué d'une mince plaquette de silicium N 
qui v...
Page 94/160 
Introduction 
Le transistor FET 
• Le JFET n'est pas adapté aux forts courants. 
• Son domaine d'application ...
• Les transistors FET sont appelés unipolaires parce que la conduction 
• Un transistor à effet de champ est un composant ...
Page 96/160 
Le transistor FET 
Introduction 
• Un JFET est constitué de 3 électrodes : 
la grille (G), le drain (D), la s...
Page 97/160 
Le transistor FET 
Introduction 
• Un MOSFET est constitué de 3 électrodes : 
la grille (G), le drain (D), la...
Page 98/160 
Le transistor FET 
Application: Interrupteur 
• Le montage présenté est un interrupteur parallèle. 
• La tens...
Page 99/160 
Le transistor FET 
Application: Interrupteur 
• Le montage présenté est un interrupteur de commande. 
• La te...
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Le transistor FET 
• Le montage présenté est un interrupteur parallèle. 
• La tension de sortie Vs doit être...
Page 101/160 
Le transistor FET 
Application: MOSFET de puissance 
Lorsque l'on veut faire tourner un moteur à courant con...
Le montage push-pull permet de fournir une forte puissance. Pour 
cela, il faut utiliser deux transistors complémentaires....
Page 103/160 
Le transistor FET 
Application: MOSFET de puissance 
Lorsque l'on veut faire tourner un moteur à courant con...
Page 104/160 
Le transistor FET 
Application: MOSFET de puissance 
Moteur à courant continu avec deux sens de rotation. 
P...
Le transistor FET 
Très sensible à la contamination 
Page 105/160 
Transistors MOSFET 
• Avantages et inconvénients d'un M...
• …………………………………… • …………………………………… 
• …………………………………… • …………………………………… 
Page 106/160 
Le transistor FET 
Application: MOSFET...
Page 107/160 
BJT vs MOSFET 
• Comparaison d'un BJT vs un MOSFET: 
BJT 
103 à 105 
100 à 200 
50 à 500 
500 à 2000 
0,3 
F...
- Contrôle en tension. 
- Résistances Ron faible (mais plus 
forte que le BJT). 
- Pas de consommation de courant en 
hors...
Page 109/160 
Les transistors 
Commutation 
• Points importants: Temps de commutation, Résistance série rapportée, 
Type d...
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SE1 - Composants 
Chapitre 4: L'ADI 
Université du Havre, IUT du Havre 
Département GEII 
Octobre 2013.
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I) La diode 
PPN 2013: SE1 
I.1) Propriétés 
I.2) Applications: Ecrêtage, Redressement 
I.3) Types de diodes...
Boîtier TO99 
Page 112/160 
Introduction 
L'ADI 
Premier AO: le K2-W 
Boîtier DIL8 
Le LM324 de TI 
Le OPA335 de TI 
Le LM...
.( ) out V = A e+ - e- 
Page 113/160 
Introduction 
L'ADI 
• Définition: 
– Un ADI (ADI ou AOP, ou OpAmp en anglais), pour...
Page 114/160 
L'ADI 
Constitution et principe de fonctionnement 
• La structure interne de l'ADI est la suivante: 
Chapitr...
Page 115/160 
L'ADI 
Introduction 
• La structure interne d'un LM124 est la suivante: 
Chapitre 4 - L'ADI
Amplification de (e+ - e-) 
Atténuation de (e+ + e-)/2 
(Ad  1: Mode Différentiel) 
(Amc1: Mode Commun) 
Augmente le gain ...
Page 117/160 
L'ADI 
Constitution et principe de fonctionnement 
• Un ADI est un système amplificateur différentiel: 
– Am...
Page 118/160 
Introduction 
L'ADI 
• Certains ADI sont spécialisés dans l'une ou l'autre de ces fonctions, 
d'autres sont ...
Page 119/160 
L'ADI 
Constitution et principe de fonctionnement 
• Cas de tensions continues V1 et V2 aux deux entrées d'u...
Page 120/160 
L'ADI 
Constitution et principe de fonctionnement 
• Il existe toujours une petite différence entre la tensi...
Page 121/160 
ADI parfait et ADI réel 
L'ADI 
• On pourrait définir l'ADI parfait ou idéal (celui de la théorie) 
comme un...
Page 122/160 
Quelques caractéristiques 
L'ADI 
• Technologie bipolaire (μA741...), BI-FET (LF353...), MOSFET... 
• Gain e...
Page 123/160 
Document constructeur 
L'ADI 
• Prenons pour exemple un AOP très courant (et très bon 
marché), le μA741. Vo...
Document constructeur: μA741 
V Supply voltage ±18 V S 
V Differential input voltage ±30 V IN 
R 2,0 6,0 mV S V Offset vol...
V Supply voltage ±18 V S 
V Differential input voltage ±30 V IN 
R 2,0 6,0 mV S V Offset voltage = 10 k OS 
I Offset curre...
V Supply voltage ±18 V S 
V Differential input voltage ±30 V IN 
R 2,0 6,0 mV S V Offset voltage = 10 k OS 
I Offset curre...
V Supply voltage ±18 V S 
V Differential input voltage ±30 V IN 
R 2,0 6,0 mV S V Offset voltage = 10 k OS 
I Offset curre...
V Supply voltage ±18 V S 
V Differential input voltage ±30 V IN 
R 2,0 6,0 mV S V Offset voltage = 10 k OS 
I Offset curre...
L'ADI 
Document constructeur: LM324 
• Prenons maintenant pour exemple un autre modèle d'ADI, lui aussi 
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trè...
Page 130/160 
L'ADI 
Document constructeur: LM324 
• Ce quadruple ADI en boîtier DIL 14 présente d'intéressantes 
particul...
Page 131/160 
L'ADI 
Document constructeur: LM324 
• Nous avons déjà parlé du courant de sortie IOUT (output current), 
sa...
L'ADI 
Document constructeur: LM324 
Symbol Parameter Typ Unit 
I Output current 20 mA OUT 
GBW Unity gain bandwidth 1 MHz...
Document constructeur: LM324 
• Le paramètre SR (slew rate) est la pente de la tension maximale 
de sortie (SR = dV/dt), a...
augmente. Si on désire augmenter la bande passante, il faut donc 
(hélas) réduire le gain. C'est donnant-donnant... 
• On ...
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I 
R I 
R Z1 
e e 
Ve Vs 
Z2 
Ve Vs 
L'ADI 
Montage amplificateur inverseur 
Amplificateur inverseur unitair...
Page 136/160 
L'ADI 
Montage amplificateur inverseur 
• La simulation numérique des composants réels permet d'obtenir la 
...
E 
Z 
Σ Σ 
Σ Σ 
Page 137/160 
L'ADI 
Montage amplificateur inverseur 
• Quel que soit le montage à ADI étudié, l'écriture ...
L'ADI 
Récapitulatif 
• Un ADI amplifie la différence des tensions appliquées sur ses deux 
Page 138/160 
entrées, l'une é...
Page 139/160 
L'ADI 
Montages avec ou sans contre-réaction 
Bouclage de Vs sur e- 
non oui 
Bouclage de Vs sur e+ Bouclage...
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L'ADI 
Montages avec ou sans contre-réaction 
Bouclage de Vs sur e- 
non oui 
Bouclage de Vs sur e+ Bouclage...
Page 141/160 
L'ADI 
Montage comparateur simple seuil 
ve 
vs 
+Vcc 
-Vcc 
Saturation Linéaire Saturation 
- 
+ 
e+ vs 
e-...
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L'ADI 
Montages avec ou sans contre-réaction 
Bouclage de Vs sur e- 
non oui 
Bouclage de Vs sur e+ Bouclage...
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L'ADI 
Montage comparateur double seuil 
ve 
vs 
+Vcc 
-Vcc 
vt- vt+ 
e t v v -  
- 
vs 
+ 
ve R2 R1 
Etat i...
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L'ADI 
Montages avec ou sans contre-réaction 
Bouclage de Vs sur e- 
non 
Bouclage de Vs sur e+ 
non 
Compar...
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L'ADI 
Montage amplificateur inverseur 
v R 
v R 
2 
1 
s 
e+ = e- = 0  ⇒ = - 
e 
- 
+ 
R2 
R1 
ve vs 
Chapi...
Page 146/160 
L'ADI 
Montage amplificateur non-inverseur 
= + e+ = e-  ⇒ 
v R R 
v R 
1 2 
1 
s 
e 
- 
+ 
R2 
R1 
vv s e 
...
Page 147/160 
L'ADI 
Montage sommateur 
= + 
3 3 
+ + e+ = e-  ⇒ 
1 2 
1 3 2 3 
s 
R R 
v v v 
R R R R 
- 
+ 
vs 
R1 
R3 
...
Page 148/160 
L'ADI 
Montage soustracteur 
- 
+ 
R2 
R1 
R3 
v R4 
vs 2 
v1 
= + - 
4 1 2 2 
2 1 
+ 
3 4 1 1 
s 
R R R R 
...
Page 149/160 
L'ADI 
Montage dérivateur 
- 
+ 
R 
ve vs 
T = - jw RC 
C 
Chapitre 4 - L'ADI
Page 150/160 
L'ADI 
Montage intégrateur 
1 
T 
jw RC 
= - 
- 
+ 
C 
R 
ve vs 
Chapitre 4 - L'ADI
Page 151/160 
L'ADI 
Montages avec ou sans contre-réaction 
Bouclage de Vs sur e- 
non 
Bouclage de Vs sur e+ 
non 
Compar...
Page 152/160 
L'ADI 
Applications: Générateurs de signaux non-sinusoïdaux 
Squarewave Oscillator Pulse Generator 
Chapitre...
Page 153/160 
L'ADI 
Applications: Montages typiques 
DC Summing Amplifier Non-Inverting DC Gain 
Power Amplifier LED Driv...
Page 154/160 
L'ADI 
Applications: Amplificateur d'instrumentation 
High Input Z Adjustable-Gain DC Instrumentation Amplif...
Page 155/160 
L'ADI 
Applications: Filtre passe-bas 
DC Coupled Low-Pass RC Active Filter 
Chapitre 4 - L'ADI
I I 
Page 156/160 
L'ADI 
Applications: Montages typiques 
Fixed Current Sources 
R 
1 
2 1 
R 
2 
= 
Chapitre 4 - L'ADI
• …………………… • …………………… • …………………… 
• …………………… • …………………… • …………………… 
Page 157/160 
L'ADI 
Applications: Montages linéaires ...
• …………………… • …………………… • …………………… 
• …………………… • …………………… • …………………… 
Page 158/160 
L'ADI 
Applications: Montages non-linéai...
Page 159/160 
Composants 
Notes: 
• ……………………………………………………………………………… 
……………………………………………………………………………… 
• ……………………………………………………...
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Notes: 
Composants 
• ……………………………………………………………………………… 
……………………………………………………………………………… 
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SE1 - CM Composants - De la diode à l'ADI

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Semi-conducteurs pour l'électronique

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SE1 - CM Composants - De la diode à l'ADI

  1. 1. Page 1/160 SE1 - Composants électroniques Composants semi-conducteurs: de la diode à l’ADI Université du Havre, IUT du Havre Département GEII Octobre 2013.
  2. 2. • Connaître les outils d’analyse d’un système électrique, • Savoir identifier les fonctions élémentaires de l’électronique, • Développer une approche système ouverte sur la transversalité, sur une culture projet. Page 2/160 PPN 2013: SE1 Objectifs : Compétences minimales : • Être capable d’utiliser les lois de base de l’électricité. • Savoir utiliser les appareils de mesure usuels. • Être capable d’interpréter des documents techniques: caractéristiques réelles et limitations. • Être capable de mettre en oeuvre des fonctions électroniques de base et de les valider. Pré-requis : • Modules GE11, MA11 Positionnement S1 Module Systèmes électroniques Référence SE1 (M1104) Volume horaire 15C, 24TD, 21TP Matière Électronique UE UE11 SE1 (M1104) – Systèmes électroniques
  3. 3. Page 3/160 PPN 2013: SE1 SE1 (M1104) – Systèmes électroniques Contenu : A. Les bases de l’électricité • Régime continu et sinusoïdal • Lois générales de l’électricité • Analyse des signaux analogiques Composants électroniques et leur mise en oeuvre : • Amplification • Système du premier ordre C. Les fonctions électroniques non linéaires • Comparateurs Modalités de mise en oeuvre : • Utilisation des appareils de mesure • Réalisation de montages simples • Utilisation d’outils de simulation Mots-clés : • Circuits électriques, mesure • Fonctions élémentaires • Composants électroniques de base
  4. 4. Page 4/160 I) La diode PPN 2013: SE1 I.1) Propriétés I.2) Applications: Ecrêtage, Redressement I.3) Types de diodes I.4) Circuits logiques II) Le transistor II.1) Propriétés II.2) Caractéristiques II.3) Assemblage II.4) Applications: Amplificateurs III) L'ADI III.1) Propriétés III.2) Caractéristiques III.3) Montages élémentaires III.4) Applications: Amplification, filtrage
  5. 5. Page 5/160 I) La diode PPN 2013: SE1 I.1) Propriétés I.2) Applications: Ecrêtage, Redressement I.3) Types de diodes I.4) Circuits logiques II) Le transistor II.1) Propriétés II.2) Caractéristiques II.3) Assemblage II.4) Applications: Amplificateurs III) L'ADI III.1) Propriétés III.2) Caractéristiques III.3) Montages élémentaires III.4) Applications: Amplification, filtrage
  6. 6. Page 6/160 SE1 - Composants Chapitre 1: La diode Université du Havre, IUT du Havre Département GEII Octobre 2013.
  7. 7. Page 7/160 La diode Chapitre 1 - La diode
  8. 8. Page 8/160 • Ce composant est réalisé avec un semi-conducteur. • Sans indication particulière, le semi-conducteur utilisé est le silicium (Si). • A la base du composant, il y a une jonction entre deux semi-conducteurs de type P et N. La diode Introduction Chapitre 1 - La diode
  9. 9. Page 9/160 La diode Polarisation A K I V • La diode comprend deux bornes appelées électrodes : l'anode (A) et la cathode (K). • Le courant qui traverse la diode va de l'anode vers la cathode. C'est le sens positif du courant. • La diode parfaite possède deux états: – La diode est passante (ou conductrice): équivaut un fil. Dans ce cas, V = 0 et I est fixé par le circuit extérieur. – La diode est bloquée: équivaut à un circuit ouvert. Dans ce cas, V < 0 et I = 0. Chapitre 1 - La diode
  10. 10. Page 10/160 La diode réelle Polarisation • Un courant circule principalement dans le sens AK, mais un petit courant peut circuler dans le sens KA. A K I V   =  - 1  eV mkT S I I e   IS est le courant de saturation de la diode T est sa température absolue de fonctionnement, mesurée en °K (T=273+q) si q est en °C (usuelle) e est la charge de l'électron (sans le signe): e = 1,6.10-19 C k est la constante de Boltzman: k=1,38.10--23 J/°K m est un coefficient dépendant du semi-conducteur utilisé (m=2 pour le silicium) Chapitre 1 - La diode
  11. 11. • Lorsque V 0, la fonction exponentielle l'emporte rapidement sur le nombre 1. Si V mkT/e (c'est à dire si V 50mV, à la température ambiante), alors l'intensité est considérée exponentielle.   =  -  Page 11/160 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 V (V) I (A) La diode réelle 1 eV mkT S I I e   eV mkT S I » I e Polarisation directe: V 0 Chapitre 1 - La diode
  12. 12. La diode réelle • La fonction I(V) tend rapidement vers une valeur constante puisque   =  -  Page 12/160 l'exponentielle devient très petite. -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 V (V) I (μA) I » -IS 1 eV mkT S I I e   Polarisation inverse: V 0 Chapitre 1 - La diode
  13. 13.   =  -  Page 13/160 I E V La diode 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 V (V) I (A) -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 V (V) I (μA) E/R E ID VD R D E ID VD Si E varie seule Si R varie seule 1 eVD mkT D S I I e   . D D E = R I +V et Résistance d'une diode Chapitre 1 - La diode
  14. 14. • Une diode, insérée dans un circuit traversé par un courant continu, se comporte comme une résistance. C'est à dire que la diode peut être remplacée par une résistance traversée par le même courant ID et ayant la même d.d.p. VD à ses bornes. Cette résistance est appelée résistance statique (ou résistance équivalente) de la diode RS. Sa valeur est forcément RS = VD/ID. Page 14/160 • Ainsi, cette résistance dépend du point de fonctionnement de la diode. D Plus précisément, RS diminue S eV D lorsque ID augmente. mkT 1 S V R I e =    -    La diode Résistance d'une diode Chapitre 1 - La diode
  15. 15. Page 15/160 RS=1/tan(a) Rd=1/tan(a’) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 V (V) I (A) Résistance Statique RS = VD/ID Résistance Dynamique Déplacement du point de fonctionnement Rd = DVD/ DID 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 V (V) I (A) a’ DID DVD a ID VD La diode Résistance d'une diode Chapitre 1 - La diode
  16. 16. Modélisation d'une diode Le constructeur fournit une caractéristique pour chaque type de diode. Ce n'est pas celle de la diode utilisée. On pourrait la tracer, mais habituellement, on ne le fait pas. On se contente des données suivantes: • Point de fonctionnement nominal (préconisé par le constructeur) de la diode (ID, VD) et sa résistance dynamique RD en ce point. • Les mêmes informations lorsque la diode est refroidie (avec les caractéristiques du refroidisseur). • Les limites à ne pas dépasser pour le courant et la tension. Page 16/160 Données constructeur Caractéristique d'une diode: Point de fonctionnement Chapitre 1 - La diode
  17. 17. E V Page 17/160 • Le modèle utilisé pour la diode est constitué de deux droites qui constituent le squelette de la caractéristique de la diode. • Pour les déterminer, on utilise deux données du constructeur : la tension de seuil VS (souvent 0,6 ou 0,7V) et la résistance dynamique RD. • Si V VS, le courant est nul. • Si V VS, la diode vérifie V = VS+RDI • La droite associée à cette expression est inclinée. Son coefficient directeur est 1/RD. • La diode est alimentée par un générateur de tension (E, R). On doit déterminer le point de fonctionnement de la diode. I V Diode Pente 1/RD VS R I D E/R V E D ID Si E0 La diode Linéarisation : Diode avec seuil et avec résistance dynamique Modélisation d'une diode Chapitre 1 - La diode
  18. 18. Page 18/160 Modélisation d'une diode I V VS R I E D V E/R =V E D ID Si E 0 I V La diode Diode avec seuil Diode idéale Application: TD1, Ex.1 Chapitre 1 - La diode
  19. 19. Page 19/160 La diode Applications • Le redressement une alternance. • Redressement deux alternances. • Détection crête. • Montage écrêteur. Chapitre 1 - La diode
  20. 20. Page 20/160 E(t) t t U(t) I t=T/4 -E E V t=0 t=T/2 t=3T/4 t=T La diode: Applications Redressement : Simple alternance Application: TD1, Ex.1 R D I(t) E(t) U(t) Chapitre 1 - La diode
  21. 21. Page 21/160 E(t) t t D1 E 0 D2 D4 e(t) D3 U(t) I E 0 La diode: Applications Redressement : Double alternance U(t) Chapitre 1 - La diode
  22. 22. Pendant la première alternance (e 0), la diode conduit un certain temps et la d.d.p. VAK reste nulle lorsque v(t) = e(t). Le courant i(t) apporte des charges sur les électrodes du condensateur et la tension v(t) augmente comme e(t). Page 22/160 e(t) t v(t) t La diode: Applications Détection de valeur crête i(t) e(t) C v(t) Chapitre 1 - La diode
  23. 23. Page 23/160 e(t) t v(t) t La diode: Applications Détection de valeur crête i(t) e(t) C v(t) Mais en t = T/4, la tension appliquée e commence à décroître. Puisque v(t) n'a pas de raison de décroître aussi rapidement, la d.d.p. VAK devient immédiatement négative et la diode se bloque. Le condensateur conserve les charges acquises et la tension v reste à la valeur E, atteinte à t = T/4. Chapitre 1 - La diode
  24. 24. En pratique, le condensateur (en fonction de sa valeur) se décharge. La tension à ses bornes décroît. Page 24/160 e(t) t v(t) t La diode: Applications Détection de valeur crête i(t) e(t) C v(t) Chapitre 1 - La diode
  25. 25. Page 25/160 Montage simple écrêteur R1 La diode: Applications • Ce montage met à profit l'existence du seuil de conduction d'une diode. • Si e(t) est assez faible alors la diode est bloquée: • Donc si e(t) est une fonction sinusoïdale, v(t) l'est aussi. • Cette situation dure tant que la tension e(t) est inférieure à une valeur V1 conduisant à v = Vs. • La valeur limite pour e(t) est: • Pour e(t) V1, la tension v(t) reste égale à Vs. e(t) v(t) D R2 2 1 2 ( ) ( ). R v t e t R R = + 2 1 1 2 . s R V V R R = + e(t) v(t) V t 1 Chapitre 1 - La diode
  26. 26. Page 26/160 La diode: Applications Montage double écrêteur e(t) v(t) e(t) +V t 1 -V1 v(t) Application: TD1, Ex.3, 4 R1 R2 D2 D1 Chapitre 1 - La diode
  27. 27. • La diode de redressement • La diode Schottky. • La diode Zener. • La photodiode. • La diode électroluminescente (LED). Page 27/160 La diode Types de diodes Chapitre 1 - La diode
  28. 28. Page 28/160 La diode: Types Diode de redressement • Elle est utilisée dans les redresseurs industriels: – Elle est traversée par un fort courant (de l’ampère à quelques milliers d’ampères..). – De ce fait, elle est le siège d’une forte dissipation thermique et nécessite un radiateur pour assurer son refroidissement. Par ailleurs elle est soumise à une forte tension inverse (c’est à dire une tension très négative). Or toute diode soumise à une tension inverse risque le phénomène d’avalanche. Ce dernier consiste en une augmentation incontrôlée de l’intensité lorsque V atteint une tension négative appelée tension d’avalanche. • En plus, les diodes de redressement ne sont pas rapides : c’est à dire que le passage de l ‘état conducteur à l’état bloqué n’est pas instantané. En effet, lorsque la diode conduit, de nombreuses charges sont présentes au niveau de la jonction P-N. Leur évacuation se fait ensuite lentement : le temps nécessaire est le temps de recouvrement TR. Le courant de la diode revient à 0 en passant par une forte valeur négative. Chapitre 1 - La diode
  29. 29. Page 29/160 La diode: Types Diode de redressement • Extrait de documentation constructeur: Fairchild Semiconductor 1N5400 - 1N5408 • Features Voltage 1 A part 3 A part 50 V 1N4001 1N5400 100 V 1N4002 1N5401 200 V 1N4003 1N5402 300 V — 1N5403 400 V 1N4004 1N5404 500 V — 1N5405 600 V 1N4005 1N5406 800 V 1N4006 1N5407 1000 V 1N4007 1N5408 • 3.0 ampere operation at TA = 75°C with no thermal runaway. • High current capability. • Low leakage. Chapitre 1 - La diode
  30. 30. La diode: Types Diode Schottky • Pour des applications à fréquence élevée, on remplace une diode Page 30/160 de signal par une diode Schottky. • Cette diode comporte une jonction de type métal/semiconducteur N. De ce fait, son temps de commutation est plus faible que pour une diode normale. De plus, sa tension de seuil n’est que de 0,3V environ. Chapitre 1 - La diode
  31. 31. Page 31/160 La diode: Types • Extrait de document constructeur: Avago HSMS-282x: Surface Mount RF Schottky Barrier Diodes • Features • Low Turn-On Voltage (0.34V@1mA) • Low FIT (Failure in Time) Rate • Single, Dual and Quad versions • Applications • mixing, • detecting, • switching, • sampling, • clamping, • wave shaping. Diode Schottky Chapitre 1 - La diode
  32. 32. Page 32/160 La diode: Types Diode Schottky • Extrait de document constructeur: Avago HSMS-282x: Surface Mount RF Schottky Barrier Diodes Chapitre 1 - La diode
  33. 33. La diode: Types Diode Zener • Il s’agit d’une diode dont les deux zones (P et N) sont très dopées. Il Page 33/160 en résulte, en inverse, un comportement particulier. • Pour une tension V = -VZ appelée tension de Zener, le courant inverse devient très important, comme dans le phénomène d’avalanche d’une diode. • L’effet Zener est réversible et contrôlable. La diode Zener est utilisée comme référence élémentaire de tension. Les valeurs prises par la tension de Zener vont de quelques Volts à une centaine de Volts. Chapitre 1 - La diode
  34. 34. Page 34/160 La diode: Types Diode Zener • Extrait de documentation constructeur: Chapitre 1 - La diode
  35. 35. Page 35/160 La diode: Types Diode Zener • Extrait de documentation constructeur: Vz Izt Pente: 1/RD Chapitre 1 - La diode
  36. 36. Page 36/160 La diode: Types Diode Zener • Application: Montage à potentiel fixé: Vz Izt Pente: 1/RD Malgré la variation du courant circulant dans la diode Zener IZt , la tension VZ reste quasiment constante. Chapitre 1 - La diode
  37. 37. Page 37/160 La diode: Types Diode électroluminescente (LED) • Une jonction passante émet de la lumière (non visible). Elle peut être associée à une photodiode (dans les télécommandes par infra-rouges). • Les diodes électroluminescentes (DEL ou LED) sont des diodes réalisées avec des semiconducteurs autres que le silicium (composés de phosphore, arsenic et gallium). • Selon les pourcentages de ces composants, la lumière émise peut être verte, jaune ou rouge. Ils s’emploient comme une diode normale mais leur tension de seuil VS est 2 à 3 fois plus importante. Chapitre 1 - La diode
  38. 38. La diode: Types Diode électroluminescente (LED) • Ces LED connaissent un développement important dans le domaine Page 38/160 de l'éclairage: • Les diodes électroluminescentes (DEL ou LED) sont des diodes réalisées avec des semiconducteurs autres que le silicium (composés de phosphore, arsenic et gallium). • Actuellement, les semiconducteurs les plus brillants sont: - Alu. Indium Gallium Phosphide (AlInGaP): rouge, orange, jaune. - Indium Gallium Nitride (InGaN): bleu, vert. • Une LED de lumière blanche est typiquement une LED bleue avec une surcouche de phosphore jaune (apparaît jaune éteinte). Chapitre 1 - La diode
  39. 39. Page 39/160 La diode: Types Diode électroluminescente (LED) • Extrait de document constructeur: Chapitre 1 - La diode
  40. 40. Page 40/160 La diode: Types Diode électroluminescente (LED) • Extrait de document constructeur: Chapitre 1 - La diode
  41. 41. Page 41/160 La diode: Types Diode électroluminescente (LED) • Extrait de document constructeur: • Applications: • Affichages à LED • Eclairages à LED • Ecrans à LED Projecteur extérieur: 45 LEDs basse tension Afficheur LCD 7 segments Chapitre 1 - La diode
  42. 42. Page 42/160 La diode: Types Symboles: Résumé • Compléter les types de diodes: A K I • …………………………………… • …………………………………… • …………………………………… • …………………………………… Chapitre 1 - La diode
  43. 43. Page 43/160 I) La diode PPN 2013: SE1 I.1) Propriétés I.2) Applications: Ecrêtage, Redressement I.3) Types de diodes I.4) Circuits logiques II) Le transistor II.1) Propriétés II.2) Caractéristiques II.3) Assemblage II.4) Applications: Amplificateurs III) L'ADI III.1) Propriétés III.2) Caractéristiques III.3) Montages élémentaires III.4) Applications: Amplification, filtrage
  44. 44. Page 44/160 SE1 - Composants Chapitre 2: Le transistor BJT Université du Havre, IUT du Havre Département GEII Octobre 2013.
  45. 45. Page 45/160 Le transistor BJT Introduction Chapitre 2 - Le transistor BJT
  46. 46. Page 46/160 Le transistor BJT Introduction • Inventé en 1948 par les Américains J. Bardeen, W. Brattain et W. Shockley, le transistor est un composant à semi-conducteur qui remplit deux fonctions vitales en électronique: – L’amplification : c'est un générateur de fort courant en sortie commandé par un faible courant en entrée. – La commutation : à la manière d'un interrupteur marche/arrêt. 16 Amplificateur de puissance. Commutateur. Dec 1947, Bell Lab. Chapitre 2 - Le transistor BJT
  47. 47. Page 47/160 Introduction Le transistor BJT • Loi de Moore: Gordon Moore, Fairchild RD, 1962: – L’intégration des transistor se poursuivra au rythme d’un doublement tous les ans. – Entre 1959 et 1965, la pente de la courbe est: log2(N2/N1)=6 en 6 ans, soit x2/an. “Cramming more components onto integrated circuits” Electronics, Volume 38, Number 8, April 19, 1965 http://lmi17.cnam.fr/~anceau/... Histoire des transistors/Histoire transistors.htm Chapitre 2 - Le transistor BJT
  48. 48. E Page 48/160 Le transistor BJT Constitution et principe de fonctionnement • Un transistor à jonction bipolaire (BJT) est un composant à semi-conducteur constitué de 2 jonctions PN, très proches l'une de l'autre. Une diode ordinaire étant elle-même constituée d'une unique jonction P-N, on pourrait dire qu'un transistor contient 2 diodes. • Un transistor est formé de 3 zones (NPN ou PNP selon son type), tel qu'illustré sur le dessin ci-dessous. Chaque zone est reliée à une électrode: base (B), émetteur (E), collecteur (C). n p n C B E IB IC IE VBE VCE p n p E B C IE IC IB VEB C B VCE B E C Chapitre 2 - Le transistor BJT
  49. 49. Page 49/160 Le transistor BJT Effet transistor et gain en courant • Le courant de collecteur Ic est proportionnel au courant de base Ib, le facteur b (béta) étant le gain en courant. Cette relation est: Ic = b Ib • Pour donner un ordre de grandeur, le gain en courant peut varier de 10 à 500, voire 1000, selon le modèle de transistor. • Dans les documents Symbol Min. Typ. Max. Unit Conditions constructeur, cette amplification en courant (DC current transfer ratio) est notée hFE: Document constructeur du “NPN General Purpose Transistor“ 2N3904, Rohm. Chapitre 2 - Le transistor BJT
  50. 50. Page 50/160 • Un courant Ib assez faible permet l'ouverture du robinet (B), ce qui provoque via l'émetteur (E) l'écoulement d'un fort courant Ic en provenance du réservoir collecteur (C). • Notez que lorsque le robinet est complètement ouvert, le courant Ic est maximal: il existe donc (on s'en doutait!) une limite physique au gain en courant. Analogie hydraulique Le transistor BJT Chapitre 2 - Le transistor BJT
  51. 51. Page 51/160 Le transistor BJT Effet transistor et gain en courant • Quand la tension collecteur-émetteur VCE diminue pour devenir très faible, la jonction B-C cesse d'être polarisée en inverse, et l'effet transistor décroît alors très rapidement. • A la limite, la jonction B-C devient aussi polarisée en direct: on n'a plus un transistor, mais l'équivalent de deux diodes en parallèle. • On dit que le transistor est saturé. Ic Ib Ic = b.Ib Amplification Saturation Chapitre 2 - Le transistor BJT
  52. 52. Page 52/160 Le transistor BJT Transistors NPN et PNP • Il existe deux manières de disposer les jonctions P-N pour fabriquer un transistor: • Une zone N, une zone P et une zone N: on a alors un transistor NPN (le plus répandu) • Une zone P, une zone N et une zone P: on a dans ce cas un transistor PNP. Chapitre 2 - Le transistor BJT
  53. 53. Le transistor BJT Transistors NPN et PNP • Dans un transistor NPN, les courants de base Ib et de collecteur Ic sont rentrants, et le courant d'émetteur Ie est sortant. Dans un transistor PNP, les courants de base Ib et de collecteur Ic sont sortants, et le courant d'émetteur Ie est rentrant. Page 53/160 • Attention! De l'extérieur, rien ne permet de distinguer un NPN d'un PNP, sinon la référence du modèle. Ne confondez pas un BC327B (PNP) et un BC337B (NPN)... Chapitre 2 - Le transistor BJT
  54. 54. Considérons le montage ci-dessous, appelé en émetteur commun. L'entrée du montage est la base et la sortie le collecteur. Dans ce montage, la base est polarisée par la résistance désignée Rb. Le potentiel de la base est d'environ 0,7 V, car l'émetteur est à la masse et la jonction base-émetteur équivaut à une diode passante. Le collecteur est polarisé par la résistance désignée Rc, de telle manière que la tension du collecteur soit supérieure à la tension de la base (VCE VBE): la jonction base-collecteur est alors polarisée en inverse. L'entrée est caractérisée par les deux grandeurs IB et VBE, et la sortie par les grandeurs IC et VCE, soit 4 variables. Page 54/160 Caractéristiques Le transistor BJT Chapitre 2 - Le transistor BJT
  55. 55. La caractéristique d'entrée du transistor correspond à la relation IB = f (VBE), VCE étant constante. Cette caractéristique, ressemble beaucoup (et pour cause) à celle d'une diode La caractéristique de transfert est définie par la relation IC = f (IB), VCE étant constante. La caractéristique de transfert est une droite; on se souvient, nous l'avons vu plus haut, que le courant de collecteur Ic est proportionnel au courant de base Ib, le facteur ß (béta) étant appelé gain en courant. On peut donc dire que le transistor se comporte comme un générateur de courant commandé (ou piloté) par un courant. Page 55/160 Caractéristiques Le transistor BJT Chapitre 2 - Le transistor BJT
  56. 56. Le transistor BJT Caractéristiques • La caractéristique de sortie du transistor correspond à la relation IC = f (VCE), IB étant constant. Dans la pratique, on trace plusieurs caractéristiques pour différentes valeurs de IB. • La zone grisée correspond à la zone de saturation: quand la tension VCE diminue pour devenir très faible, la jonction collecteur-base cesse d'être polarisée en inverse, et l'effet transistor décroît alors très rapidement. Page 56/160 • L'autre partie du graphe montre que le courant de collecteur IC dépend très peu de la tension VCE. Chapitre 2 - Le transistor BJT
  57. 57. Page 57/160 Caractéristiques Le transistor BJT Chapitre 2 - Le transistor BJT
  58. 58. Page 58/160 Caractéristiques Le transistor BJT Fonctionnement: Le transistor est bloqué lorsque ses deux jonctions sont en polarisation inverse. Le transistor est en fonctionnement normal direct lorsque la jonction de commande BE est en polarisation directe et que la jonction BC est en polarisation inverse. Le transistor est en fonctionnement normal inverse lorsque la jonction de commande BE est en polarisation inverse et que la jonction BC est en polarisation directe. Le transistor est saturé lorsque ses deux jonctions sont en polarisation directe. VBE VBC Saturation Blocage Normal Direct Normal Inverse http://etronics.free.fr/dossiers/analog/analog20.htm Chapitre 2 - Le transistor BJT
  59. 59. Page 59/160 Le transistor BJT Désignation • La norme JEDEC affecte le préfixe : - 1N aux diodes, - 2N aux transistors, thyristors et triacs. Vient ensuite un numéro de série à quatre chiffres, puis éventuellement un suffixe, facultatif. • Le suffixe: - A signifie faible gain, - B signifie gain moyen, - C signifie gain élevé. • Exemples: - la 1N4148 est une diode, - le 2N2222A est un transistor à faible gain. http://etronics.free.fr/dossiers/analog/analog20.htm Chapitre 2 - Le transistor BJT
  60. 60. Le transistor BJT Désignation • La norme Pro Electron impose un codage avec trois informations: - une 1ère lettre désigne le matériau semi-conducteur utilisé, - une 2ème lettre renseigne sur la nature du composant, - un groupe de trois chiffres (pour les produits grand public) ou deux chiffres et une lettre (produits industriels). Page 60/160 • Voici un récapitulatif simplifié: C: transistor, low power, audio frequency D: transistor, power, audio frequency F: transistor, low power, high frequency R: switching device, low power (thyristor...) U: transistor, power switching Y: diode, rectifier 100 à 999 ou 10 à 99 + lettre A: diode, signal A: Ge (0,6 à 1 V) B: Si (1 à 1,3 V) C: AsGa (1,3 V) Exemples: la BA159 est un diode signal, le BC547 est un transistor faible puissance, le BD135 est un transistor de puissance. Chapitre 2 - Le transistor BJT
  61. 61. Page 61/160 Le transistor BJT Désignation • Tout ceci serait relativement clair s'il n'existait toutes sortes de dérogations... Ainsi, certains fabricants n'ont rien trouvé de mieux que d'inventer un codage maison. • Voici quelques préfixes courants: - MJ: Motorola, puissance, boîtier métallique. - MJE: Motorola, puissance, boîtier plastique. - MPS: Motorola, faible puissance, boîtier plastique. - TIP: Texas Instruments, puissance, boîtier plastique. • Cette petite liste, bien entendu, n'est pas exhaustive... • Signalons d'autre part que sur les schémas américains ou japonais, les transistors sont souvent désignés par la lettre générique Q, alors qu'en France on préfère la lettre T. • Exemples: MJE3055, TIP35C. Chapitre 2 - Le transistor BJT
  62. 62. Le transistor BJT Paramètres • Le néophyte sera sans doute effrayé par le nombre de paramètres d'apparence plus ou moins ésotérique figurant sur la fiche technique complète (data sheet) d'un transistor quelconque... En réalité, tous les paramètres ne présentent pas le même intérêt. Bien souvent, dans la pratique, le choix d'un modèle de transistor ne dépendra que de quelques paramètres. Tension collecteur-émetteur maxi, ou tension de claquage. Au delà de cette tension, le courant de collecteur IC croît très rapidement s'il n'est pas limité à l'extérieur du transistor. VCEMax Courant de collecteur maxi. A partir de cette valeur, le gain en courant va fortement chuter et le transistor risque d'être détruit. ICMax Page 62/160 h Gain en courant (paramètre essentiel en amplification). FE (b) Puissance maxi que le transistor pourra dissiper, donnée par la formule: VCE x Ic. Attention, un transistor, ça chauffe! PTotMax Tension de saturation (utile V en commutation). CESat Chapitre 2 - Le transistor BJT
  63. 63. fT h (MHz) FE h max FE min Paramètres constructeur: Datasheet 2N3904 TO-92 40 200 500 100 300 300 2N3906 TO-92 40 200 500 100 300 250 BC337 TO-92 45 500 625 100 600 100 BC547 TO-92 45 100 500 110 800 100 BD135 TO-126 45 1500 8000 40 40 60 Page 63/160 PTOT (mW) IC max (mA) VCE max Package (V) Type number Le transistor BJT Chapitre 2 - Le transistor BJT
  64. 64. Le transistor BJT Paramètres constructeur: Datasheet • S'agissant du brochage de tel modèle particulier, il est impératif de Page 64/160 se reporter à sa data sheet ou à un catalogue. • On notera que parmi les modèles représentés ci-dessus, les BD135, TIP140 et 2N3055 sont des transistors dits de puissance. Le 2N3055 peut dissiper 115 watts! En revanche, leur gain en courant est limité. • Le BC547 est sans doute l'un des transistors les plus répandus et il remplace bien souvent, sans autre forme de procès, des modèles moins courants. Si vous envisagez de constituer un stock, le BC547 et le 2N2222 sont des références à choisir en priorité. Chapitre 2 - Le transistor BJT
  65. 65. Page 65/160 Le transistor BJT Le montage émetteur commun • Un transistor possède, on l'a vu, trois connexions, ou pattes. On procède toujours (ou presque) de manière à ce qu'il y ait une patte commune à l'entrée et à la sortie du montage, d'où trois montages possibles: – émetteur commun: la patte commune est l'émetteur, l'entrée est la base et la sortie le collecteur; – base commune: la patte commune est la base, l'entrée est l'émetteur et la sortie le collecteur; – collecteur commun: la patte commune est le collecteur, l'entrée est la base et la sortie l'émetteur. Chapitre 2 - Le transistor BJT
  66. 66. Page 66/160 Le transistor BJT Le montage émetteur commun • Le montage en émetteur commun est sans aucun doute le montage fondamental; il réalise la fonction, essentielle en électronique. C'est lui que nous allons brièvement étudier. Application: TD2, Ex.1, 2 Chapitre 2 - Le transistor BJT
  67. 67. Page 67/160 Le transistor BJT Le montage émetteur commun • Une alimentation continue Vcc. Elle fournit les tensions de polarisation et l'énergie que le montage sera susceptible de fournir en sortie; • Des résistances de polarisation. En effet, le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens, comme une diode: il va donc falloir le polariser, à l'aide de résistances, pour pouvoir y faire passer du courant alternatif (la composante alternative du courant étant petite devant la composante continue); • Un ou des condensateurs de liaison. Le plus souvent, le branchement de la source alternative d'entrée sur le montage se fera par l'intermédiaire d'un condensateur de liaison placé entre la source et le point d'entrée du montage à transistor (la base s'il s'agit d'un montage en émetteur commun). Bien que ce ne soit pas une règle absolue, le dispositif situé en aval du montage est lui aussi isolé par un condensateur de liaison. Chapitre 2 - Le transistor BJT
  68. 68. Page 68/160 Le transistor BJT Le montage émetteur commun • La résistance Rb fixe le courant de base Ib, ce qui détermine un courant de collecteur Ic = bIb, • Le courant collecteur étant fixé, la tension URc = RcIc. Chapitre 2 - Le transistor BJT
  69. 69. Le montage émetteur commun • Pour calculer Rb et Rc, il faut alors partir de Ic et de VCE0. • On fixe un courant collecteur de repos Ic (courant de polarisation). Ce courant variera entre une dizaine de μA (applications très faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute fréquence). • On fixe ensuite une tension de collecteur VCE généralement égale à Vcc/2, de sorte que la tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsqu'on appliquera le signal alternatif. Page 69/160 Le transistor BJT Chapitre 2 - Le transistor BJT
  70. 70. Page 70/160 Le transistor BJT Le montage émetteur commun • La valeur de la résistance de collecteur Rc, qui assure la polarisation de la jonction base-collecteur, est déterminée, par: Rc = (Vcc - VCE)/Ic. • La valeur de la résistance de base Rb, qui a pour rôle de fixer le courant de base, est: Rb = (Vcc -VBE)/Ib, avecVBE = 0,7 V et Ib = Ic/b. Chapitre 2 - Le transistor BJT
  71. 71. Page 71/160 Le transistor BJT Le montage émetteur commun polarisé par pont de base • Le montage étudié ci-dessus se révèle, dans la pratique, difficilement exploitable, en tout cas peu fiable. On a plutôt recours à un montage qui ressemble davantage à celui-ci, dont la base n'est pas polarisée par une unique résistance, mais par un pont de résistances: Chapitre 2 - Le transistor BJT
  72. 72. Le transistor BJT Le montage émetteur commun polarisé par pont de base • Ce schéma est rigoureusement identique au schéma précédent. Page 72/160 Le transistor est un petit NPN standard référencé 2N2222. • On retrouve les résistances de collecteur (R1), d'émetteur (R2) et du pont de base (R4 et R3). • Le signal à amplifier est issu d'une source de tension alternative, de forme sinusoïdale. • L'amplitude de ce signal est très faible, puisqu'elle vaut 10 mV. Chapitre 2 - Le transistor BJT
  73. 73. Page 73/160 Le transistor BJT Le montage émetteur commun polarisé par pont de base • Simulation du montage: Courants Ib et Ic. On observe ici une amplification de Ic par rapport à Ib (le gain en courant, ou b) de l'ordre de 150. Chapitre 2 - Le transistor BJT
  74. 74. Page 74/160 Le transistor BJT Le montage émetteur commun polarisé par pont de base • Simulation du montage: Courants Ib = Ib0 + ib et Ic = Ic0 + ic. Ic (mA) Ib (μA) Ic = b.Ib t t Ib,sat Ic,sat Ib0 Ic0 Ib (μA) ib ic Point de polarisation Chapitre 2 - Le transistor BJT
  75. 75. Page 75/160 Le transistor BJT Le montage émetteur commun polarisé par pont de base • Simulation du montage: Courants Ib = Ib0 + ib et Ic = Ic0 + ic. Ic (mA) Ib (μA) Ic = b.Ib Ib,sat Ic,sat Ib0 Ic0 Ib (μA) ib ic Point de polarisation t t Blocage Chapitre 2 - Le transistor BJT
  76. 76. Page 76/160 Le transistor BJT Le montage émetteur commun polarisé par pont de base • Simulation du montage: Courants Ib = Ib0 + ib et Ic = Ic0 + ic. Ic (mA) Ib (μA) Ic = b.Ib Saturation t t Ib,sat Ic,sat Ib0 Ib (μA) ib ic Point de polarisation Ic0 Chapitre 2 - Le transistor BJT
  77. 77. Page 77/160 Le transistor BJT Le montage émetteur commun polarisé par pont de base • Ce qu'il faut en définitive retenir du montage en émetteur commun, c'est qu'il procure une très bonne amplification du courant. • Une des pistes d’amélioration des propriétés d’amplification consiste à combiner des transistors entre eux: - Montage Darlington - Montage Push-Pull • De nos jours, toutefois, on n'utilise plus guère le transistor en tant que tel: on a plutôt recours à des circuits intégrés spécialisés (qui intègrent, comme leur nom l'indique, des transistors). Chapitre 2 - Le transistor BJT
  78. 78. Le transistor BJT Le montage Darlington • Le montage Darlington associe deux transistors, l'émetteur de l'un Page 78/160 étant relié à la base de l'autre, les collecteurs étant directement raccordés à la tension d'alimentation. • Ces deux transistors ainsi montés se comportent comme un seul transistor, dont le gain ß est égal au produit des gains des deux transistors. On se doute qu'il s'agit, grâce à ce montage, d'obtenir une forte amplification. L'impédance d'entrée d'un tel montage est très grande et son impédance de sortie très faible. Application: TD2, Ex.3 Chapitre 2 - Le transistor BJT
  79. 79. PNP compl. Le transistor BJT Le montage Darlington • A noter qu'il existe dans le commerce des transistors appelés Darlington, qui remplacent le montage du même nom. • A titre d'exemple, voici les principaux paramètres de l'un d'eux: BC875 TO-92 45 1000 830 1000 1000 BC878 Page 79/160 hFE h max FE P min TOT (mW) IC max (mA) VCES max (V) Type number Package • VCES signifie tension collecteur-émetteur, avec VBE = 0. • Le modèle référencé BC875 est un NPN moyenne puissance (presque 1 watt); son PNP complémentaire est le BC878. Chapitre 2 - Le transistor BJT
  80. 80. Le transistor BJT Le montage push-pull • Le montage push-pull (push, en anglais, signifie pousser, pull signifie tirer), encore appelé montage symétrique, est un grand classique en amplification de puissance des signaux alternatifs. Voici, brièvement, son principe: • Ce montage est construit autour de deux transistors complémentaires: Page 80/160 - un NPN, noté T1, - un PNP, noté T2. • Les deux transistors conduisent le courant de collecteur tour à tour, pendant une alternance du cycle alternatif. Ce qui revient à dire que chaque transistor est bloqué pendant une demi-période du signal alternatif et passant durant l'autre. • Pour obtenir une amplification correcte, il est ici nécessaire d'employer deux transistors complémentaires (mêmes paramètres, seule la polarité, NPN ou PNP, diffère) et une alimentation symétrique. Chapitre 2 - Le transistor BJT
  81. 81. Page 81/160 Le transistor BJT Le transistor utilisé en commutateur • Dans ce petit montage, le transistor NPN ou PNP pilote une DEL de visualisation selon le niveau logique, haut ou bas (1 ou 0), du signal d'entrée. Chapitre 2 - Le transistor BJT
  82. 82. Page 82/160 Le transistor BJT Le transistor utilisé en commutateur • Voici une version plus sophistiquée de ce montage: il permet de visualiser, à l'aide de trois DEL, l'état de trois entrées notées A, B et C. La table de vérité indique laquelle des DEL est allumée selon les différentes possibilités. Le rôle des transistors (par exemple des 2N2222, très répandus) consiste, comme ci-dessus, à piloter les LEDs. • Notons que ces schémas se prêtent tout particulièrement à des montages sur plaquette à connexions rapides, sans soudure. Chapitre 2 - Le transistor BJT
  83. 83. Caractéristiques du 2N2222 • Le 2N2222 est un transistor NPN destiné à la commutation rapide fT (MHz) (high-speed switch, en anglais). • Voici ses principales caractéristiques: 2N2222 TO-18 30 800 500 30 300 250 Page 83/160 hFE h max FE min PTOT (mW) IC max (mA) VCE max (V) Type number Package Le transistor BJT Pdissipée = VCE .IC PTOT £ VCE,max .IC,max Chapitre 2 - Le transistor BJT
  84. 84. Fonctions complexes • Utilisé en commutateur, le transistor permet de réaliser des fonctions très complexes. Le montage ci-contre, associant un transistor PNP et un transistor NPN, équivaut à une porte logique NON. • Si Ve = 0, le transistor NPN est bloqué, la tension de sortie Vs = Vcc. • Si Ve = Vcc, c'est le transistor PNP qui est bloqué et alors la tension de sortie Vs = 0. • Ce montage est réalisé à l'aide de transistors complémentaires. Page 84/160 Le transistor BJT Chapitre 2 - Le transistor BJT
  85. 85. • …………………………………… • …………………………………… Page 85/160 Symboles: Résumé Le transistor BJT • Compléter les types et bornes de transistors: • …………………………………… … B … = …×… E ………………. ………………. B C E C Chapitre 2 - Le transistor BJT …
  86. 86. Page 86/160 I) La diode PPN 2013: SE1 I.1) Propriétés I.2) Applications: Ecrêtage, Redressement I.3) Types de diodes I.4) Circuits logiques II) Le transistor II.1) Propriétés II.2) Caractéristiques II.3) Assemblage II.4) Applications: Amplificateurs III) L'ADI III.1) Propriétés III.2) Caractéristiques III.3) Montages élémentaires III.4) Applications: Amplification, filtrage
  87. 87. Page 87/160 SE1 - Composants Chapitre 3: Le transistor FET Université du Havre, IUT du Havre Département GEII Octobre 2013.
  88. 88. Page 88/160 Introduction Le transistor FET Intel Intanium quadri-coeurs 45 nm, 2 milliards de transistors Transistor FET P45N02LD Transistor MOSFET IRF 510 à canal N Transistor JFET 2N4392 Transistor FET Intel 4004 Chapitre 3 - Le transistor FET
  89. 89. Page 89/160 Le transistor FET Introduction Chapitre 3 - Le transistor FET
  90. 90. Page 90/160 Le transistor FET 1 10 100 1000 Current-Voltage Limitations of MOSFET vs BJT. 1500 1000 500 0 Imax (A) Vmax (V) MOSFET BJT Introduction Les MOSFET sont: - pilotés en tension. - adaptés aux applications haute fréquence. - chauffent peu. Chapitre 3 - Le transistor FET
  91. 91. Page 91/160 Le transistor FET Constitution et principe de fonctionnement • Un transistor FET est tout simplement une résistance intégrée sur une puce de silicium, dotée de deux extrémité (Drain et Source) et commandée par une 3ème électrode appelée (Grille ou Gate). • Pour aller de la source au drain, les porteurs traversent un canal très mince (~1mm) au niveau de la grille. SOURCE DRAIN P N P GRILLE CANAL SUBSTRAT VGS VDS G D S VDS VGS Chapitre 3 - Le transistor FET
  92. 92. Page 92/160 Le transistor FET Introduction • Il existe une autre grande famille technologique de transistors: les transistors à effet de champ (Field Effect Transistor, FET). • Les FET sont des sources de courant commandées en tension. • Ils se déclinent en deux types : le canal N et le canal P. http://fr.wikipedia.org/wiki/Transistor_à_effet_de_champ P N Chapitre 3 - Le transistor FET
  93. 93. Page 93/160 Introduction Le transistor FET • Le JFET à canal N est constitué d'une mince plaquette de silicium N qui va former le canal conducteur principal. Cette plaquette est recouverte partiellement d'une couche de silicium P, de manière à former une jonction PN latérale par rapport au canal. S S JFET à canal N JFET à canal P P • Le courant entre par une première électrode, le drain (D), circule dans le canal, et sort par une deuxième électrode, la source (S). • L'électrode connectée à la couche de silicium P, la grille (G), sert à commander la conduction du courant dans le canal. • Le transistor FET fonctionne toujours avec la jonction grille-canal polarisée en inverse. N G D D D G G D Chapitre 3 - Le transistor FET
  94. 94. Page 94/160 Introduction Le transistor FET • Le JFET n'est pas adapté aux forts courants. • Son domaine d'application se limite à: - l'amplification des petits signaux. - des montages à haute impédance d'entrée et faible bruit, tels que les préamplificateurs pour signaux de faible niveau. • Ajoutons que la mise en oeuvre des FET s'avère très délicate. • En revanche, les FET sont souvent intégrés dans des circuits comme les amplificateurs opérationnels (AOP), que nous verrons plus loin. S S JFET à canal N JFET à canal P P G D D N D G G D Chapitre 3 - Le transistor FET
  95. 95. • Les transistors FET sont appelés unipolaires parce que la conduction • Un transistor à effet de champ est un composant à semi-conducteur Page 95/160 Le transistor FET Le transistor FET: un transistor unipolaire électrique y est assurée par un seul type de porteurs (P ou N). constitué de 3 zones, chacune reliée à une électrode : la grille (G), le drain (D), la source (S). Les TEC (Transistors à Effet de Champ) ou FET (Field Effect Transistor) sont de deux sortes : • Les transistors JFET (Junction FET). • Les transistors MOSFET (Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor) ou MOS. • Dans chaque cas, on rencontre les deux types de canaux: - canal N, - canal P. Chapitre 3 - Le transistor FET
  96. 96. Page 96/160 Le transistor FET Introduction • Un JFET est constitué de 3 électrodes : la grille (G), le drain (D), la source (S). JFET à canal N JFET à canal P http://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_5.html Chapitre 3 - Le transistor FET
  97. 97. Page 97/160 Le transistor FET Introduction • Un MOSFET est constitué de 3 électrodes : la grille (G), le drain (D), la source (S). MOSFET à canal N MOSFET à canal P Canal enrichi Canal appauvri Canal enrichi Canal appauvri http://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_6.html Chapitre 3 - Le transistor FET
  98. 98. Page 98/160 Le transistor FET Application: Interrupteur • Le montage présenté est un interrupteur parallèle. • La tension de commande VGS doit être Ve (ON) ou 0 (OFF). M Commande d’un moteur DC Chronogramme Chapitre 3 - Le transistor FET VGS Commande d’une LED, d’un moteur
  99. 99. Page 99/160 Le transistor FET Application: Interrupteur • Le montage présenté est un interrupteur de commande. • La tension de commande VGS doit être Ve (ON) ou 0 (OFF). Commande Commande d’une lampe d’un moteur DC Chapitre 3 - Le transistor FET
  100. 100. Page 100/160 Le transistor FET • Le montage présenté est un interrupteur parallèle. • La tension de sortie Vs doit être Ve ou 0. • Ceci se réalise facilement en donnant au FET deux points de fonctionnement très différents: - bloqué (si VGS - VP) - très conducteur (VGS = 0). Vs VGS Ve R Application: Interrupteur Chapitre 3 - Le transistor FET
  101. 101. Page 101/160 Le transistor FET Application: MOSFET de puissance Lorsque l'on veut faire tourner un moteur à courant continu dans les deux sens de rotation, il faut inverser la polarité de l'alimentation sur ses bornes. Montage à 4 interrupteurs Montage à 2 inverseurs Chapitre 3 - Le transistor FET
  102. 102. Le montage push-pull permet de fournir une forte puissance. Pour cela, il faut utiliser deux transistors complémentaires. Page 102/160 Le transistor FET Application: Montage push-pull Montage à 2 MOSFET complémentaires
  103. 103. Page 103/160 Le transistor FET Application: MOSFET de puissance Lorsque l'on veut faire tourner un moteur à courant continu dans les deux sens de rotation, il faut inverser la polarité de l'alimentation sur ses bornes. Montage à 4 MOSFET de puissance (2xRFD14N05 et 2xRFD15P05) Chapitre 3 - Le transistor FET
  104. 104. Page 104/160 Le transistor FET Application: MOSFET de puissance Moteur à courant continu avec deux sens de rotation. Pont en H: Commande Commande Montage à 2 MOSFET à canal P et 2 MOSFET à canal N Montage à 4 MOSFET à canal N http://fribotte.free.fr/bdtech/Drivers/DrivesPontH.html Chapitre 3 - Le transistor FET
  105. 105. Le transistor FET Très sensible à la contamination Page 105/160 Transistors MOSFET • Avantages et inconvénients d'un MOSFET: Avantages RDSon très grande Zin 100 MW Facile à fabriquer Petite surface de silicium Symétrique Tension de seuil importante (2,5 à 4V ou 0,8 à 2V) DMOS et VMOS, fréquence de commutation ~GHz Inconvénients Très sensible aux Décharges ElectroStatiques Mettre une diode Zener entre G et S RDSon relativement élevée MOS, pas très rapide http://didier.magnon.free.fr/cours/commutation%20chapitreIV.pdf
  106. 106. • …………………………………… • …………………………………… • …………………………………… • …………………………………… Page 106/160 Le transistor FET Application: MOSFET de puissance http://www.talkingelectronics.com/projects/MOSFET/MOSFET.html
  107. 107. Page 107/160 BJT vs MOSFET • Comparaison d'un BJT vs un MOSFET: BJT 103 à 105 100 à 200 50 à 500 500 à 2000 0,3 FET 109 à 1011 105 à 106 4 4 3 http://didier.magnon.free.fr/cours/commutation%20chapitreIV.pdf Zin (W) Pout/Pin ton (ns) toff (ns) Rs (W) Les transistors
  108. 108. - Contrôle en tension. - Résistances Ron faible (mais plus forte que le BJT). - Pas de consommation de courant en hors les transitions en commutation. Page 108/160 Les transistors BJT vs MOSFET • Comparaison d'un BJT vs un MOSFET: BJT - Contrôle en courant. - En commutation, résistance série faible si Ic important. - Impédance d’entrée faible (base). - Temps de commutation. - Consommation de courant en commutation. - Tension de seuil très reproductible en composants discret Vbe = f (Ic,Ib) FET - Impédance d’entrée forte (grille). - Rapidité de commutation. - Peu de reproductibilité http://homepages.laas.fr/fmathieu/Les%20transistors.pptx
  109. 109. Page 109/160 Les transistors Commutation • Points importants: Temps de commutation, Résistance série rapportée, Type de commande, Tensions et courants mis en jeux.
  110. 110. Page 110/160 SE1 - Composants Chapitre 4: L'ADI Université du Havre, IUT du Havre Département GEII Octobre 2013.
  111. 111. Page 111/160 I) La diode PPN 2013: SE1 I.1) Propriétés I.2) Applications: Ecrêtage, Redressement I.3) Types de diodes I.4) Circuits logiques II) Le transistor II.1) Propriétés II.2) Caractéristiques II.3) Assemblage II.4) Applications: Amplificateurs III) L'ADI III.1) Propriétés III.2) Caractéristiques III.3) Montages élémentaires III.4) Applications: Amplification, filtrage
  112. 112. Boîtier TO99 Page 112/160 Introduction L'ADI Premier AO: le K2-W Boîtier DIL8 Le LM324 de TI Le OPA335 de TI Le LM741 de NS Boîtier DO8 Chapitre 4 - L'ADI
  113. 113. .( ) out V = A e+ - e- Page 113/160 Introduction L'ADI • Définition: – Un ADI (ADI ou AOP, ou OpAmp en anglais), pour Amplificateur Différentiel Intégré est un circuit intégré dont la fonction de base est, comme son nom le suggère, l'amplification [différentielle]. – Il est en outre opérationnel en ce sens qu'il permet de réaliser des fonctions de type arithmétique (inversion, addition, soustraction...). - e- e+ + VCC VEE Vout http://genelaix.free.fr/IMG/pdf/AOP_diaporama.pdf http://genelaix.free.fr/IMG/pdf/AOP-applications-2009.pdf Chapitre 4 - L'ADI
  114. 114. Page 114/160 L'ADI Constitution et principe de fonctionnement • La structure interne de l'ADI est la suivante: Chapitre 4 - L'ADI
  115. 115. Page 115/160 L'ADI Introduction • La structure interne d'un LM124 est la suivante: Chapitre 4 - L'ADI
  116. 116. Amplification de (e+ - e-) Atténuation de (e+ + e-)/2 (Ad 1: Mode Différentiel) (Amc1: Mode Commun) Augmente le gain total (Av1) ex: montage drain commun et Rd élevée (charge active) Page 116/160 L'ADI Introduction • L'architecture simplifiée d’un ADI est la suivante : = .( + - - ) + . +   + - e e V A e e A 2 out d mc   Amplificateur différentiel Étage amplificateur Suiveur Impédance de sortie faible Configuration Push-Pull : domaine de linéarité Amplificateur Différentiel (Ad) Amplificateur de tension (Av) Suiveur Amplificateur de courant + - Chapitre 4 - L'ADI
  117. 117. Page 117/160 L'ADI Constitution et principe de fonctionnement • Un ADI est un système amplificateur différentiel: – Amplificateur et différentiel car il amplifie la différence des tensions appliquées sur ses deux entrées, notées usuellement e+ (entrée dite non inverseuse), e- (entrée dite inverseuse). Le facteur d'amplification est appelé le gain. – On aura donc un composant comportant deux entrées et une sortie. En règle générale, les ADI requièrent une alimentation symétrique (positive et négative), mais certains modèles acceptent une alimentation postive simple. Chapitre 4 - L'ADI
  118. 118. Page 118/160 Introduction L'ADI • Certains ADI sont spécialisés dans l'une ou l'autre de ces fonctions, d'autres sont aptes à les remplir toutes deux (désignés general purpose en anglais). • Il existe en outre plusieurs familles technologiques d'ADI. • Précision importante: en dépit de son apparente simplicité, l'ADI transistor demeure un composant assez complexe, aussi bien sur le plan théorique que pour sa mise en oeuvre. • Nous nous bornerons ici à décrire son fonctionnement et ses principaux paramètres de manière très succincte. Chapitre 4 - L'ADI
  119. 119. Page 119/160 L'ADI Constitution et principe de fonctionnement • Cas de tensions continues V1 et V2 aux deux entrées d'un ADI. • La figure ci-contre reprend les deux cas possibles d'alimentation de l'ADI, symétrique ou simplement positive: Alimentation non symétrique Alimentation symétrique Alimentation non symétrique Alimentation symétrique e- e+ Vout = presque +Vcc Vout = presque +Vcc e- e+ Vout = presque 0 Vout = presque -Vcc Chapitre 4 - L'ADI
  120. 120. Page 120/160 L'ADI Constitution et principe de fonctionnement • Il existe toujours une petite différence entre la tension disponible en sortie (output voltage swing, en anglais) et celle d'alimentation: £ +   £ - V ,max V V V sat cc ,min sat cc +Vcc Vsat,min -Vcc Vsat,max Chapitre 4 - L'ADI
  121. 121. Page 121/160 ADI parfait et ADI réel L'ADI • On pourrait définir l'ADI parfait ou idéal (celui de la théorie) comme un amplificateur de différence pur à gain différentiel infini, dont l'impédance d'entrée est infinie (pour ne consommer aucun courant de la source) et l'impédance de sortie est nulle (pour fournir un courant infini à la charge). • De plus, cet ADI parfait présenterait une largeur de bande infinie et un décalage en tension nul, rejetterait parfaitement le mode commun, et serait en outre insensible aux variations de température et de tension d'alimentation. • Dans la réalité, on constate, par rapport à ce modèle théorique idéal, quelques défauts (souvent minimes, il est vrai)... Ces divergences entre l'ADI réel et l'ADI parfait donnent lieu à divers paramètres, qui sont répertoriés et quantifiés dans les datasheets des fabricants. Nous allons en étudier quelques uns... Chapitre 4 - L'ADI
  122. 122. Page 122/160 Quelques caractéristiques L'ADI • Technologie bipolaire (μA741...), BI-FET (LF353...), MOSFET... • Gain en boucle ouverte de A » 105 (souvent exprimé en dB). • Impédance d'entrée très grande (Ze » 2 MW pour un μA741, de 10 MW pour un LF353...). • Impédance de sortie très faible (Ze » 75 W pour un μA741). • Courant disponible de l'ordre de Is » 25 mA. • Bande passante du continu à GBP » 1 MHz (LM324), 2 MHz (μA741), 4 MHz (LF353)... • Ajoutons à cela que la plupart des AOP, notamment le LM324, acceptent volontiers une alimentation non-symétrique. Chapitre 4 - L'ADI
  123. 123. Page 123/160 Document constructeur L'ADI • Prenons pour exemple un AOP très courant (et très bon marché), le μA741. Voici son brochage Brochage DIL8 ADI μ741 • Le μA741, en boîtier DIL 8. Ce boîtier comporte un seul AOP; d'autres modèles peuvent en comporter 2 (dual) ou même 4 (quad). La broche 8 n'est pas utilisée (NC pour not connected). Chapitre 4 - L'ADI
  124. 124. Document constructeur: μA741 V Supply voltage ±18 V S V Differential input voltage ±30 V IN R 2,0 6,0 mV S V Offset voltage = 10 k OS I Offset current 20 200 nA OS I Input bias current 80 500 nA BIAS R ±12 ±14 V L V Output voltage swing = 10 k out CMRR Common Mode Rejection Ratio 70 90 dB V R Input resistance 0,3 2 MW IN R Output resistance 75 W OUT Page 124/160 +/- 13 +/- 12 V Input voltage range IN Min Typ Max Unit Test Conditions Parameter L'ADI Chapitre 4 - L'ADI
  125. 125. V Supply voltage ±18 V S V Differential input voltage ±30 V IN R 2,0 6,0 mV S V Offset voltage = 10 k OS I Offset current 20 200 nA OS I Input bias current 80 500 nA BIAS R ±12 ±14 V L V Output voltage swing = 10 k out CMRR Common Mode Rejection Ratio 70 90 dB V R Input resistance 0,3 2 MW IN R Output resistance 75 W OUT Page 125/160 +/- 13 +/- 12 V Input voltage range IN Min Typ Max Unit Test Conditions Parameter L'ADI Document constructeur: μA741 Tension de décalage en entrée: VOS (input offset voltage) Si les deux entrées e+ et e- sont reliées à la masse, la tension différentielle devrait bien evidemment être égale à 0. Or, dans la pratique, on peut vérifier l'existence d'une tension continue de sortie Vout... Le phénomène s'explique par une infime dissymétrie dans la géométrie des entrées différentielles. Ce décalage (input offset voltage, noté VOS) peut être compensé en montant une résistance ou un potentiomètre monté sur les entrées offset null, ce qui a pour effet de forcer la sortie à 0 quand les entrées sont elles-mêmes à 0. Chapitre 4 - L'ADI
  126. 126. V Supply voltage ±18 V S V Differential input voltage ±30 V IN R 2,0 6,0 mV S V Offset voltage = 10 k OS I Offset current 20 200 nA OS I Input bias current 80 500 nA BIAS R ±12 ±14 V L V Output voltage swing = 10 k out CMRR Common Mode Rejection Ratio 70 90 dB V R Input resistance 0,3 2 MW IN R Output resistance 75 W OUT Page 126/160 +/- 13 +/- 12 V Input voltage range IN Min Typ Max Unit Test Conditions Parameter L'ADI Document constructeur: μA741 Courant de polarisation en entrée: IBIAS (input bias current) Les deux entrées d'un ADI sont, on l'a vu, des transistors (bipolaires dans le cas du μA741). Leur polarisation devrait être rigoureusement identique, ce qui n'est jamais le cas et provoque, du fait d'un décalage de courant (input offset current), un décalage de la tension de sortie Vout. Le remède consiste à monter une résistance sur l'entrée non inverseuse. Chapitre 4 - L'ADI
  127. 127. V Supply voltage ±18 V S V Differential input voltage ±30 V IN R 2,0 6,0 mV S V Offset voltage = 10 k OS I Offset current 20 200 nA OS I Input bias current 80 500 nA BIAS R ±12 ±14 V L V Output voltage swing = 10 k out CMRR Common Mode Rejection Ratio 70 90 dB V R Input resistance 0,3 2 MW IN R Output resistance 75 W OUT Page 127/160 +/- 13 +/- 12 V Input voltage range IN Min Typ Max Unit Test Conditions Parameter L'ADI Document constructeur: μA741 Amplitude de la tension de sortie: Vout (output voltage swing) Le paramètre Vout fournit la valeur maximale de la tension en sortie, cette tension ne pouvant être, naturellement, supérieure à la tension d'alimentation. Chapitre 4 - L'ADI
  128. 128. V Supply voltage ±18 V S V Differential input voltage ±30 V IN R 2,0 6,0 mV S V Offset voltage = 10 k OS I Offset current 20 200 nA OS I Input bias current 80 500 nA BIAS R ±12 ±14 V L V Output voltage swing = 10 k out CMRR Common Mode Rejection Ratio 70 90 dB V R Input resistance 0,3 2 MW IN R Output resistance 75 W OUT Page 128/160 +/- 13 +/- 12 V Input voltage range IN Min Typ Max Unit Test Conditions Parameter L'ADI Document constructeur: μA741 Taux de réjection en mode commun: CMRR (common mode rejection ratio) Dans le cas où les deux tensions V1 et V2 sont strictement égales, la tension différentielle est nulle. On dit alors que l'ADI amplifie en mode commun. En fait, un signal mode commun correspond en général à un parasite, et il doit, ou devrait, être rejeté par l'ADI. Celui-ci n'étant parfait, on risque de trouver en sortie une amplification partielle de ce parasite. Les fabricants spécifient donc un CMRR (common mode rejection ratio), ou TRMC (taux de réjection en mode commun), qui correspond au taux entre l'amplification en mode différentiel (voulue) et celle en mode commun (non voulue). Ce CRMM est exprimé en décibels (dB): plus il est élevé, plus l'ADI est idéal. Chapitre 4 - L'ADI
  129. 129. L'ADI Document constructeur: LM324 • Prenons maintenant pour exemple un autre modèle d'ADI, lui aussi Page 129/160 très courant, le LM324. • Quadruple ADI en boîtier DIL 14: Brochage du LM324 Montage avec un LM324 Chapitre 4 - L'ADI
  130. 130. Page 130/160 L'ADI Document constructeur: LM324 • Ce quadruple ADI en boîtier DIL 14 présente d'intéressantes particularités, notamment la possibilité de l'alimenter avec une tension continue positive comprise entre 3 et 30 V ou une tension symétrique comprise entre ±1,5 V et ±15 V. • De plus: – son gain en boucle ouverte atteint 100 dB – il consomme très peu de courant (1 mW sous 5 V) – la tension différentielle Vin peut être égale à la tension d'alimentation Vcc – la tension de sortie peut atteindre 0 V (pas de décalage) ou la valeur de (Vsat,max = Vcc -1,5 V) Chapitre 4 - L'ADI
  131. 131. Page 131/160 L'ADI Document constructeur: LM324 • Nous avons déjà parlé du courant de sortie IOUT (output current), sa valeur typique est ici de 20 mA. • Les deux autres paramètres, contrairement à ceux que nous avons vu jusqu'à présent, se rapportent non pas au mode continu, mais au mode alternatif. Symbol Parameter Typ Unit I Output current 20 mA OUT GBW Unity gain bandwidth 1 MHz SR Slew rate 0,3 V/μs Extrait d'un document constructeur de LM324 Chapitre 4 - L'ADI
  132. 132. L'ADI Document constructeur: LM324 Symbol Parameter Typ Unit I Output current 20 mA OUT GBW Unity gain bandwidth 1 MHz Ci-contre, le gain reste voisin de 120 dB jusqu'à une fréquence un peu inférieure à 10 Hz, puis il commence de chuter d'environ 20 dB chaque fois que la fréquence est multipliée par 10. Page 132/160 • La fréquence à gain unitaire GBW (unity gain bandwidth) est la fréquence à laquelle l'ADI n'amplifie plus (ou, si l'on préfère, amplifie par un facteur 1). En effet, le gain de l'ADI chute quand la fréquence augmente: ce phénomène caractérise sa réponse en fréquence (frequency response, en anglais). SR Slew rate 0,3 V/μs Chapitre 4 - L'ADI
  133. 133. Document constructeur: LM324 • Le paramètre SR (slew rate) est la pente de la tension maximale de sortie (SR = dV/dt), autrement dit la vitesse de variation maximum du signal. Il s'exprime en V/μs. Le SR indique la fréquence maximale d'utilisation de l'ADI sans distorsion du signal. Symbol Parameter Typ Unit I Output current 20 mA OUT GBW Unity gain bandwidth 1 MHz On notera que ces deux paramètres sont liés. Ainsi, le GBW du LM324 est de 1 MHz et son SR de 0,3 V/μs; pour le LF353, on a des valeurs de 4 MHz et 13 V/μs respectivement. Page 133/160 L'ADI SR Slew rate 0,3 V/μs Chapitre 4 - L'ADI
  134. 134. augmente. Si on désire augmenter la bande passante, il faut donc (hélas) réduire le gain. C'est donnant-donnant... • On y parvient grâce à la technique de la contre-réaction négative, qui consiste à réinjecter une fraction de la tension de sortie Vout sur l'entrée inverseuse e-, comme le montre la figure ci-contre. • On a alors un retour du signal en opposition de phase par rapport au signal d'entrée. Le signal de sortie se soustrait au signal d'entrée de manière à faire travailler l'amplificateur dans sa partie linéaire. Page 134/160 L'ADI La contre-réaction • On vient de le voir, le gain de l'ADI diminue quand la fréquence En faisant varier le ratio de la tension réinjectée par rapport à la tension de sortie, on peut aisément contrôler le gain de l'ADI. Lorsqu'on utilise un ADI avec une contre-réaction, on dit qu'il fonctionne en boucle fermée. Chapitre 4 - L'ADI
  135. 135. Page 135/160 I R I R Z1 e e Ve Vs Z2 Ve Vs L'ADI Montage amplificateur inverseur Amplificateur inverseur unitaire Amplificateur inverseur =   = - ( ) . ( ) ( ) . ( ) V e t R I t V t R I t s ( ) ( ) s e V t = - V t =   = - V Z I V Z I 2 1 ( ) . . Z T f Z 1 = - 2 e s • Montage avec contre-réction négative: Chapitre 4 - L'ADI
  136. 136. Page 136/160 L'ADI Montage amplificateur inverseur • La simulation numérique des composants réels permet d'obtenir la tension de sortie réelle, prenant en compte les caractéristiques et limitations de l'ADI choisi. A Chapitre 4 - L'ADI
  137. 137. E Z Σ Σ Σ Σ Page 137/160 L'ADI Montage amplificateur inverseur • Quel que soit le montage à ADI étudié, l'écriture de la tension en différents points du circuits selon Millman permet de déterminer la fonction de transfert du montage. E Y = = 1 1 1 1 1 N N k k k k k k A N N k k k k V Y Z = = = = Z1 E1 Z2 E2 ZN EN A VA Chapitre 4 - L'ADI
  138. 138. L'ADI Récapitulatif • Un ADI amplifie la différence des tensions appliquées sur ses deux Page 138/160 entrées, l'une étant dite non inverseuse et l'autre, inverseuse. • L'alimentation est en principe symétrique, mais une alimentation positive est souvent possible. • Le gain (facteur d'amplification) en boucle ouverte est faramineux: souvent supérieur à 105. • L'impédance d'entrée est très grande, l'impédance de sortie très petite. • Le gain diminue à mesure que la fréquence augmente; la bande passante va en général du continu à 1 ou 2 MHz pour les ADI en technologie bipolaire. • Le courant maximal disponible atteint environ de 25 mA. • Les ADI modernes sont désormais très proches de l’ADI parfait. Chapitre 4 - L'ADI
  139. 139. Page 139/160 L'ADI Montages avec ou sans contre-réaction Bouclage de Vs sur e- non oui Bouclage de Vs sur e+ Bouclage de Vs sur e+ non oui Comparateur à 1 seuil Comparateur à 2 seuils non oui Fonctionnement linéaire Convertisseurs Oscillateurs http://ressources.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02bis/cours_elec/aop.pdf Chapitre 4 - L'ADI
  140. 140. Page 140/160 L'ADI Montages avec ou sans contre-réaction Bouclage de Vs sur e- non oui Bouclage de Vs sur e+ Bouclage de Vs sur e+ non oui Comparateur à 1 seuil Comparateur à 2 seuils non oui Fonctionnement linéaire Convertisseurs Oscillateurs Chapitre 4 - L'ADI
  141. 141. Page 141/160 L'ADI Montage comparateur simple seuil ve vs +Vcc -Vcc Saturation Linéaire Saturation - + e+ vs e- Chapitre 4 - L'ADI
  142. 142. Page 142/160 L'ADI Montages avec ou sans contre-réaction Bouclage de Vs sur e- non oui Bouclage de Vs sur e+ Bouclage de Vs sur e+ non oui Comparateur à 1 seuil Comparateur à 2 seuils non oui Fonctionnement linéaire Convertisseurs Oscillateurs Chapitre 4 - L'ADI
  143. 143. Page 143/160 L'ADI Montage comparateur double seuil ve vs +Vcc -Vcc vt- vt+ e t v v - - vs + ve R2 R1 Etat initial Tension de seuil Condition de transition Etat final R = - 1 - R R v V v s = -V cc t cc + vs = +Vcc 1 2 R R R + = v s = +V cc v 1 t V cc v e v t + v s = -V cc + 1 2 Chapitre 4 - L'ADI
  144. 144. Page 144/160 L'ADI Montages avec ou sans contre-réaction Bouclage de Vs sur e- non Bouclage de Vs sur e+ non Comparateur à 1 seuil oui Convertisseurs Oscillateurs oui Comparateur à 2 seuils oui Bouclage de Vs sur e+ non Fonctionnement linéaire Chapitre 4 - L'ADI
  145. 145. Page 145/160 L'ADI Montage amplificateur inverseur v R v R 2 1 s e+ = e- = 0 ⇒ = - e - + R2 R1 ve vs Chapitre 4 - L'ADI
  146. 146. Page 146/160 L'ADI Montage amplificateur non-inverseur = + e+ = e- ⇒ v R R v R 1 2 1 s e - + R2 R1 vv s e Chapitre 4 - L'ADI
  147. 147. Page 147/160 L'ADI Montage sommateur = + 3 3 + + e+ = e- ⇒ 1 2 1 3 2 3 s R R v v v R R R R - + vs R1 R3 R2 v2 v1 Chapitre 4 - L'ADI
  148. 148. Page 148/160 L'ADI Montage soustracteur - + R2 R1 R3 v R4 vs 2 v1 = + - 4 1 2 2 2 1 + 3 4 1 1 s R R R R v v v R R R R R 4 e v 2 R R 3 4 + = + - = + s R v R v 2 1 1 + et ⇒ 1 2 e R R Chapitre 4 - L'ADI
  149. 149. Page 149/160 L'ADI Montage dérivateur - + R ve vs T = - jw RC C Chapitre 4 - L'ADI
  150. 150. Page 150/160 L'ADI Montage intégrateur 1 T jw RC = - - + C R ve vs Chapitre 4 - L'ADI
  151. 151. Page 151/160 L'ADI Montages avec ou sans contre-réaction Bouclage de Vs sur e- non Bouclage de Vs sur e+ non Comparateur à 1 seuil oui Comparateur à 2 seuils oui Bouclage de Vs sur e+ non Fonctionnement linéaire oui Convertisseurs Oscillateurs Chapitre 4 - L'ADI
  152. 152. Page 152/160 L'ADI Applications: Générateurs de signaux non-sinusoïdaux Squarewave Oscillator Pulse Generator Chapitre 4 - L'ADI
  153. 153. Page 153/160 L'ADI Applications: Montages typiques DC Summing Amplifier Non-Inverting DC Gain Power Amplifier LED Driver Chapitre 4 - L'ADI
  154. 154. Page 154/160 L'ADI Applications: Amplificateur d'instrumentation High Input Z Adjustable-Gain DC Instrumentation Amplifier Chapitre 4 - L'ADI
  155. 155. Page 155/160 L'ADI Applications: Filtre passe-bas DC Coupled Low-Pass RC Active Filter Chapitre 4 - L'ADI
  156. 156. I I Page 156/160 L'ADI Applications: Montages typiques Fixed Current Sources R 1 2 1 R 2 = Chapitre 4 - L'ADI
  157. 157. • …………………… • …………………… • …………………… • …………………… • …………………… • …………………… Page 157/160 L'ADI Applications: Montages linéaires typiques Chapitre 4 - L'ADI
  158. 158. • …………………… • …………………… • …………………… • …………………… • …………………… • …………………… Page 158/160 L'ADI Applications: Montages non-linéaires typiques Chapitre 4 - L'ADI
  159. 159. Page 159/160 Composants Notes: • ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… • ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… • ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… • ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… • ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… • ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… • ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… • ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… • ……………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………
  160. 160. Page 160/160 Notes: Composants • ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… • ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… • ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… • ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… • ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… • ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… • ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… • ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… • ……………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………

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