Cours d’Electronique Analogique

1

Cours d’Electronique Analogique

ENSPS - 1

année. Année universitaire : 2003/2004

Thomas Heiser

Laboratoire PHASE-CNRS

(Physique et Applications des Semiconducteurs) Campus Cronenbourg

tel: 03 88 10 62 33

mail: [email protected]

http://www-phase.c-strasbourg.fr/~heiser/EA2004/

2

Contenu du cours

1. Quelques rappels utiles 2. Les Diodes

3. Applications des diodes 4. Le Transistor bipolaire

5. Les Transistors à effet de champ

6. Rétroaction et amplificateur opérationnel

Bibliographie

☛ Traité de l ’électronique analogique et numérique (Vol.1),Paul Horowitz & Winfield Hill, Elektor,1996

☛ Principes d’électronique, Alberto P. Malvino, McGraw-Hill, 1991

☛ Electronique: composants et systèmes d'application, Thomas L. Floyd, Dunod, 2000

☛Microélectronique, Jacob Millman, Arvin Grabel, Ediscience International, 1994

3

1. Les bases

1.1 Composants linéaires et loi d’Ohm … :

✎ Le ”modèle linéaire” ne décrit le comportement réel du composant que dans un “domaine de fonctionnement (linéaire)” fini.

I

V

• Résistance électrique = composant linéaire : V = R I loi d’Ohm

V I R

• Généralisation aux circuits en “régime harmonique” (variation sinusoïdale des tensions et courants) :

( ) ( ) ( )

V = ⋅

( )

C L

( )

Z =

composant linéaire :

“impédance” :

4

1.2 Source de tension, source de courant :

1.2.1 Sources idéales :

I

V I_o

I_o V charge I

source de courant idéale :

→ le courant fourni par la source est indépendant de la charge

source de tension idéale :

V

I V_o

V_o V charge I

→ la tension aux bornes de la source est indépendante de la charge

5 V

1.2.2 Sources réelles :

I I_o source de courant

réelle :

→ Le domaine de linéarité défini la “plage de fonctionnement” du composant en tant que source de courant

domaine de fonctionnement linéaire ou “domaine de linéarité”

source de “courant”↔ R_i >> V/I = Z_e = “impédance d’entrée” de la charge.

i o R I V I = −

→

Io

cst I ≅ =

⇒

tant que I >> courant dans la résistance interne 

 Ri V

↔ schéma équivalent

Schéma équivalent:

I_o R_i V charge I

R_i= “résistance interne”

(G_i= 1/R_i = conductance interne)

hyp : V∈domaine de linéarité

6 V

I V_o

source de tension réelle :

domaine de linéarité

↔ schéma

équivalent V_o V charge

I

source de “tension” ↔ R_i<< Z_e I R V

V = _o − _i

→

Vo

cst V ≅ =

⇒

tant que la chute de potentiel aux bornes de R_iest faible devant V

(

)

charge V

I V_o

R_i

hyp : V∈domaine de linéarité Schéma équivalent:

7 Transformation de schéma :

➨ selon la valeur de Z_e/R_i on parle de source de tension (Z_e>>R_i) ou source de courant (Z_e<<R_i) en fait...

≡

“vu” de la charge V_o

R_i

R_i I_o

avec

i o o

R

I =V = “courant de court-circuit”

(charge remplacée par un court-circuit)

I R V R V

V R V R I V

I _{o i}

i i o

o − i = − → = −

= puisque

[V_o = tension en “circuit ouvert” du dipôle]

Sources liées Lorsque la tension (ou le courant) délivrée par une source dépend de la tension aux bornes d’un des composants du circuit ou du courant le parcourant, la source est dite “liée”. Vous verrez des exemples de sources liées dans le cas des transistors.

8

1.3 Théorème de Thévenin :

☛ Tout circuit à deux bornes (ou dipôle) linéaire, constitué de résistances, de sources de tension et de sources de courant est équivalent à une résistance unique R_Th en série avec une source de tension idéale V_th.

Calcul de V_th: ^Vth =^!V

(

)

( ) ( )

(

)

circuit -

court

!

I V I

R_th = V^th =

Calcul de R_th:

V I

A

B

≡

th

R_th

V I

= “générateur de Thévenin”

A

B

ou

[remplacement des sources de tension non-liées par un fil (V_o=0), et des sources de courant non-liées par un circuit ouvert (I_o=0)]

AB th R

R = en absence des tensions et courants fournies par les sources non-liées.

9 Mesure de R_th :

■ Au multimètre : exceptionnel… puisqu’il faut remplacer toutes sources non-liées par des court- circuits ou des circuits ouverts tout en s’assurant que le domaine de linéarité s’étend jusqu’à V=0V.

■ A partir de la mesure de V(I) :

I V

mesures pente = - R_th

générateur équivalent de Thévenin V_th

☛ En régime harmonique le théorème de Thévenin se généralise aux impédances complexes.

☛ “Générateur de Norton” = source de courant équivalente au générateur de Thévenin

☛ R_th= “impédance de sortie” du montage.

2 Vth

↔ méthode de “division moitié”

V th V

R I R

V

th

! charge 2

=

= =

10

2. Les Diodes

2.1 Définition

■ Caractéristique courant- tension d’une diode idéale :

I_d

V_d I_d

V_d

sous polarisation “directe”

(V_d≥0), la diode = court-circuit (i.e. conducteurparfait)

sous polarisation “inverse” (V_d<0) la diode = circuit ouvert

☛ Ce type de composant est utile pour réaliser des fonctions électroniques telles que le redressement d’une tension, la mise en forme des signaux (écrêtage, …).

☛La diode (même idéale) est un composant non-linéaire

☛ Aujourd’hui la majorité des diodes sont faites à partir de matériaux semiconducteurs (jonction PN ou diode Schottky, cf cours Capteurs 1A et Option: Physique des dispositifs électrique 2A)

11

2.2 Caractéristiques d’une diode réelle à base de Silicium

hyp: régime statique (tension et courant indépendants du temps)

V_d -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 20

60 100 140

I_d

I_s

■ Pour V_d <0, la diode se comporte comme un bon isolant : I_s ~ 1 pA - 1µA ,

➥ la diode est dite “bloquée”

➥ dans ce domaine son comportement est approximativement linéaire

➥ le courant “inverse”, I_s , augmente avec la température

comportement linéaire

■ Pour V_d >> ~0.7, le courant augmente rapidement avec une variationà peu près linéaire

➥ la diode est dite “passante”

➥ mais I_d n’est pas proportionnel à V_d (il existe une “tension seuil”~ V_o) V_o

12 V_d

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 20

60 100 140

I_d



 



 −





≅ exp 1

T s d

d V

I V

I η

■ Zone « du coude » : V_d ∈[0,~ V_o] : augmentation exponentielle du courant avec 1≤η≤ 2 (facteur “d’idéalité”)

V_T = k • T/e

k = 1,38 10^-23 J/K= constante de Boltzmann

e= 1.6 10^-19Coulomb, T la température en °Kelvin I_s = courant inverse

➥ le comportement est fortement non-linéaire

➥ forte variation avec la température

V_o

☛ V_T (300K) = 26 mV

13

■ Zone de claquage inverse Ordre de grandeur :

V_max= quelques dizaines de Volts

✎peut conduire à la destruction pour une diode non conçue pour fonctionner dans cette zone.

✎ V_max= « P.I. V » (Peak Inverse Voltage) ou

« P.R.V » (Peak Reverse Voltage)

I_d

V_d V_max

claquage par effet Zener ou Avalanche

V_o Limites de fonctionnement :

Il faut que V_dI_d=P_max

■ Limitation en puissance

V_dI_d=P_max

■ Influence de T :

V_d (à I_d constant) diminue de ~2mV/°C diode bloquée : I_d = I_S double tous les 10°C

diode passante :

(diode en Si)

14

2.3 Diode dans un circuit et droite de charge

➪ I_d et V_d respectent les Lois de Kirchhoff 2.3.1 Point de fonctionnement

➪ I_d et V_d sont sur la caractéristique I(V) du composant

V

R

V

I

I

, V

, ?

■ Comment déterminer la tension aux bornes d’une diode insérée dans un circuit et le courant qui la traverse?

V_d

➪ Au point de fonctionnement de la diode, (I_d,V_d) remplissent ces deux conditions

15 V_al/R_L

V_al

« Droite de charge »

I

V

Caractéristique I(V) 2.3.2 Droite de charge

■ Loi de Kirchoff :

L d d al

R V I =V −

L→ = Droite de charge de la diode dans le circuit

➪Connaissant I_d(V_d) on peut déterminer graphiquement le point de fonctionnement

☛ procédure valable quelque soit la caractéristique I(V) du composant !

➪ On peut “calculer” le point de fonctionnement en décrivant la diode par unmodèle simplifié.

Q= Point de fonctionnement

I

V_Q

Q

16

2.4 Modéles Statiques à segments linéaires

2.4.1. “Première” approximation: Diode « idéale »

↔ On néglige l’écart entre les caractéristiques réelle et idéale

V_al >0

I

V

V_al

pente=1/R_i

V_al< 0

I

V

V_al

V_al

R_i

I

V

I_d V_d

●pas de tension seuil

●conducteur parfait sous polarisation directe

●V_d <0: circuit ouvert

diode “bloquée”

<0

⇔V_d

al d

d V V

I = 0, = V_al

R_i

■ Schémas équivalents :

V_al

R_i

0

, =

= _d

i

d al V

R I V

diode “passante”

≥ 0

⇔ I_d

↔↔

↔↔ hyp: I_d, V_d constants

17 2.4.2 Seconde approximation

I

V

I_d V_d

● tension seuil V_o non nulle

● caractéristique directe verticale (pas de “résistance série”)

●V_d <0: circuit ouvert

I

V_o

V_al

R_i

V_o

schémas équivalents :

diode “passante”

≥ 0

⇔ I_d

V_al

R_i

V_al<V_o

V

V_al

o d i

o

d al V V

R V

I =V − , =

diode “bloquée”

o d V V <

⇔

al d

d V V

I = 0, = V_al

R_i

■ Schémas équivalents

V_al >V_o

I

V

V_al

pente=1/R_i

V_o

☛Pour une diode en Si: V_o ≈≈≈≈ 0,6-0,7 V

18 2.4.3 3^ième Approximation

I_d V_d

● tension seuil V_o non nulle

● résistance directe R_fnon nulle

● V_d <0: résistance R_r finie

V_d V_o1

Modélisation pente = 1/R_f pente = 1/R_r~0

Caractéristique réelle

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1

■ Schémas équivalents

I

V

V_al

pente=1/R_i

V_o V_al>V_o :

V_al

R_i

I

V

V_al R_r

diode bloquée V_al <V_o :

o d V V <

⇔ V_al

R_i

diode passante V_o

R_f

schémas équivalents :

o d

d V V

I ≥ ≥

⇔ 0et

d f o

d V R I

V = +

→ V_d I_d

☛ Pour une diode en silicium, V_o = 0,6-0.7V, R_f ~ q.q. 10Ω, R_r >> MΩ,

19 Remarques :

■

d f d

I R ≠V

■ Le choix du modèle dépend de la précision requise.

■ Les effets secondaires (influence de la température, non-linéarité de la caractéristique inverse, ….) sont pris en compte par des modèles plus évolués (modèles utilisés dans les simulateurs de circuit de type SPICE).

20 2.4.4 Calculdu point de fonctionnement via l’utilisation des schémas équivalents:

Problème: le schéma dépend de l’état (passante ou bloquée) de la diode.

Démarche (pour débutant...):

a) choisirun schéma (ou état) en vous aidant de la droite de charge b) trouver le point de fonctionnement Q de la diode

c) vérifier la cohérence du résultat avec l’hypothèse de départ

S’il y a contradiction, il y a eu erreur sur l’état supposé de la diode.

Recommencer le calcul avec l’autre schéma.

Démarche pour étudiants confirmés...

Un coup d’œil attentif suffit pour trouver l’état (passant/bloqué) de la diode ! Le calcul de Q se fait tout de suite avec le bon schéma équivalent...

21 Exemple : Calcul de Q du circuit suivant, en utilisant la 3ième approximation pour la diode.

V_al = 5V R_L=

1kΩ

>

5V 1kΩ

V_oR_f V_d

>

I_d mA

R R

V I V

L f

o

d al = 4,33 +

= − L→

V I

R V

V_{d o f d} 0,66

et = + =

hypothèse initiale : diode passante

Informations sur la diode:

V_o = 0.6V (↔ Si) R_f = 15Ω

R_r =1MΩ

[↔V_d >V_o , (I_d>0)]

OK!

En partant de l’hypothèse d’une diode bloquée: →Vd ≈5V >Vo K

En utilisant la 2ième approximation: (R_f = 0, R_r = ∞) L→I_d = 4,4mA et V_d = 0,6V

➨ La 2^ième approx. est souvent suffisante pour une étude rapide du fonctionnemnt d’un circuit

22 Autres exemples :

v_sortie v_entrée

R₁ = 1kΩ

V_ref=2V

• avec v_entrée signal basse fréquence telque le modèle statique reste valable (période du signal < temps de réponse de la diode ↔pas d’effet “capacitif” ou )

Etude du signal de sortie en fonction de l’amplitude du signal d’entrée :

• à fréquence nulle : v_entrée = V_e (constant) 2)

1)

V_al

50Ω

1MΩ

Calcul de I_d et V_d pour :

a)V_al= -5V b) V_al = 5V

Caractéristiques des diodes :

R_f= 30Ω, V_o=0.6V, I_s=0 et R_R infinie

Conseil: simplifier le circuit d’abord avant de vous lancer dans des calculs

23

V

a) V₁ = V₂= 5V

Déterminer V_s, V_D1 et V_D2 pour :

b) V₁ = 5V V₂= 0V c) V₁ = 0V V₂= 0V

Caractéristiques des diodes :

R_f= 30Ω, V_o=0.6V, I_s=0 et R_R infinie

V1 V2

R 270

R 270

D1 D2

V

3)

2V 4.7k

24

2.5 Comportement dynamique d ’une diode

2.5.1 Prélude : Analyse statique / dynamique d’un circuit

L’ Analyse dynamique

… ne concerne que les composantes variables des tensions et courants (ou “signaux” électriques, ou encore composantes alternatives (AC) )

☛n’a d’intérêt que s’il y a des sources variables!

L’ Analyse statique

… se limite au calcul des valeurs moyennes des grandeurs électriques (ou composantes continues, ou encore composantes statiques)

☛ = Analyse complète du circuit si seules des sources statiques sont présentes

Notation : lettres majuscules pour les composantes continues lettres minuscules pour les composantes variables

25 Illustration : Etude la tension aux bornes d’un composant inséré dans un circuit.

R₁

R₂ V(t) V_e

v_e

( ) [ ( ) ]

( )

R R V R R R t R v R V

R t R

V _{e e e e}

2 1

2 2

1 2 2

1

2 + +

= + + +

= Calcul complet

V v(t)

➨ Analyse statique : V(t)="V"=?

➨ Analyse dynamique : ^v

( ) ( )

hypothèses: v_e = signal sinusoïdale V_e = source statique

26 Par le principe de superposition :

☛ Comme tous les composants sont linéaires, le principe de superposition s’applique

➨ la source statique V_e est à l’origine de V , et v_e est à l’origine de v

V_e

R₁

R₂ V Analyse statique :

“schéma statique” du circuit v_e = 0

Ve R R V R

2 1

+2

=

Analyse dynamique : V_e = 0

( )

( )

R R t R

v _e

2 1

+2 v_e =

R₁ R₂

“schéma dynamique”

v

☛ Une source de tension statique correspond à un “court-circuit dynamique”

27 Autres exemples:

v_e I_o

R₁ R₂

R₃ V(t)=V+v(t)

☛ Une source de courant statique est équivalent en régime dynamique à un circuit ouvert.

[puisque i(t)=0!]

1)

Io

R R R

R V R

3 2 1

3 1 +

= + Schéma statique

I_o R₁ R₂

R₃ V

Schéma dynamique

v_e

R₁ R₂

R₃ v

( ) ( )

3 2 1

3

R R R

t v t R

v ^e

+

= +

28 2)

V (t) v_g

ω

R_g V_al

R₁

R₂ C

Schéma statique :

Val R R V R

2 1

+2

=

→

à fréquence nulle C = circuit ouvert

☛ C = composant linéaire caractérisé par une impédance qui dépend de la fréquence du signal

V V_al

R₁

R₂

29 Schéma dynamique :

v v_g

ω

R_g

R₁

R₂

schéma équivalent dynamique

Zg

R R

R v R

= +

→

1 2

1 2

//

//

ω R iC

Z_{g g} 1

avec = +

pour ω suffisamment élevée : _g

g R v R R

R v R

= +

1 2

1 2 //

//

ω Z_c iC1

=

Z_C

g g R

Z ≈ et

☛ A “haute” fréquence (à préciser suivant le cas), le condensateur peut être remplacé par un court-circuit.

30

☛ Le principe de superposition n’est plus valable en présence de composants non-linéaires !

Extrapolations possibles:

■ le point de fonctionnement reste dans un des domaines de linéarité du composant non- linéaire

■ l’amplitude du signal est suffisamment faible pour que le comportement du composant reste approximativement linéaire.

31 2.5.2 Fonctionnement d’une diode dans un de ses domaines de linéarité (D.L.) :

V_d V_o1 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1

I_d

D.L. “direct”

D.L. “inverse”

Tant que le pt. de fonctionnement reste dans le D.L. la diode peut être décrite par le modèle linéaire approprié

☛le point de fonctionnement reste dans le D.L. direct

☛la diode peut être remplacée par le modèle linéaire suivant : 0,6V

10 Ω Exemple :

5V

100Ω

1kΩ

(

)

⋅^{sin 100 2}π 5

, 0

diode: Si, R_f= 10Ω , V_o = 0,6V V(t)

32 Schéma statique :

5V

100Ω

1kΩ 10Ω

0,6V

V = … = 4,6V

Schéma dynamique :

100Ω

10Ω

1kΩ

(

)

v_e =^0,45⋅^{sin 100}⋅²π ⋅

(

)

⋅^{sin 100 2}π 5

, 0

☛ ATTENTION, l’utilisation des modèles à segments linéaires n’est plus valable si le point de fonctionnement passe dans la zone du coude

représente la diode seulement si le pt de fonctionnement reste dans le D.L. sous polarisation directe

33

■ Variations de faible amplitude autour du point de fonctionnement statique Q :

➨ la caractéristique I_d(V_d) peut être approximée par la tangente en Q

➪ _d

d Q

d d v

dV i ≅ dI ⋅

➪schéma équivalent dynamique correspondant au point Q :

≡

−1 d Q d dV

dI = “résistance dynamique”

de la diode I_d

V_d V_o

Q

d Q d

dV dI

pente :

Q Id

Q Vd 2|i_d|

2| v|

2.5.3 Modèle faibles signaux (basses fréquences)

☛ Ce schéma ne peut être utilisé QUE pour une analyse dynamique du circuit

!

hypothèse: variation suffisamment lente (basse fréquence) pour que la caractéristique “statique” reste valable.

34

■ Notation :

r

r

0

−

d>

d V d dV

dI

1 0

−

d<

d V d dV

dI

☛ à température ambiante :

( ) (

)

25 Ω =

≈ η

mA r I

f d

➨ Pour V_d >> V_o, r_f ≈ ^R_f

➨ Pour V_d < 0 , r_f≈ R_r

➨ Pour V_d ∈ [0, ~V_o] ,

d s T

V V d s

d V f d

I I V

e dV I

d dV

r dI ^T

d

d

η

η

=

































−

≅

=

− −1

1

☛ proche de V_o la caractéristique I(V) s’écarte de la loi exponentielle

➥ r_f ne devient jamais inférieur à R_f (voir courbe expérimentale, p11)

35

≡ ^r

^{≈ R}

≡ ^r

^{≈ R}

^{>>M Ω}

I

V

Q

I

V

Q

≡

d f T

I r = V

I

V

Q

■ Résumé des schémas équivalents faibles signaux, basse fréquence :

☛ hyp : la fréquence est suffisamment faible pourque i_d et v_d soient en phase

→ impédance réelle (résistance dynamique)

36 Exemple :

V

(t)

V_e

v_e R_a 1kΩ C

10µF D R_b 2kΩ 5V

Analyse statique : I_d 2,2mA, V_d 0,62V 2000

6 , 0

5− = ≈

≈

diode: Si, R_f = 10Ω ^{, V}_o ^{= 0,6V ,} Température : 300K

Analyse dynamique : 12 , 2

, 2

26 = Ω

f ≈ r

(

)

v_e =^0,1⋅^sin103⋅²π ⋅

a

c R

Z =16Ω<<

Schéma dynamique :

1kΩ

v_e

2kΩ

~ 12Ω

v

(

)

v ≈ ⋅ ⋅ ⋅

→ 1,2 10⁻³sin10³ 2π

➨Amplitude des ondulations résiduelles : 1,2 mV

37 2.5.4 Réponse fréquentielle des diodes

■ Limitation à haute fréquence :

Pour des raisons physiques, le courant I_d ne peut suivre les variations instantanées de V_d au delà d’une certaine fréquence.

➨ apparition d’un déphasage entre I_d et V_d

➨ le modèle dynamique basse fréquence n’est plus valable

■ Le temps de réponse de la diode dépend :

➪du sens de variation (passant →bloqué, bloqué →passant) (!signaux de grande amplitude)

➪du point de fonctionnement statique (pour des petites variations)

38

■ Variation de V_d de faible amplitude, sous polarisation directe (V_d^Q >0)

☛ une petite variation de V_d induit une grande variation I_d, c’est -à-dire des charges qui traversent la diode

☛ A haute fréquence, des charges restent “stockées” dans la diode (elle n’arrivent pas à suivre les variations de V_d)

☛ ~ Comportement d’un condensateur, dont la valeur augmente avec I_d (cf physique des composants) Modèle faible signaux haute fréquence (V_d >0) :

T C I

Q

d ∝ d ☛ Ordre de grandeur : C_d ~ 40 nF à 1mA, 300K.

= “capacité de diffusion”

≡

r_c

r_sc

☛ à basse fréquence : r_c + r_s = r_f

☛la séparation en deux résistances tient mieux compte des phénomènes physiques en jeu.

39

■ Variation de V_d de faible amplitude, sous polarisation inverse (V_d^Q < 0) :

☛ une variation de V_d entraîne une variation du champ électrique au sein de la diode, qui à son tour déplace les charges électriques.

☛ à haute fréquence, ce déplacement donne lieu à un courant mesurable, bien supérieure à I_s.

☛ Ce comportement peut encore être modélisé par une capacité électrique :

r

o d

t V V

C ∝ 1− Modèle faible signaux haute fréquence (V_d < 0) :

= capacité de “transition” ou “déplétion”

➪Ordre de grandeur : ~pF

40

■ Diode en « commutation » : Temps de recouvrement direct et inverse

➪ le temps de réponse dépend du courant avant commutation.

➪ ordre de grandeur : ps →ns

Le temps de réponse fini de la diode s’observe aussi en «mode impulsionnel », lorsque la diode bascule d’un état passant vers un état bloqué et vice-versa.

V_d V_g

R

V_o

V_g

t -V_R

V_Q

temps de réponse -V_R

V_d V_o

I_d (V_Q-V_o)/R

-V_R/R

41

2.6 Quelques diodes spéciales

Ordre de grandeur : V_Z ~1-100 V , I_min~0,01- 0,1mA, P_max ↔ régime de fonctionnement

☛ Diode conçue pour fonctionner dans la zone de claquage inverse, caractérisée par une tension seuil négative ou « tension Zener » (V_Z)

2.6.1 Diode Zener

I_d

V_d -V_z

-I_min

-I_max

■ Caractéristiques

V_Z : tension Zener (par définition: V_Z >0)

I_min: courant minimal (en valeur absolue) au delà duquel commence le domaine linéaire “Zener”

I_max: courant max. supporté par la diode (puissance max:P_max ~V_ZI_max) R_Z : “résistance Zener” =

z d V d V

d dV

dI

<

ex: 1N759

42 I_d

V_d -V_z

-I_min

-I_max

➪ Modèle statique :

pente 1/R_z

■ schémas équivalents hyp : Q ∈ domaine Zener

Q

≡

V_z V_d

I_d

+

R_z

➪ Modèle dynamique, basses fréquences, faibles signaux :

z d Q

z d R

dV

r dI ≅











= 

−1

pour |I_d| >I_min

43 2.6.2 Diode tunnel

➪ Exploite l’effet tunnel à travers la jonction PN (cf. Mécanique quantique)

1

>!

= +

f g

s

r R

R v

v

Illustration : Le pont diviseur comme amplificateur V_pol fixe Q dans la partie décroissante de I(V)

V_pol R v_s

v_g

☛Cet type d’amplificateur est peu utilisé parce qu’on peut faire mieux...

➪ r_f négative, utile pour les circuits résonnants Q

I

V

■ Caractéristique I(V) :

44 2.6.3 Diode électroluminescente (ou LED)

■ Principe : La circulation du courant provoque la luminescence

➪ Fonctionnement sous polarisation directe (V > V_o)

➪ L’intensité lumineuse ∝ courant électriqueI_d

☛ Ne marche pas avec le Si (cf. cours Capteurs)

➥ V_o ≠ 0.7V ! (AsGa: ~1.3V)

45

3. Applications des Diodes

3.1 Limiteur de crête (clipping)

■ Fonction : Protéger les circuits sensibles (circuits intégrés, amplificateur à grand gain…) contre une tension d’entrée trop élevée ou d’une polarité donnée.

Un aperçu qui sera complété en TD et TP.

➪ quand V_g(t)< V_o : g g e

e e V

R Z

V Z

≅ +

☛ Protection contre les tensions supérieures à ~1V Fonctionnement :

I

V

=V

V

Q V

droite de charge ➪ quand V_g(t) > V_o= 0.7V : V_e ≅V_o

g g

R V

Limite d’utilisation : Puissance maximale tolérée par la diode :

g g o d

o R

V V I

V

P 0,6

max max

⋅ −

≅

⋅

≈ (si Z_e >> q.q. Ω ) Exemple : clipping parallèle

V

V_g circuit à

protéger R_g

Z_e (diode // charge)

46 Clipping série :

V_e(t) circuit à protéger Z_e

V_g

R_g

Fonctionnement : ➨ Tant queV_g < V_o , la diode est bloquée et le circuit protégé…

➨ Pour V_g > V_o :

➨ Le circuit est protégé contre toute tension inférieure à V_o (en particulier les tensions négatives)

( )

g e

g e

e V V

R Z

V Z

V ≈ − ≅

− +

≅ 0,6 0,6

Limite d’utilisation : Puissance maximale tolérée par la diode :

e g

g e

g g

d R Z

V Z

R I V

≈ + +

≈ −0,6

max

☛ Comment peut-on modifier le circuit pour protéger la charge contre des tensions positives?

47

■ Protection par diode :

➪ V_max<0 ~ - 0.7V

➪ V_A ≤ ~20,7V

➪ la conduction de la diode engendre un courant transitoire et diminue la tension inductive.

+20V

V

I +20V

L I V

■ ouverture de l’interrupteur :

➪

➪ V_A → +∞

➪risque de décharge électrique à travers l’interrupteur ouvert

☛ L’interrupteur pourrait être un transistor...

−∞

→

= dt LdI V

Protection contre une surtension inductive

A

48 Exercices :

V_g R_c V

V₁

V₂ R_c

D_z

V_g V

(1) (2)

(3) Détecteur de fronts de montée

R C

R_c RC >> T

T

V

Quelle est la forme de V(t) pour chacun des circuits suivants ?

49

3.2 Redressement

Transformer un signal alternatif en tension continue stable

(ex: pour l’alimentation d’un appareil en tension continue à partir du secteur)

■ Objectif:

Redressement simple alternance

220V

50Hz V_s R_c

7 .

−0

≈V_m V_s

t (cf avant) R_i =résistance de sortie du transformateur

V_m =amplitude du signal du secondaire avec filtrage passe-bas :

R_c 220V

50Hz

R

V_s

➪ Le condensateur se charge à travers R (+R_f) et se décharge à travers R_c:

C R C

R <<

ondulation résiduelle

↔R, C, f V_s

t

☛ mauvais rendement : la moitié du signal d’entrée n’est pas exploitée

50 Redressement double alternace (pont de Graetz)

D₁ D₂

D₃ D₄ R

R_c

■ Fonctionnement

V_i V_s

V_i

t V_s,

V V_i <1.4

~1.4V

➪ quand V_i > ~1.4V :

D₁ et D₄ = passants, D₂ et D₃ = bloquées Parcours du courant :

➪quand V_i< ~ -1.4V :

D₁ et D₄ = bloquées, D₂ et D₃ = passantes Parcours du courant :

51 avec filtrage :

avec condensateur sans condensateur V_s

D₁ D₂

D₃ D₄ R

V_s 50 Ω

Rc =10kΩ V_i

200µF

➪ Ondulation résiduelle réduite

52 Courant transitoire de mise sous tension :

➪ Diodes de puissance

✎ Les 4 diodes du pont de Graetz existe sous forme d’un composant unique (ou discret)

☛ C est initialement déchargé ↔ V_C ≈ 0

➨ I_d peut devenir trop élevé

➪ I_dmax dépend de R et C R

I_d Vⁱ 1,4 max

→ −

I_D2

[V_m=10V]

V_s

V_secondaire (mA)

20 40 60

régime transitoire

53 Autres configurations possibles :

☛ mauvais rendement, puisqu’à chaque instant seule la moitié du bobinage secondaire est utilisé secteur

~

transformateur à point milieu

■ Utilisation d’un transformateur à point milieu :

secteur

~

+V_al

-V_al masse

■ Alimentation symétrique :

54

3.3 Restitution d ’une composante continue (clamping)

Décaler le signal vers les tensions positives (ou négatives)

↔ reconstitution d’une composante continue (valeur moyenne) non nulle

■ Fonction :

Exemple :

V

V

(t)

C

V_d D

R_g

Fonctionnement : On supposera la diode idéale (1^ière approx.)

● Lorsque V_g - V_c > 0, la diode est passante

V_g

R_g C

V_c

➨ C se charge et V_c tend vers V_g

➨V_d = 0

V_d

● Lorsque V_g - V_c <0, la diode est bloquée

➨V_c = constant (C ne peut se décharger!)

➨V_d = V_g +V_c V_g

R_g C

V_c

V_d

➥ ~ composante continue

☛ Quelle est l’effet de la tension seuil V_o de la diode (non prise en compte ci-dessus) ?

55

V

V

(t)

C

V_d D

R_g

● Cas particulier :

( )

sin ⋅ >

=V t t

V_{g m} ω

0 pour

0 <

= t

V_c (C déchargé)

➨ Phase transitoire au cours de laquelle le condensateur se charge

t (s)

C=1µF R_g =1kΩ f= 100hz V_m=5V V_c

V_g

V_d charge du condensateur

V_d ≈0.7V

Simulation

56 Exercice : Modifier le circuit pour obtenir une composante continue positive.

➪Charge de C avec une constante de temps de R_gC à chaque fois que la diode est passante

➪Décharge de C avec une constante de temps R_rC

➪ le circuit rempli ses fonctions, si pour f >>1/R_rC (≈10⁵hz dans l’exemple) :

➥ en régime permanent: V_d ≈ V_g - V_m

composante continue

57

3.4 Multiplieur de tension

■ Fonction : Produire une tension de sortie continue à partir d’un signal d’entrée variable. La tension continue est généralement un multiple de l’amplitude du signal d’entrée.

Exemple : doubleur de tension

clamping redresseur monoalternance

V_g

~

R_g

V_D1 V_Rc

V_m=10V, f=50Hz, C=10µF R_c=100kΩ.

C

C

(

)

sin ⋅ >

=V f t t

V_{g m} π

t V_D1 ,V_Rc

régime transitoire / permanent

☛En régime établi, le courant d’entrée du redresseur est faible (~ impédance d’entrée élevée)

m m

R V V

V c ≅ ⋅ − ≈ ⋅

→ 2 1,4 2

☛ Il ne s’agit pas d’une bonne source de tension, puisque le courant de sortie (dans R_c) doit rester faible (~ résistance interne élevée)