Cette série d'exercices d'électronique analogique est conçue pour les étudiants universitaires souhaitant approfondir leur compréhension des circuits à transistors bipolaires.
Elle aborde les notions fondamentales suivantes :
- La polarisation des transistors et la détermination des points de fonctionnement en régime continu.
- L'impact des variations de température sur les paramètres des composants.
- L'analyse en régime dynamique des montages amplificateurs (Émetteur Commun, Collecteur Commun, Base Commune, différentiel, cascode, Darlington), incluant le calcul des gains et des impédances.
Une section FAQ est également présente pour consolider les concepts clés de l'amplification analogique.
Électronique analogique : Série td2 avec correction
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Ce document présente une série d'exercices d'électronique analogique, couvrant divers aspects des circuits à transistors, de la polarisation à l'étude des amplificateurs.
Exercice 1
Pour les circuits à analyser, déterminer les grandeurs électriques pertinentes (tensions et courants) et le mode de fonctionnement des transistors. Les transistors sont caractérisés par :
- β = 50
- VBE(ON) = 0.7 V en mode normal/saturation
- |VCE(sat)| ≅ 0.2 V
Exercice 2
On considère le circuit de polarisation par pont diviseur.
On donne VCC = 5 V, RC = 0.2 Ω, RE = 1 Ω, β = 100 et VBE = 0.7 V.
1. Détermination du point de fonctionnement
Si R1 + R2 = 11.25 Ω, déterminer les valeurs de R1 et R2 de sorte que le point de fonctionnement soit au « milieu de la droite de charge », assurant ainsi une excursion maximale symétrique du signal de sortie.
2. Variation en température
Les résistances R1 et R2 étant fixées, calculer la variation Δ d'une grandeur pertinente (par exemple, le courant de collecteur ou la tension VCE) pour une augmentation de température de 20 °C. À la température initiale, VBE = 0.7 V et IC = 5 mA.
On note que la tension VBE diminue quand la température augmente à raison de 2 mV/°C et que le courant de saturation inverse (ICBO ou ICEO) double de valeur pour chaque augmentation de 10 °C.
Exercice 3
Les transistors Q1 et Q2 sont caractérisés par β = 100. La tension |VBE| = 0.7 V.
Déterminer les courants et tensions (par exemple, IC1, VCE1, VCB2) pertinentes pour le fonctionnement de Q1 et Q2.
Exercice 4
On considère l'amplificateur différentiel polarisé par une source de courant constant.
Données : Les tensions d'entrée V1 et V2 varient entre −5 V et +5 V. Q1, Q2 et le transistor de la source de courant sont des transistors bipolaires identiques, caractérisés par β = 100, VBE(ON) = 0.5 V, VCE(sat) = 0.2 V.
1. Calcul de la résistance de polarisation
Déterminer la valeur de la résistance R pour que la source de courant ait une intensité IC = 50 mA.
2. Analyse du fonctionnement
On suppose que IC = 50 mA. Déterminer, pour les cas suivants, les potentiels aux différents nœuds du circuit (par exemple, Vout, Vin), les courants (par exemple, IC1, IC2) et le mode de fonctionnement de chaque transistor (mode actif, saturé ou bloqué) :
- a) V1 = 0 V, V2 = 0 V
- b) V1 = −5 V, V2 = 0 V
- c) V1 = 0 V, V2 = −2 V
Exercice 5
Soit le circuit amplificateur. Le transistor est caractérisé, en dynamique, par les paramètres hybrides suivants (hie, hre, hfe, hoe).
Les capacités sont des courts-circuits en régime variable.
A. Interrupteur k à la position 1
1. Établir le schéma en dynamique et identifier le type de l'amplificateur (Émetteur Commun, Collecteur Commun ou Base Commune).
2. Déterminer l'impédance d'entrée Re, l'impédance de sortie Rs, le gain en tension Av = Vout / Vin et le gain en courant Ai = Iout / Iin.
B. Interrupteur k à la position 2
On déconnecte la capacité C3. Reprendre les questions 1 et 2.
Exercice 6
On considère le montage amplificateur cascode. Les transistors Q1 et Q2 sont identiques et caractérisés par β = 200, VBE(ON) = 0.7 V. On suppose une température ambiante.
1. Détermination des paramètres de polarisation
Déterminer les points de polarisation (IC, VCE, IB) de Q1 et Q2. En déduire les paramètres en petits signaux des transistors (on négligera 1/hoe ou ro).
2. Schéma en dynamique
Établir le schéma en dynamique de l'amplificateur.
3. Gains et impédances
Déterminer le gain en tension Av, la résistance d'entrée Re et la résistance de sortie Rs.
4. Gain en courant avec charge
On connecte une charge de 10 Ω à la sortie. Déterminer le gain en courant de l'amplificateur.
Exercice 7
Soit l'amplificateur à base de transistors bipolaires en montage Darlington.
La température est supposée égale à 27 °C.
1. Détermination des points de polarisation
Déterminer les courants de polarisation (par exemple, IC, IB) et les tensions aux nœuds clés (par exemple, VCE, VBE) de l'amplificateur Darlington.
2. Paramètres en petits signaux
Déterminer les paramètres en petits signaux des transistors. On négligera 1/hoe (ou ro).
3. Schéma en dynamique
Établir le schéma en dynamique de l'amplificateur.
4. Gains et impédances
Déterminer la résistance d'entrée Re, la résistance de sortie Rs et le gain en tension Av.
FAQ sur l'Électronique Analogique
Qu'est-ce qu'un point de fonctionnement d'un transistor ?
Le point de fonctionnement, aussi appelé point de repos ou point Q (Quiescent point), représente les valeurs de courant (IC, IB) et de tension (VCE, VBE) d'un transistor lorsqu'aucun signal d'entrée n'est appliqué. Il est crucial pour garantir que le transistor fonctionne dans la région souhaitée (active, saturation ou blocage) pour une amplification linéaire.
Comment la température influence-t-elle les transistors bipolaires ?
La température a un impact significatif sur les paramètres des transistors bipolaires. Principalement, la tension VBE diminue d'environ 2 mV par degré Celsius d'augmentation de température, et le courant de saturation inverse (ICBO ou ICEO) double approximativement pour chaque augmentation de 10 °C. Ces variations peuvent décaler le point de fonctionnement du transistor et nécessitent des circuits de polarisation stables en température.
Quels sont les montages amplificateurs à transistors les plus courants ?
Les trois montages amplificateurs à transistors les plus courants sont :
- Émetteur Commun (EC) : Offre un gain en tension et en courant élevé, mais un déphasage de 180° entre l'entrée et la sortie.
- Collecteur Commun (CC) ou Suiveur d'Émetteur : Caractérisé par un gain en tension proche de 1, un gain en courant élevé, une impédance d'entrée élevée et une impédance de sortie faible. Il est souvent utilisé comme étage tampon.
- Base Commune (BC) : Présente un gain en tension élevé, un gain en courant proche de 1, une impédance d'entrée très faible et une impédance de sortie élevée.