Électronique analogique : Travaux pratiques d'électronique analogique
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Travaux Pratiques dd '' EE ll ee cc tt rr oo nn ii qq uu ee aa nn aa ll oo gg ii qq uu ee Filière: SMP – S5 Le but de ces travaux pratiques est d’appliquer en laboratoire les connaissances acquises en cours et en travaux dirigés. Chaque manipulation comprend en général - Un rappel théorique - Une préparation - Une partie pratique La préparation du TP avant la séance est obligatoire Tout montage doit être câblé hors tension et être vérifié par l’enseignant avant la mise sous tension L’alimentation doit être coupée avant de modifier le montage A la fin du TP, les fils devront être débranchés et rangés et les appareils éteints Le compte rendu doit être remis impérativement à la fin de la séance Pr. A. HADJOUDJA Pr. O. MOUHIB Année universitaire : 2015/2016
Pr. Hadjoudja & Mouhib 3 SOMMAIRE TP1 : Amplificateur à transistor bipolaire TP2 : Amplificateur opérationnel TP3 : Multivibrateur Pr. Hadjoudja & Mouhib 4 TP1 : Amplificateur à transistor bipolaire TP d’électronique –SMP- S5 Pr. Hadjoudja & Mouhib 5 TP 1 : Amplificateur à transistor bipolaire Objectifs de ce TP : Utiliser le modèle équivalent petits signaux du transistor. Déterminer les paramètres d'un amplificateur (Gain en tension, bande passante, impédances d’entrée et de sortie). 1- Introduction Les amplificateurs sont utilisés en électronique pour amplifier un signal de faible amplitude issu d’un capteur par exemple. Les caractéristiques importantes d’un amplificateur en moyennes fréquences sont : la résistance d’entrée, le gain en tension, le gain en courant, la résistance de sortie et la bande passante. L’amplificateur que nous allons étudier est un amplificateur à base de transistor bipolaire. Pour amplifier un signal faible puissance le transistor doit être polarisé dans sa zone linéaire. La polarisation consiste à fixer les courants statiques 0B
I, 0C
I et les tensions statiques 0BE
V et 0CE
V. Ces courants et tensions de repos représentent la composante continue du signal autour duquel va varier la composante sinusoïdale relative au signal d’entrée. Les signaux sont constitués de deux composantes : une composante continue et une composante alternative. Pour enlever la composante continue à la sortie de l’amplificateur on utilise généralement un condensateur de liaison convenablement choisi. L’expression du courant de collecteur C
I, par exemple, peut être écrite sous la forme suivante : )()(0 tiItICCC += Pour mieux comprendre l’objectif de cette manipulation, il est important de faire une étude théorique détaillée de votre montage amplificateur avant de passer aux étapes de la réalisation et des mesures. 2- Structure générale d’un circuit d’amplification : Figure 1- Schéma de principe d’un amplificateur - Le signal à amplifier : il est peut être une antenne, un circuit électronique ou un capteur qui transforme un phénomène physique en une énergie électrique. Dans plusieurs cas, cette énergie est de faible puissance et par conséquent, elle doit être amplifiée avant de l’envoyer à la charge. - La charge : c’est un dipôle passif qui absorbe de l’énergie électrique et la transforme en une autre énergie. Exemples : haut-parleur, relais... - L’amplificateur et sa source de puissance : l’amplificateur est alimenté par une ou plusieurs sources de tensions continues. Le rôle de l’alimentation est de polariser les éléments actifs (transistors) dont l’organisation constitue l’amplificateur. Amplificateur Signal à amplifier Charge Source de puissance E
v S
v E
i S
i TP1 : Amplificateur à transistor bipolaire TP d’électronique –SMP- S5 Pr. Hadjoudja & Mouhib 6 Dans le cas ou toutes les précautions sont prises pour le générateur d’excitation à savoir petites variations et fréquences moyennes, l’étage amplificateur peut se mettre sous la forme suivante : Figure 2 : Schéma équivalent simplifié d’un étage amplificateur aux petites variations et fréquences moyennes Avec : 0v
A : Amplification en tension à vide : ()
( )0 0= =S es vi tvtv A – Le gain en tension à vide :() 0log20 vv
AG= exprimé en décibel (dB) ; e
R: La résistance (ou impédance) d’entrée : 0== se ee ii v
R; S
R: La résistance (ou impédance) de sortie : 0== es sS vi v
R; On définit également : Amplification en courant en court-circuit : ()
( )0 0= =S es iv titi A – Le gain en courant en court-circuit : ()00 log20ii AG= exprimé en dB ; Amplification en puissance : ()()
( )( )e see ssivP PP titvtitv AAA=⋅ ⋅
=⋅= Ce rapport peut aussi se mettre sous la forme : UevPRRAA⋅= 2
– Le gain en puissance : ()PP AGlog10= exprimé en dB 3- Méthode de calcul de la résistance d’entrée : On peut simuler l’entrée d’un amplificateur par une résistance d’entrée e
R : EEe
ivR= (calcul théorique) Dans certains étages amplificateurs, e
R peut dépendre de U
R (résistance de charge). On distingue alors deux cas : - e
R à vide (U R infinie) - e
R en charge (avec U
R) s
i e
i evvA 0e v e
R S
R TP1 : Amplificateur à transistor bipolaire TP d’électronique –SMP- S5 Pr. Hadjoudja & Mouhib 7 On peut mesurer la résistance d’entrée e
R vue par le générateur (g e,g R) en insérant une résistance variable R entre l’entrée de l’étage amplificateur et le générateur d’attaque (g e,g R). La figure 5 représente le schéma de mesure de e
R. Figure 3 : Montage pratique de mesure de la résistance d’entrée d’un amplificateur On fait varier R jusqu’à ce que 2'EE vv=. Dans ces conditions, RRe =. 4- Méthode de calcul de la résistance de sortie : La résistance de sortie représente la résistance interne du générateur de Thevenin équivalent à la sortie de l’amplificateur vue par la résistance de charge U
R. Dans certains cas S
R peut dépendre de g
R. En théorie, la procédure à suivre pour déterminer S
R est la suivante : 1/ on dessine le schéma équivalent du montage aux petites variations. 2/ on court-circuite g
e (g e=0) (sans enlever g
R). 3/ On enlève U
R et on la remplace par une source de tension sinusoïdale u qui délivre un courant i. 4/ dans ces conditions, on calcule S
R : iuRS =. En pratique, la procédure à suivre est la suivante : 1/ on doit d’abord mesurer la tension de sortie à vide 0S
v. (Figure 6 avec K ouvert) 2/ On branche une résistance variable (de valeur convenable) à la sortie et on mesure la tension en charge (S v). (figure 6 avec K fermé). 3/ on fait varier R jusqu’à ce que 20SS vv=. 4/ dans ces conditions, R = S
R. Figure 4 : Montage pratique de mesure de la résistance de sortie d’un amplificateur TP1 : Amplificateur à transistor bipolaire TP d’électronique –SMP- S5 Pr. Hadjoudja & Mouhib 8 5- Bande passante Tout amplificateur possède une plage d’utilisation limitée en fréquence appelée « bande passante ». On appelle fréquence de coupure haute, CH
F, la fréquence au-dessus de laquelle l’amplificateur n’amplifie plus (ou amplifie moins) et la fréquence de coupure basse, CB
F, la fréquence au-dessous de laquelle il n’y a plus d’amplification (Fig. 1.6). La fréquence de coupure basse peut être nulle dans certaines applications. En pratique, on définit la fréquence de coupure lorsque l’amplification chute de 3 dB. Bande passante = CH
F - CBF Figure 5 – Réponse en fréquence d’un amplificateur 6- Dynamique de sortie maximum Quand on augmente l’amplitude du signal d’entrée appliqué à un amplificateur, il y a une amplification maximum du signal de sortie (tension et/ou courant) au-delà de laquelle l’amplificateur refuse de suivre : – d’une part le signal de sortie se déforme beaucoup quand on augmente encore l’amplitude du signal d’entrée, jusqu’à, dans certains cas, devenir pratiquement rectangulaire, quelle que soit la forme du signal d’entrée ; – d’autre part une augmentation du signal d’entrée ne provoque plus d’augmentation du signal de sortie au-delà de cette limite. Cette limite est appelée dynamique de sortie maximum, elle se mesure en volts ou parfois en ampères si la grandeur de sortie est un courant. La valeur de la dynamique de sortie est liée aux sources et au circuit de polarisation, mais le lien n’est pas toujours évident. Montage amplificateur Emetteur Commun On considère le montage amplificateur de la figure 7. Il s’agit d’un montage amplificateur à transistor bipolaire monté en émetteur commun. Les condensateurs C1 et C2 sont des condensateurs de liaison. Ces condensateurs se chargent à leurs tensions continues finales et se comportent comme un circuit ouvert au passage du courant continu. En alternatif, ils transmettent les variations des signaux alternatifs et se comportent ainsi comme des circuits fermés au passage du courant alternatif. Ils ont été choisis de telle sorte qu’ils n’interviennent pas dans les fréquences de travail du montage. Cependant, la fréquence de coupure basse du montage dépend de ces capacités et des capacités de découplage. Le condensateur E
C est un condensateur de découplage, il sert à ramener le point E à la masse aux variations tout en maintenant un potentiel continu dans l’émetteur. En statique, E
C se charge à la tension d’émetteur EE
IR. TP1 : Amplificateur à transistor bipolaire TP d’électronique –SMP- S5 Pr. Hadjoudja & Mouhib 9 Figure 7 : Montage amplificateur Emetteur Commun Manipulation 1. Partie théorique 1) – Dessiner le schéma équivalent statique du montage de la figure 7. 2) – Sous quelle tension sont chargés les condensateurs 1
C, 2
C et E
C ? Faire les mesures pratiques. 3) – Donner les expressions théoriques de la résistance d’entrée 11
h et la résistance de sortie ()22 1h du transistor. 4) – Donnez le schéma équivalent en petits signaux du montage 5) – Donner le détail des calculs de l’expression de l’amplification en tension ()
( )te tvA gS V
= du montage à vide et à charge. 7) – Donner le détail des calculs de l’expression de la résistance d’entrée e
R vue par la source de tension ()te g
. 8) – Donner l’expression de la résistance de sortie du montage S
R en précisant le détail des calculs. 2. Mesures : Réaliser le montage de la figure 2 puis appliquer un signal sinusoïdal ()te g à l’entrée du montage. On fixe la fréquence à 1KHz Toutes les mesures seront effectuées à vide (U R débranchée). 1) – Augmenter l’amplitude du signal puis déterminer la limite de ()te g sans distorsion du signal en sortie de l’amplificateur. (Emax = ) 2) – Donner, en s’appuyant sur un schéma, la méthode de mesure de la résistance d’entrée vue par la source de tension ()te g
. Mesurer cette résistance e
R vue par la source de tension e(t). (e R(exp) = ) ge 1C 1BR 2BR CR 2C Sv Ev CCV gR UR ER EC TP1 : Amplificateur à transistor bipolaire TP d’électronique –SMP- S5 Pr. Hadjoudja & Mouhib 10 3) – Donner, en s’appuyant sur un schéma, la méthode de mesure de la résistance de sortie S
R de l’amplificateur. Mesurer la résistance de sortie S
R du montage. (S R (exp) = ) 4) – Mesurer le gain en tension à vide ()() ( )te tvA gS V= exp0
. 5) – Augmenter la fréquence du générateur d’attaque puis observer l’amplitude du signal de sortie. Déterminer la fréquence de coupure haute h
f à -3dB du montage. Prendre Ω=kRU 10. 6) – Calculer le gain en puissance ̈P A en déciBel. (Apexp = ) 7) – Comparer les valeurs mesurées aux valeurs théoriques. 8) – Conclusion TP3 : Le Multivibrateur TP d’électronique –SMP- S5 Pr. Hadjoudja & Mouhib 11 TP2 : L’Amplificateur Opérationnel 1- Présentation Un amplificateur opérationnel (aussi dénommé ampli-op ou AO) est un circuit intégré qui permet d’amplifier une différence de potentiel électrique présente à ses entrées. Il a été initialement conçu pour effectuer des opérations mathématiques de base dans les calculateurs analogiques comme l'addition, la soustraction, l'intégration, la dérivation et d'autres. Par la suite, l'amplificateur opérationnel est utilisé dans bien d'autres applications comme la commande de moteurs, la régulation de tension, les sources de courants ou encore les oscillateurs. On peut aussi l’exploiter dans des montages non linéaires tels que : comparateur, multivibrateur astable. Il se présente le plus souvent sous forme d’un boîtier plastique à 8 broches et son brochage standard est celui-ci : Son symbole normalisé est le suivant : avec : ±Vcc est la tension d’alimentation. E+ est l’entrée non inverseuse (v
E+ : tension appliquée à l’entrée E+). E-est l’entrée
inverseuse(v E- :
tension appliquée à l’entrée E-). S est la sortie (v
S : tension de sortie) −+−= EEd
vvV est la tension d’entrée différentielle. 2- Caractéristique de transfert La tension de sortie v
S varie avec la tension d’entrée différentielle d
V selon la caractéristique de transfert suivante : 1 2 5 3 4 6 7 8 TL081 Offset Offset +Vcc
S -Vcc E- E+ NC vS i
e +i Sv E++V CC-V CCi e -v E -
+ - dV E+ E- Figure 2 Figure 1 dV Domaine linéaire Sv SatV+ SatV− Saturation positive Saturation négative CCV+ CCV− Figure 3 TP3 : Le Multivibrateur TP d’électronique –SMP- S5 Pr. Hadjoudja & Mouhib 12 Cette courbe fait apparaître 2 régimes de fonctionnement: le régime linéaire et le régime saturé. - Dans Le régime linéaire :() −+−== EEdSvvGVGv 00 avec 0
G est le gain différentiel de l’amplificateur, - Dans le régime de saturation : SatS
Vv±= (Sat V est légèrement inférieure à CC
V) On remarque bien que dans la zone linéaire la tension de sortie dSVGv 0
= est comprise entre Sat
V− et Sat
V+ . Ceci n’est possible que si : 00G VV GV Satd Sat+ ≤≤
− Et comme 0
G est très élevé, le fonctionnement linéaire n’est possible que pour des valeurs très faibles de d
V 3- AO idéal ou parfait : On donne le modèle électrique équivalent de l’amplificateur opérationnel : Un amplificateur opérationnel idéal (parfait) est caractérisé par : - un gain differentiel 0
G infini. Ce qui donne : −+=⇒= EEd
vvV0 - Une impédance d’entrée E
R infinie. Ce qui donne : 0==−+ee ii - Une impédance de sortie S
R nulle. - Une tension s
v nulle en l’absence de signal d’entrée. La caractéristique de transfert précédente est alors idéalisée, et elle prend la forme suivante : Cette caractéristique est traduite par :
≈+<<−
>+=
<−=
0pour 0pour 0pour d
dSatSSatSatS SatSVVvV VvVVv ε Pour travailler en régime linéaire, il faut amener −+−= EEd
vvV à des valeurs proches de 0. Ceci peut être réalisé en plaçant une impédance en contre réaction entre la sortie et l’entrée inverseuse qui assurera la stabilité du montage. R
S R
E dVG 0
E+ E- d
V S vS i
e +i e -()VV dμ Sv SatV+ SatV− Figure 5 Figure 4 TP3 : Le Multivibrateur TP d’électronique –SMP- S5 Pr. Hadjoudja & Mouhib 13 4- Montages en régime linéaire Dans ces montages, l'amplificateur doit fonctionner en régime linéaire donc hors saturation. Il existe deux possibilités de montages amplificateur selon que le signal d'entrée est appliquée à l'entrée(-) ou à l entrée(+) 4.1- Montage inverseur L'amplificateur opérationnel est supposé parfait : 0==−+ ii 0==−+ vv (l’entrée + est liée à la masse) En appliquant la loi des mailles : ESv RR v1 2
−= Le gain idéal en boucle fermée :1 2R Rv vG ES idéal
−== Conclusion : • Si E
v est sinusoïdale, S
v est aussi sinusoïdale et elle est déphasée de -180° par rapport à E
v • S
v est amplifié si 12
RR> 4.2- Montage non inverseur Dans ce montage, la contre réaction s'effectue sur l'entrée (-) le signal à amplifier est injecté sur l'entrée (+) Idéalement, avec un gain en boucle ouvert G
0 infini, on obtient un gain idéal: 12 1R Rv vG ES idéal
+== Conclusion : • pas de déphasage • S
v est amplifié Pour que S
v = E
v il faut que ∞=1 R et 02 =R : C’est le montage suiveur Ce montage permet de connecter une résistance de charge L
Rà un générateur de résistance interne LG
RR>> tout en maintenant la tension G
E aux bornes de L
R : adaptateur d’impédance entre le générateur et la charge vS vE −+ Figure 8 vS R1 R2 vE −+ Figure 6 vS R1 R2 vE −+ Figure 7 TP3 : Le Multivibrateur TP d’électronique –SMP- S5 Pr. Hadjoudja & Mouhib 14 Le Suiveur permet également que l’impédance d’entrée de l’oscilloscope ne vienne modifier la fréquence de coupure d’un filtre (figure 9) 4.3- Soustracteur Exprimons S
v en fonction des deux entrées e1 et e
2 : On a : BA
VV= et 0==−+ ii Donc: )1(e111 iRVA =− )2(13 iRVVsA =− )3(222 iRVeB =− )4(20 iRVB = 02 )4(R Vi B
=⇒ 220 00 22)3(e RRR VR VRVe BB B+ =⇒=−⇒ 11 1)1( RVe iA −
=⇒ ()1 13 13 11 31)2(e RR RR VVVeR RVV AsAsA− +=⇒−=−⇒1 13 13 220 01e RR RR eRR RVVV SBA− ++ =⇒=
Si toutes les résistances sont égales R1 = R2 = R
3 = R
0 alors Vs =e
2 – e1 EG RG R
L vL <E
G i≠0 vE =E
G −+ EG RG R
L vL =E
G i≠0 i=0 Figure 9 Générateur de tension −+ vE R Oscilloscope v
S i=0 C Figure 10 R1 R3 e1 e2 i1 i2 i
- VS −+ R2 R0 i
+ B A Figure 11 TP3 : Le Multivibrateur TP d’électronique –SMP- S5 Pr. Hadjoudja & Mouhib 15 4.4- Sommateur (ou Additionneur) La méthode de calcul de v
s est comparable à celle du soustracteur : +−=2 21 10 Rv Rv RvS Q Démontrer la relation précédente L’AO réalise donc l’addition de deux fonctions 1
v et 2
v. Dans le cas où un nombre quelconque de tensions est appliqué à l’entrée E-, on obtient alors −=∑ ii iS Rv Rv0 Le signe – est gênant, il suffit d’ajouter un étage inverseur à la sortie de l’amplificateur. 4.5- Intégrateur On a : 0=A V (masse virtuelle) et 0=− i Donc: 11iRv E
= et ∫−=dti Cv S11 ( )dttvCR tvEs ∫−=⇒ 11 )( La tension de sortie est proportionnelle à l'intégrale de la tension d'entrée. Le signe (-) exprime le déphasage entre V
s et Ve . Q Donner la fonction de transfert de ce montage. Q Tracer le diagramme de bode (Amplitude et phase) de cette fonction de transfert Remarque : Problème posé par l’intégrateur : L’amplification devient très grande pour les basses fréquences et l’amplificateur se sature. Ainsi si le signal d’entrée présente une composante continue, celle-ci saturera l’AO. On limite le gain en basses fréquences en insérant une résistance en parallèle avec le condensateur. 4.6- Dérivateur Q Montrer que tv RCvE Sd d
−=. Le montage réalise donc une dérivation de la fonction E
v avec en plus un changement de signe Lorsque E
v est sinusoïdale : ES
vjRCvω−=, la sortie S
v est également sinusoïdale. Q Tracer le diagramme de bode (Amplitude et phase) de cette fonction de transfert vS R1 R0 v1 −+ R2 v2 Figure 12 i1 i
- A vS C R vE −+ Figure 13 vS C R vE −+ Figure 14 TP3 : Le Multivibrateur TP d’électronique –SMP- S5 Pr. Hadjoudja & Mouhib 16 Remarque : Problème posé par le dérivateur : Le gain devient très grand en haute fréquence et l’A.O. se sature. Pour le cas souvent rencontré en pratique c’est l’effet du bruit qui a un spectre en H.F. qui saturera l’A.O. La solution alors est de limiter le gain en H.F. en insérant une résistance en série avec le condensateur. 5- Manipulation 5.1- Montage inverseur - Réaliser le montage de la figure 6. Prendre ()tv E
10002sin2π= - Prendre Ω=kR10
1 et choisir 2
R pour avoir les gains suivants : 10;1;1,0=G - Relever les chronogrammes de )(tv
E et )(tv
S en concordance de temps pour chaque valeur du gain. - Pour un gain = 10, A quelle condition sur )(tv
E pour ne pas avoir )(tvS = + Vsat ou – Vsat ? 5.2- Montage additionneur - Réaliser le montage de la figure 12, avec Ω==kRR10
21 et Ω=KR10 - Relever en concordance de temp