Ce document constitue le support de cours pour les Travaux Pratiques en Électronique Analogique, destiné aux étudiants de la filière SMP – S5. Il vise à consolider les acquis théoriques par des manipulations concrètes en laboratoire.
Ce livret détaille les consignes importantes, la méthodologie des séances, et présente les objectifs ainsi que les procédures des différents travaux. Les manipulations couvriront les amplificateurs à transistor bipolaire et les amplificateurs opérationnels, explorant leurs caractéristiques et applications essentielles.
Électronique analogique : Travaux pratiques d'électronique analogique
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L'objectif de ces travaux pratiques est d'appliquer en laboratoire les connaissances acquises en cours et en travaux dirigés. Chaque manipulation comprend généralement :
- Un rappel théorique
- Une préparation
- Une partie pratique
Consignes importantes pour les travaux pratiques :
- La préparation du TP avant la séance est obligatoire.
- Tout montage doit être câblé hors tension et vérifié par l’enseignant avant la mise sous tension.
- L’alimentation doit être coupée avant de modifier le montage.
- À 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.
Sommaire des TP
TP1 : Amplificateur à transistor bipolaire
TP2 : Amplificateur opérationnel
TP3 : Multivibrateur
TP1 : Amplificateur à transistor bipolaire
Objectifs du 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).
Introduction aux Amplificateurs
Les amplificateurs sont essentiels en électronique pour augmenter l'amplitude d'un signal faible, provenant par exemple d'un capteur. Ces signaux faibles nécessitent une amplification avant d'être traités ou utilisés par d'autres composants, comme des haut-parleurs ou des systèmes de contrôle. Comprendre le gain d'un amplificateur est crucial pour garantir que le signal de sortie atteint l'amplitude désirée sans distorsion. Les caractéristiques cruciales 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.
Ce TP se concentre sur l'amplificateur à base de transistor bipolaire. Pour amplifier des signaux de faible puissance, le transistor doit être polarisé dans sa zone linéaire. La polarisation implique de fixer les courants statiques (IB0, IC0) et les tensions statiques (VBE0, VCE0). Ces valeurs de repos représentent la composante continue du signal, autour de laquelle la composante sinusoïdale du signal d'entrée variera.
Les signaux sont composés de deux éléments : une composante continue et une composante alternative. Pour retirer la composante continue à la sortie de l’amplificateur, un condensateur de liaison est généralement employé. L'expression du courant de collecteur IC peut être écrite sous la forme : IC(t) = IC0 + iC(t).
Structure Générale d’un Circuit d’Amplification
Figure 1 : Schéma de principe d’un amplificateur
Un amplificateur typique interagit avec le signal d'entrée (vE, iE) et la charge via le signal de sortie (vS, iS). Pour comprendre son fonctionnement, il est utile d'identifier ses composants clés :
- Le signal à amplifier : Il peut provenir d'une antenne, d'un circuit électronique ou d'un capteur convertissant un phénomène physique en énergie électrique. Souvent, cette énergie est de faible puissance et nécessite une amplification avant d'être transmise à la charge.
- La charge : C'est un dipôle passif qui consomme de l’énergie électrique et la transforme en une autre forme d'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) constituant l’amplificateur.
Dans les conditions de petites variations et de fréquences moyennes, un étage amplificateur peut être modélisé comme suit :
Figure 2 : Schéma équivalent simplifié d’un étage amplificateur aux petites variations et fréquences moyennes
Avec :
- Av0 : Amplification en tension à vide : Av0 = vS / ve lorsque is = 0.
- Gv : Gain en tension à vide : Gv = 20 log10(Av0), exprimé en décibels (dB).
- Re : Résistance (ou impédance) d’entrée : Re = ve / ie lorsque vs = 0.
- RS : Résistance (ou impédance) de sortie : RS = vs / is lorsque ve = 0.
On définit également :
- Ai0 : Amplification en courant en court-circuit : Ai0 = is / ie lorsque vs = 0.
- Gi : Gain en courant en court-circuit : Gi = 20 log10(Ai0), exprimé en dB.
- AP : Amplification en puissance : AP = (PS / PE) = (vSiS) / (vEiE) = Av ⋅ Ai. Ce rapport peut aussi se mettre sous la forme : AP = (vS2/RU) / (vE2/Re).
- GP : Gain en puissance : GP = 10 log10(AP), exprimé en dB.
Méthode de Calcul de la Résistance d’Entrée
L’entrée d’un amplificateur peut être simulée par une résistance d’entrée Re, où Re = vE / iE (calcul théorique). Re peut dépendre de la résistance de charge RU. Deux cas sont distingués :
- Re à vide (RU infinie)
- Re en charge (avec RU)
La mesure de la résistance d'entrée Re vue par le générateur (eg, Rg) implique l'insertion d'une résistance variable R entre l’entrée de l’amplificateur et le générateur.
Figure 3 : Montage pratique de mesure de la résistance d’entrée d’un amplificateur
La résistance R est ajustée jusqu'à ce que v'E = vE / 2. Dans ces conditions, Re = R.
Méthode de Calcul de la Résistance de Sortie
La résistance de sortie RS représente la résistance interne du générateur de Thévenin équivalent à la sortie de l’amplificateur, vue par la résistance de charge RU. RS peut dépendre de Rg.
En théorie, pour déterminer RS :
- Dessiner le schéma équivalent du montage aux petites variations.
- Court-circuiter eg (eg=0), sans retirer Rg.
- Remplacer RU par une source de tension sinusoïdale u délivrant un courant i.
- Calculer RS = u / i.
En pratique, la procédure est la suivante :
- Mesurer la tension de sortie à vide vS0.
- Brancher une résistance variable R à la sortie et mesurer la tension en charge (vS).
- Faire varier R jusqu’à ce que vS = vS0 / 2.
- Dans ces conditions, RS = R.
Figure 4 : Montage pratique de mesure de la résistance de sortie d’un amplificateur
Bande Passante
Tout amplificateur possède une plage de fréquences d'utilisation limitée appelée « bande passante ». On définit :
- Fréquence de coupure haute (FCH) : Fréquence au-dessus de laquelle l’amplification diminue.
- Fréquence de coupure basse (FCB) : Fréquence en dessous de laquelle il n’y a plus d’amplification. La FCB peut être nulle dans certaines applications.
En pratique, la fréquence de coupure est définie lorsque l’amplification chute de 3 dB.
Bande passante = FCH - FCB
Figure 5 : Réponse en fréquence d’un amplificateur
Dynamique de Sortie Maximale
Lorsque l'amplitude du signal d'entrée est augmentée, l'amplificateur atteint une amplification maximale du signal de sortie (tension et/ou courant), au-delà de laquelle il ne peut plus suivre :
- Le signal de sortie se déforme significativement, pouvant devenir quasi rectangulaire quelle que soit la forme du signal d'entrée.
- Une augmentation supplémentaire du signal d'entrée ne produit plus d'augmentation du signal de sortie.
Cette limite est la dynamique de sortie maximale, mesurée en volts ou parfois en ampères. Sa valeur est liée aux sources d'alimentation et au circuit de polarisation. Une compréhension de cette limite est essentielle pour concevoir des circuits qui évitent l'écrêtage (clipping) et maintiennent l'intégrité du signal.
Montage Amplificateur Émetteur Commun
On étudie un montage amplificateur à transistor bipolaire en configuration émetteur commun (figure 7). Les condensateurs C1 et C2 sont des condensateurs de liaison qui se comportent comme un circuit ouvert en courant continu et transmettent les variations des signaux alternatifs. Ils sont fondamentaux pour isoler la polarisation continue du signal alternatif, permettant ainsi une amplification optimale. Ils sont choisis pour ne pas interférer avec les fréquences de travail du montage. La fréquence de coupure basse du montage dépend de ces capacités et des capacités de découplage.
Le condensateur CE est un condensateur de découplage, servant à ramener le point E à la masse pour les variations alternatives tout en maintenant un potentiel continu à l’émetteur. En statique, CE se charge à la tension d’émetteur IERE.
Figure 7 : Montage amplificateur Émetteur Commun
Manipulation du TP1
Partie théorique
- L'étude théorique implique de comprendre sous quelle tension les condensateurs C1, C2 et CE sont chargés.
- Les expressions théoriques des résistances d'entrée et de sortie du transistor, comme h11 et h22, sont fondamentales.
- Le calcul de l'amplification en tension du montage, à vide et en charge, est un point clé.
- L'expression de la résistance d'entrée Re, vue par la source de tension, est également à déterminer.
- Enfin, l'expression de la résistance de sortie RS du montage nécessite des calculs détaillés.
Mesures pratiques
Le montage de la figure 2 est réalisé avec un signal sinusoïdal d'entrée à 1 KHz. Toutes les mesures sont effectuées à vide (RU débranchée).
- La détermination de la limite d'amplitude du signal d'entrée sans distorsion en sortie (Emax) est une mesure importante.
- La méthode de mesure de la résistance d'entrée (Re) vue par la source de tension, et la mesure de cette résistance, sont des étapes pratiques.
- La mesure de la résistance de sortie (RS) de l'amplificateur est également effectuée.
- Le gain en tension à vide (Av,exp,0) est mesuré.
- La détermination de la fréquence de coupure haute (fh) à -3dB, en observant l'amplitude du signal de sortie lors de l'augmentation de la fréquence (avec RU = 10 kΩ), est cruciale.
- Le calcul du gain en puissance (AP,exp) en décibels conclut cette partie.
- Une comparaison entre les valeurs mesurées et théoriques est ensuite réalisée, suivie d'une conclusion.
TP2 : L’Amplificateur Opérationnel
Présentation de l'AO
Un amplificateur opérationnel (AO) est un circuit intégré conçu pour amplifier une différence de potentiel électrique entre ses entrées. Initialement, il servait aux opérations mathématiques (addition, soustraction, intégration, dérivation) dans les calculateurs analogiques. Aujourd'hui, il est largement utilisé dans des applications variées : commande de moteurs, régulation de tension, sources de courants, oscillateurs, ainsi que dans des montages non linéaires comme les comparateurs et les multivibrateurs astables.
L'AO se présente souvent sous forme de boîtier plastique à 8 broches (par exemple, le TL081). Son symbole normalisé est un triangle avec les broches suivantes :
- ±VCC : Tensions d’alimentation.
- E+ : Entrée non inverseuse (vE+ : tension appliquée).
- E- : Entrée inverseuse (vE- : tension appliquée).
- S : Sortie (vS : tension de sortie).
La tension d’entrée différentielle est Vd = vE+ - vE-.
Caractéristique de Transfert
La tension de sortie vS varie avec la tension d’entrée différentielle Vd selon la caractéristique de transfert suivante :
Figure 1, Figure 2, Figure 3 : Caractéristique de transfert de l'AO
Cette courbe montre deux régimes de fonctionnement : le régime linéaire et le régime saturé.
- Dans le régime linéaire : vS = G0 ⋅ Vd, où G0 est le gain différentiel de l’amplificateur.
- Dans le régime de saturation : vS = ±VSat (VSat étant légèrement inférieure à VCC).
En zone linéaire, la tension de sortie vS est comprise entre -VSat et +VSat. Cela n’est possible que si -VSat / G0 ≤ Vd ≤ +VSat / G0. Étant donné que G0 est très élevé, le fonctionnement linéaire n’est possible que pour de très faibles valeurs de Vd.
AO Idéal ou Parfait
Le modèle électrique équivalent de l’amplificateur opérationnel :
Figure 4, Figure 5 : Modèle équivalent de l'AO
Un amplificateur opérationnel idéal est caractérisé par :
- Un gain différentiel G0 infini : Ce qui implique Vd = vE+ - vE- = 0, donc vE+ = vE-.
- Une impédance d’entrée RE infinie : Ce qui implique ie+ = ie- = 0.
- Une impédance de sortie RS nulle.
- Une tension de sortie vS nulle en l’absence de signal d’entrée.
La caractéristique de transfert idéalisée prend alors la forme suivante :
- Si Vd > 0, alors vS = +VSat.
- Si Vd < 0, alors vS = -VSat.
- Si Vd ≈ 0, alors vS est entre -VSat et +VSat.
Pour un fonctionnement en régime linéaire, il est nécessaire de maintenir Vd proche de zéro. Ceci est généralement réalisé en introduisant une contre-réaction entre la sortie et l’entrée inverseuse, ce qui assure la stabilité du montage. Cette contre-réaction établit le concept de "masse virtuelle" à l'entrée inverseuse dans de nombreux montages, simplifiant l'analyse.
Montages en Régime Linéaire
Dans ces montages, l'amplificateur fonctionne en régime linéaire, évitant la saturation. Il existe deux configurations principales selon l'entrée sur laquelle le signal est appliqué.
Montage Inverseur
Dans ce montage (Figure 6), l'amplificateur opérationnel est supposé parfait. Donc, i+ = i- = 0 et v+ = v- = 0 (l’entrée non inverseuse est liée à la masse). Le gain idéal en boucle fermée est : Gidéal = vS / vE = -R2 / R1.
Conclusions :
- Si vE est sinusoïdale, vS est également sinusoïdale, mais déphasée de -180° par rapport à vE.
- vS est amplifié si R2 > R1.
Montage Non Inverseur
Dans ce montage (Figure 7), la contre-réaction est appliquée sur l'entrée inverseuse, et le signal à amplifier est injecté sur l’entrée non inverseuse. Avec un gain en boucle ouverte G0 infini, le gain idéal est : Gidéal = vS / vE = 1 + R2 / R1.
Conclusions :
- Pas de déphasage entre vE et vS.
- vS est toujours amplifié (Gidéal > 1).
Un cas particulier est le montage suiveur (Figure 8), où vS = vE. Ceci est réalisé lorsque R1 est infinie et R2 est nulle. Ce montage est utile pour adapter l’impédance entre un générateur et une charge, ou pour éviter que l’impédance d’entrée d’un oscilloscope ne modifie la fréquence de coupure d’un filtre (Figure 9).
Soustracteur
Ce montage (Figure 11) permet d'obtenir une tension de sortie vS qui est la différence des tensions d'entrée e1 et e2. Si toutes les résistances R1, R2, R3, R0 sont égales, alors la relation simplifiée est : vS = e2 - e1.
Sommateur (ou Additionneur)
Dans le montage sommateur (Figure 12), l’AO réalise l’addition de plusieurs fonctions de tension. Pour deux entrées v1 et v2, la tension de sortie vS est donnée par : vS = -R0 ⋅ (v1/R1 + v2/R2). Si un nombre quelconque de tensions est appliqué à l’entrée inverseuse, on obtient vS = -R0 ⋅ Σ (vi / Ri). Le signe négatif peut être compensé en ajoutant un étage inverseur à la sortie.
Intégrateur
Dans le montage intégrateur (Figure 13), on a VA = 0 (masse virtuelle) et i- = 0. La relation entre la tension d'entrée vE et de sortie vS est : vS = -(1/RC) ∫ vE(t) dt. La tension de sortie est proportionnelle à l'intégrale de la tension d'entrée, avec un déphasage de -90° (signe négatif).
Remarque : L’intégrateur présente une amplification très élevée pour les basses fréquences, ce qui peut entraîner la saturation de l’amplificateur, surtout si le signal d'entrée contient une composante continue. Pour limiter le gain aux basses fréquences, une résistance est souvent insérée en parallèle avec le condensateur. Cette modification transforme l'intégrateur idéal en un filtre passe-bas actif, stabilisant son fonctionnement et évitant la saturation due aux composantes continues ou aux très basses fréquences.
Dérivateur
Le montage dérivateur (Figure 14) réalise la dérivation de la fonction d'entrée. La relation est : vS = -RC ⋅ (dvE / dt). Il y a également un changement de signe. Lorsque vE est sinusoïdale, vS est aussi sinusoïdale.
Remarque : Le dérivateur a un gain qui devient très élevé en haute fréquence, ce qui peut saturer l’AO, notamment à cause du bruit. La solution consiste à limiter le gain en haute fréquence en insérant une résistance en série avec le condensateur. Cela transforme le dérivateur idéal en un filtre passe-haut actif, réduisant sa sensibilité au bruit à haute fréquence et assurant un fonctionnement plus stable.
Manipulation du TP2
Montage Inverseur
Pour le montage inverseur (figure 6), un signal d'entrée sinusoïdal (vE(t) = 2 sin(2π 1000 t)) est appliqué. Avec R1 = 10 kΩ, différentes valeurs de R2 sont utilisées pour obtenir des gains de 0,1, 1 et 10. Les chronogrammes de vE(t) et vS(t) sont relevés pour chaque gain, afin d'observer la relation de phase et d'amplitude. Une question clé est de déterminer la condition sur vE(t) pour éviter la saturation de la sortie (vS(t) = ±VSat) lorsque le gain est de 10.
Montage Additionneur
Le montage additionneur (figure 12) est réalisé avec R1 = R2 = R0 = 10 kΩ. Des mesures sont effectuées pour analyser son fonctionnement.
Foire Aux Questions (FAQ)
- Qu'est-ce que la polarisation d'un transistor bipolaire ?
- La polarisation consiste à établir des courants et tensions de repos (statiques) spécifiques dans le transistor. Cela lui permet de fonctionner dans sa zone linéaire, essentielle pour l'amplification des signaux faibles sans distorsion.
- Quelle est la différence entre un amplificateur inverseur et non inverseur ?
- L'amplificateur inverseur (avec l'entrée non inverseuse à la masse) produit un signal de sortie déphasé de 180° par rapport à l'entrée. L'amplificateur non inverseur (signal d'entrée sur l'entrée non inverseuse) produit un signal de sortie en phase avec l'entrée et a un gain toujours supérieur à 1.
- Pourquoi est-il important de connaître la bande passante d'un amplificateur ?
- La bande passante définit la plage de fréquences sur laquelle l'amplificateur peut fonctionner efficacement. Connaître ses fréquences de coupure (haute et basse) permet de s'assurer que l'amplificateur traitera correctement les signaux pour lesquels il est conçu, sans atténuation significative.