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

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SE1 - Composants électroniques
Composants semi-conducteurs:
de la diode à l’ADI
Université du Havre, IUT du Havre
Département GEII
Octobre 2013.

• 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.
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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

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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

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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

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SE1 - Composants
Chapitre 1: La diode
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
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

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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.

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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)

• 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.
 
=  - 
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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

La diode réelle
• La fonction I(V) tend rapidement vers une valeur constante puisque
 
=  - 
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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

 
=  - 
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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 -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

• 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.
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• 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

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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 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

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.
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Données constructeur
Caractéristique d'une diode: Point de fonctionnement

E V
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• 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

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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

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La diode
Applications
• Le redressement une alternance.
• Redressement deux alternances.
• Détection crête.
• Montage écrêteur.

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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 alternance
R
D
I(t)
E(t) U(t)

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E(t)
t
t
D1 E 0 D2
D4 e(t) D3
U(t)
I
E 0
Redressement : Double alternance
U(t)

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).
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e(t)
t
v(t)
t
Détection de valeur crête
i(t)
e(t) C v(t)

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e(t)
t
v(t)
t
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.

En pratique, le condensateur (en fonction de sa
valeur) se décharge. La tension à ses bornes
décroît.
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e(t)
t
v(t)
t
i(t)
e(t) C v(t)

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Montage simple écrêteur
R1
• 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

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Montage double écrêteur
e(t) v(t)
e(t)
+V t 1
-V1
v(t)
Application: TD1, Ex.3, 4
R1
R2 D2 D1

• La diode de redressement
• La diode Schottky.
• La diode Zener.
• La photodiode.
• La diode électroluminescente (LED).
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La diode
Types de diodes

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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.

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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.

La diode: Types
Diode Schottky
• Pour des applications à fréquence élevée, on remplace une diode
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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.

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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

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La diode: Types
Diode Schottky
Avago HSMS-282x: Surface Mount RF Schottky Barrier Diodes

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 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.

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La diode: Types
Diode Zener

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La diode: Types
Diode Zener
Vz
Izt
Pente: 1/RD

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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.

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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.

La diode: Types
• Ces LED connaissent un développement important dans le domaine
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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).

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La diode: Types

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La diode: Types
• Applications:
• Affichages à LED
• Eclairages à LED
• Ecrans à LED
Projecteur extérieur:
45 LEDs basse tension
Afficheur LCD
7 segments

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La diode: Types
Symboles: Résumé
• Compléter les types de diodes:
A K
I
• ……………………………………
• ……………………………………
• ……………………………………
• ……………………………………

/160
SE1 - Composants
Chapitre 2: Le transistor BJT
Département GEII
Octobre 2013.

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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, 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.

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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

E
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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

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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.

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• 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

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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

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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.

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.
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• 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)...

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.
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Caractéristiques
Le transistor BJT

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.
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Caractéristiques
Le transistor BJT

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.
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• L'autre partie du graphe montre
que le courant de collecteur IC
dépend très peu de la tension VCE.

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Caractéristiques
Le transistor BJT

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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

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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

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).
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• 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.

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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.

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

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

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.

/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.

/160
Le transistor BJT
• 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

/160
Le transistor BJT
• 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.

/160
Le transistor BJT
• 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.

• 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

/160
Le transistor BJT
• 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.

/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:

Le transistor BJT
• 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.

/160
Le transistor BJT
• 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.

/160
Le transistor BJT
• 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

/160
Le transistor BJT
Ic (mA)
Ib (μA)
Ic = b.Ib
Ib,sat
Ic,sat
Ib0
Ic0
Ib (μA)
ib
ic
Point de
polarisation
t
t
Blocage

/160
Le transistor BJT
Ic (mA)
Ib (μA)
Ic = b.Ib
Saturation
t
t
Ib,sat
Ic,sat
Ib0
Ib (μA)
ib
ic
Point de
polarisation
Ic0

/160
Le transistor BJT
• 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).

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.

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.

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.

/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.

/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.

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

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

• …………………………………… • ……………………………………
Page 85/160
Symboles: Résumé
Le transistor BJT
• Compléter les types et bornes de transistors:
• ……………………………………
…
B
… = …×…
E
………………. ……………….
B
C
E C
…

/160
SE1 - Composants
Chapitre 3: Le transistor FET
Département GEII
Octobre 2013.

/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

/160
Le transistor FET
Introduction

/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.

/160
Le transistor FET
• 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

/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

/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

/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
P
G
D D
N
D
G G
D

• 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.

/160
Le transistor FET
Introduction
• Un JFET est constitué de 3 électrodes :
http://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_5.html

/160
Le transistor FET
Introduction
• Un MOSFET est constitué de 3 électrodes :
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

/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
VGS
Commande
d’une LED,
d’un moteur

/160
Le transistor FET
• 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

/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

/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

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

/160
Le transistor FET
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)

/160
Le transistor FET
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

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

• …………………………………… • ……………………………………
• …………………………………… • ……………………………………
Page 106/160
Le transistor FET
http://www.talkingelectronics.com/projects/MOSFET/MOSFET.html

/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

- 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

/160
Les transistors
Commutation
• Points importants: Temps de commutation, Résistance série rapportée,
Type de commande, Tensions et courants mis en jeux.

/160
SE1 - Composants
Chapitre 4: L'ADI
Département GEII
Octobre 2013.

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

.( ) 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

/160
L'ADI
• La structure interne de l'ADI est la suivante:
Chapitre 4 - L'ADI

/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 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

/160
L'ADI
• 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

/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

/160
L'ADI
• 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

/160
L'ADI
• 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

/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

/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

/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

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

V
Page 125/160
+/-
13
+/-
12
Min Typ Max Unit
Test
Conditions
Parameter
L'ADI
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

V
Page 126/160
+/-
13
+/-
12
Min Typ Max Unit
Test
Conditions
Parameter
L'ADI
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

V
Page 127/160
+/-
13
+/-
12
Min Typ Max Unit
Test
Conditions
Parameter
L'ADI
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

V
Page 128/160
+/-
13
+/-
12
Min Typ Max Unit
Test
Conditions
Parameter
L'ADI
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

L'ADI
Document constructeur: LM324
• Prenons maintenant pour exemple un autre modèle d'ADI, lui aussi
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très courant, le LM324.
• Quadruple ADI en boîtier DIL 14:
Brochage du LM324 Montage avec un LM324
Chapitre 4 - L'ADI

/160
L'ADI
• 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

/160
L'ADI
• 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

L'ADI
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.
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• 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).
Chapitre 4 - L'ADI

• 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.
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.
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L'ADI
Chapitre 4 - L'ADI

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

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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

/160
L'ADI
• 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

E
Z
Σ Σ
Σ Σ
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L'ADI
• 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

L'ADI
Récapitulatif
• Un ADI amplifie la différence des tensions appliquées sur ses deux
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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

/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

/160
L'ADI
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

/160
L'ADI
Montage comparateur simple seuil
ve
vs
+Vcc
-Vcc
Saturation Linéaire Saturation
-
+
e+ vs
e-
Chapitre 4 - L'ADI

/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

/160
L'ADI
non
Bouclage de Vs sur e+
non
Comparateur
à 1 seuil
oui
Convertisseurs
Oscillateurs
oui
Comparateur
à 2 seuils
oui
non
Fonctionnement
linéaire
Chapitre 4 - L'ADI

/160
L'ADI
v R
v R
2
1
s
e+ = e- = 0 ⇒ = -
e
-
+
R2
R1
ve vs
Chapitre 4 - L'ADI

/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

/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

/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

/160
L'ADI
Montage dérivateur
-
+
R
ve vs
T = - jw RC
C
Chapitre 4 - L'ADI

/160
L'ADI
Montage intégrateur
1
T
jw RC
= -
-
+
C
R
ve vs
Chapitre 4 - L'ADI

/160
L'ADI
non
non
Comparateur
à 1 seuil
oui
Comparateur
à 2 seuils
oui
non
Fonctionnement
linéaire
oui
Convertisseurs
Oscillateurs
Chapitre 4 - L'ADI

/160
L'ADI
Applications: Générateurs de signaux non-sinusoïdaux
Squarewave Oscillator Pulse Generator
Chapitre 4 - L'ADI

/160
L'ADI
Applications: Montages typiques
DC Summing Amplifier Non-Inverting DC Gain
Power Amplifier LED Driver
Chapitre 4 - L'ADI

/160
L'ADI
Applications: Amplificateur d'instrumentation
High Input Z Adjustable-Gain DC Instrumentation Amplifier
Chapitre 4 - L'ADI

/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 typiques
Chapitre 4 - L'ADI

• …………………… • …………………… • ……………………
• …………………… • …………………… • ……………………
Page 158/160
L'ADI
Applications: Montages non-linéaires typiques
Chapitre 4 - L'ADI

/160
Composants
Notes:
• ………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
• ………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
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………………………………………………………………………………
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………………………………………………………………………………
• ………………………………………………………………………………
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• ………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
• ………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
• ………………………………………………………………………………
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• ………………………………………………………………………………
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Notes:
Composants
• ………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
• ………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
• ………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
• ………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
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