Electronique analogique - freddy.mudry.org

1 Prof. freddy MudryAu t o m a t i s a t i o nin s t i t u t d 'in d u s t r i e l l eDes composantsvers les syst mesElectroniqueUnit EANanalogiqueHaute Ecole d'Ing nierie et de Gestiondu Canton de VaudD partement Technologies IndustriellesTable des mati :lesbasesdel' airesetampli eldes l n or mesdeTh 'imp or medesup erp cateurslin n ralit cateursunilat cateursbilat d lesunilat rauxp ourlesampli cateurs cateurs transr cateursdi d lisationdesquadrip leslin n ralit tresimp p onsesindiciellesetfr quentiellesdescircuitsd' p p onsesfr p p onsesfr dio ' ristiqued'unedio d leslin airesd'unedio ' ristiqued'unedio dio oth transistorsbip quationsetcaract ristiquesd' d lelin n ' ' d le grandssignaux.

2 D le p etitssignaux .. tres p etitssignaux .. cateur tresdel'ampli cateurdi cateur etd'unesourcedecourantr ristiquecompl tedel'ampli cateurdi ,r sistancesd'entr 'unampli cateur plusieurs tresdi d lesd'ampli cationdechaque airesdesampli cateursop 'ampli cateurop d led'unampli cateurop actionn gativeoup quationsasso ci es l'AOid cateurg n cateurdi rentiel:casid cateurdi rentiel:casr p endantsdelafr ' erfectionsdesampli cateursop .. 'ampli cateurop p onsesdel'ampli (slew-rate).. :descomp osantsauxsyst alisationde ' ' ' gain gainn etdesimp erfectionsdel' 'un ltreid ltrechoisir ?.. partird'un .. n hyst r seuilssym glagedetemp rature l'aided' cyclesym cyclenonsym n fr quencevariable(VCO).

3 Tudedelacontre-r quationsdelacontre-r actionetampli t sdelacontre-r oucleferm di cationdesimp dancesd'entr cateursetcontre-r chescompl esdecontre-r action(CR).. t l ledel'amplitudeetstabilit delafr d quenced' ' madel' quencedel' ' quencedel'oscillationetmaintiendel' rationssurlecontr ledel' ' I masethistoire291c re partie .EAN 1 :les bases de l' lin aires et ampli eldes l n airesetampli or mesdeTh veninetdeNortonUg,kRkIg,kIccUcoRthvUthvR nrtInrtDeux mesures Uco et Iccsuffisent pourcaract riser lecircuit car:Uthv = UcoRthv = Uco / IccInrt = IccRnrt = Uco / 'imp danceOnditquelesimp dancesentreung n rateuretsachargesontadapt eslorsquelemaxi-mumdepuissanceestfournie rantleg n rateurdetensionetsacharged critsplushaut,onp eut crirelesdeux quationssuivantes:UL=UgRLRg+RL, IL=UgRg+RL( )Onend duitquelapuissancere ueparlachargevautPL=UL IL= (Ug)2RL(Rg+RL)2( )Cettepuissancetendversz rolorsqueRL 0ouRL.

4 Entredeux,ellepasseparunmaximumlorsqueRL =Rg( )Lapuissancemaximumquep eutrecevoirunechargevautdoncPL,max=(Ug)2 4Rg=Uco Icc4=Uthv Inrt4( )4c eldes l or medesup erp ositionUg,kRkIg,kU = k Ug,k + k Ig,k[ k] = [V/V], [ k] = [V/A] airesetampli cateurslin n ralit sUnampli cateurestunensemble lectroniqueactifconstitu decomp osantsp ouvantam-pli erdescourantsoutensions, 'ampli -cateurpuissefonctionner,ilestn cessairedel'alimenteravecunetensionconti nue ;mais,danslessch masdeprincip eoud'analyse,l'alimentationn'estjamaisme ntionn essontlesdeuxb ornesd'entr eauxquellesonrelielasourceetlesdeuxb cateurssontutili-s spratiquementpartout ;ilsservent ampli er, ltrer,d tecter,transformerdessignaux, :Sch mag n rald'uncircuitd'ampli cationLesgainsint ressantsdup ointdevuedel'utilisateursont,p ourunechargeRLdonn e,lesgainsentension,encourantetenpuissan ced niscommesuitp ourunampli cateurparfait(sanstensionnicourantded calage)Au UoutUin, Ai IoutIin, Ap PoutPin( )Commelapuissanceest galeaupro duittension-courant,lestroisgainssontbie n videm-mentreli sentreeuxparlarelationsuivanteAp PoutPin=UoutIoutUinIin=AuAi( )Ilestimp ortantdereleverquelesgainssontsouventexp rim sendBetqu'ilsvalentalorsAu,dB 20 log (|Au|)Ai,dB 20 log (|Ai|)( )Ap,dB 10 log (Ap) = 10 log (AuAi) =12(Au,dB+Ai,dB)( )

5 A ndefaciliterl'analysedessyst mes lectroniquesdanslesquelsonutiliselesampl i -cateurs,onlesrepr sentepardesmo d leslin airesadapt 'onveutsimplementampli erunetensionouuncourant,onutiliseraunamp li 'onsouhaitetransformerunetensionenuncour ant,ontravailleraavecunampli cateur transconductance ;danslecasinverse,onprendraunampli cateur transr ,gr ceauth or medeNorton,cesquatrerepr -sentationssonttotalement cateurslin cateursunilat rauxLesmo d lesquel'onutiliseraparlasuitep ourrepr senterlesampli cateurssontditsunilat equelatensionetlecourantdesortien'ontauc une etsurlessignauxd'entr aufaitquecesmo d lessonttr ssimples calculeretquelesampli cateursr elssontpratiquementunilat ,lesparam trescaract risantlesampli cateurssontaunombredetrois:legain videetlesr sistancesd'entr ,commelesampli cateursr elsp oss dentin vitablementdestensionsetcourantsded calagequientra nentunegrandeurdesortienonnullep ouruneentr enulle,larelationentr e-sortied'unampli cateurdetension,parexemple,s' criraUout=Uos+AuUin( )o Uosrepr sentelatensionded tresdel'ampli cateurdoivent trecalcul senconsid rantlesvariationsplut ,p ourlesampli cateursdetensionoudecourant,onauraAuo Uout Uin Iout=0, Aio Iout Iin Uout=0( )Rin Uin Iin, Rout Uout Iout Uin=0( )RoutAuo :Mo d led'unampli cateur(unilat ral) cateursbilat rauxLesampli cateursbilat rauxsontdesampli cateursdontlatensionetlecourantd'entr ed p endentdecequel'onfaitensortie.

6 Causedecesinteractions,cescircuitssontpl uscompliqu s calculerquelesampli cateursunilat uencel'entr e,ondoitd nirunparam tresup-pl mentaire, tresd p endentdesr sistancesRgetRL,ilestimp ortantdepr tresd'unampli cateurdetensionbilat ralsontalorsd niscommesuitAu Uout Uin RL= , Aur Uin Uout Ug=0,Rg= ( )Rin Uin Iin RL= , Rout Uout Iout Ug=0,Rg= ( )c airesetampli sententlessch masdedeuxampli cateursdecourant:lepremierestunilat ralalorsqueledeuxi meestbilat ,lecouplageentrelasortieetl'entr eestd lar tresdel'ampli cateurdetensionunilat ral( )d coulentimm diate-mentdeleurd nitionetdel'observationdusch ma ;onaene etRin=UinIin=R1( )Rout=Uout Iout Uin=0=R2( )Auo UoutUin Iout=0= IinR2 IinR1= R2R1( )R1R2 RgRLUgUinUoutIinIout :Sch mad'unampli cateurunilat ralPourobtenirlescaract ristiquesdel'ampli cateurdetensionbilat ral( ),ilfautcommencerpar crireles quationsducircuitUin=Ug RgIg( )Uin=R1 Iin+R3(Iin Iout)( )Uout= R2( Iin+Iout) +R3(Iin Iout)( )Uout=RLIout( )Enr solvantcesquatre quations,onobtientlesexpressionsdesquatr eparam tresdel'ampli cateurbilat ralquivalentRin=UinIin=R1+R3RL+R2+ R2R2+R3+RL( )Rout=Uout Iout=R2+R3(1 + R2 R3Rg+R1+R3)( )Au=UoutUin= RLR2+R3(1 + ) +RLavec = R2 R3R1+R3( )8c d lesunilat rauxp ourlesampli cateursR1R2R3 RgRLUgUinUoutIinIout.

7 Sch mad'unampli cateurbilat ralAur=UinUout Ug=0=RgR3( R2 R3)R3+ (R2+R3) (Rg+R1+R2)( )Commeonp eutleconstater,led fautma jeurdescircuitsbilat rauxestd aufaitquelesparam tresdel'ampli cateurnesontpasind p endantsdesr sistancesRgetRLext rieures celui-cietqueleurcalculestcompliqu .C'estp ourquoi,danslamesuredup ossible,onr alisedesampli cateursunilat d lesunilat rauxp ourlesampli cateursPourcequisuit,onneconsid reraquedesampli cateursunilat rauxsupp os d lessontalorstr ssimplespuisqu'ilsser sumentauxtroisparam tresquesontlegain videetlesr sistancesd'entr ointdevueadopt ,onp eutrepr senterunm meampli cateur l'aidedequatremo d lesdi rentsreli sentreeuxparlestransformationsdeTh venin-Norton: lesampli cateurstension-tensioncaract ris slegainAuo, lesampli cateurscourant-courantcaract ris slegainAio, lesampli cateurstension-courantcaract ris slatransconductanceGmo, lesampli cateurscourant-tensioncaract ris slatransr airesetampli cateursdetensionAuo=gainentension sortieouverte UoutUin Iout=0 RoutAuo UinUoutIoutRLUgRinRgUinIinAu UoutUin=1 Uin(AuoUinRLRL+Rout)=AuoRLRL+RoutAi IoutIin=Uout/RLUin/Rin=AuRinRLUL=UinAu=U gRinRin+RgRLRL+ cateursdecourantAio=gainencourant sortieferm e IoutIin Uout=0 Aio IinUoutIoutRLIgRinRgUinIinRoutAi IoutIin=1 Iin(AioIinRoutRL+Rout)=AioRoutRL+RoutAu UoutUin=IoutRLIinRin=(AiIin)

8 RLIinRin=AioRoutRinRLRL+RoutIL=IinAi=IgR gRin+RgRoutRL+RoutAio10c d lesunilat rauxp ourlesampli cateurs transconductanceGmo=transconductance sortieferm e IoutUin Uout=0 Gmo UinUoutIoutRLUgRinRgUinIinRoutGm IoutUin=1 Uin(GmoUinRoutRL+Rout)=GmoRoutRL+RoutAu UoutUin=IoutRLUin=(GmUin)RLUin=GmoRoutRL RL+RoutIL=UinGm=UgRinRin+RgRoutRL+ cateurs transr sistanceRmo=transr sistance sortieouverte UoutIin Iout=0 RoutRmo IinUoutIoutRLRinRgUinIinIgRm UoutIin=1 Iin(RmoIinRLRL+Rout)=RmoRLRL+RoutAu UoutUin=1 Uin(RmIin) =RmUin/RinUin=RmoRinRLRL+RoutUL=IinRm=Ig RgRin+RgRLRL+RoutRmoc airesetampli sentationsNousvenonsdevoirquatrerepr sentationp ossiblesp ourunem mer alit .Ilestclairquelesr sistancesd'entr eetdesortiedemeurentlesm mes ; ceauth or medeNorton,onpassefacilementd'unerepr sentation l' sultatspr sent transconductanceGmoRoutGmoRinAmpli.

9 Transr : quivalencesentrelesquatretyp esd'ampli cateursencascadeCommepratiquement,iln'es tpasp ossibled'avoirsimultan mentlesr sistancesd'entr e,desortieetlegainsouhait s,ilestfr quentdedevoircascaderplusieursampli cateursetdechoisirleurscaract ristiquesenfonctiondelasource,delacharge etdesb esoinsenampli ,sil'ondoitampli erunetensionavantdel'appliquer unechargedefaiblevaleur,l'ampli cateurestg n ralementconstitu detrois tagesp ermet-tantd'avoiruneimp danced'entr e lev e,ungain lev etunefaibler sistancedesortie( ).1 [V/V]10 100 100 [V/V]1 k 10 k 10 [V/V]1 k 100 k 10 [mV]10 k 100 k SourceAmpli. d entr eAmpli. interm diaireAmpli. de :Ampli cateursencascadeOnvoitdanscetexemplequel 'onaa aire unesuccessiondegainsetdediviseursdetensi on ;ainsilegainr sultantsera-t-iltoujoursinf rieuraupro duitdesgains videdechaqueampli gledudiviseurdetension,onobtientp ourchaque tagelesgainssuivantsAu1= 10100101= , Au2= 1001011= , Au3= 1100110= cateursdi rentielsCequidonneungaintotalvalantAu=Au 1Au2Au3= 818 [V/V]Acettediminutiondugainvients'a jouterl'e etdudiviseurd'entr e ;cequifaitquelatensionfournie lachargevautUL=UgRinRin+RgAu= 10mV100k 110k 818' [V]OnvoitainsiquelegainglobalAu,gLvautAu ,gL ULUg= [V]10 [mV]= 740 [V/V]alorsquelepro duitdesgains videdonne1000[V/V].

10 Cateursdi rentielsLesampli cateursdi rentielssontutilis schaquefoisquel'ondoitampli erunsignalp erturb pardubruitouunecomp ,consid ronsl'ampli cationd'unmessagem(t)re uparunmicrophonedontlec blecapteunbruit lectromagn tiqueb(t)( ).Danslecasd'unesimpleampli cationunip olaire,lesignalampli vaudrau2(t) =Au(u1(t) +b(t)) =Auu1(t) +Aub(t)( )Commelebruitb(t)estampli delam memani requelemessagerepr sent parlatensionu1(t),onn'aurariengagn enqualit .Parcontre,enutilisantunmicrophone(donts eulleb o tierestmis lamasse),unc blebi lairetorsad (p ourdiminuerlecaptagedubruit)etunampli cateurdi rentiel,lebruitseracompl tement limin sil'ampli et,commedanscecasc'estladi rencedetensionentrelesdeuxentr esquiestampli e,onau2(t) =Adm(U+ U )( )u2(t) =Adm((u11(t) +b(t)) (u12(t) +b(t)))( )=Adm(u11(t) u12(t))( )Onvoitainsiquel'e etdubruit lectromagn tiqueacompl tementdisparuetqueseullemessagecontenuda nsladi rencedetensionestampli.