Circuit d'amplification (1)

Si vous êtes capable de lire ce texte, c'est que vous avez une bonne vue. Sinon, vous avez besoin d'une loupe dont la lentille grossira les lettres.

Les loupes, les appareils auditifs et même les porte-voix servent tous à amplifier les éléments de la vue, de l'ouïe et du son.

En électronique, il arrive fréquemment que l'on doive amplifier un signal avant de pouvoir s'en servir.

Par exemple, un microphone capte le son et le transforme en onde électrique. Cette dernière n'est cependant pas utilisable puisque son amplitude est de quelques millivolts.

Il est toutefois possible de faire passer cette onde par un amplificateur qui multipliera l'amplitude du signal sans en modifier la forme.

Cette étude vous permettra donc de voir les principaux circuits d'amplification à transistors bipolaires et d'aborder les montages amplificateurs à base d'amplificateurs intégrés linéaires (AIL).

Les amplificateurs à transistors sont représentés essentiellement par les montages :

• à émetteur commun,
• à base commune,
• à collecteur commun.

Les amplificateurs à AIL sont représentés en partie par les montages :

• inverseurs,
• non inverseurs,
• suiveurs.

La polarisation des transistors consiste à relier les sources d'alimentation nécessaires pour établir la distribution des courants à l'intérieur d'un transistor.

• Elle détermine du même coup les tensions qui seront présentes à chacune des pattes.
• Si la polarisation du transistor est incorrecte, le signal à amplifier peut être coupé ou déformé.

Selon le circuit b) de la figure suivante, des résistances ont été insérées aux bornes de la base et du collecteur.

• Les résistances servent à limiter les courants du transistor et portent la notation, en indice, de la borne à laquelle elles se rattachent.
• Les sources d'alimentation qui génèrent les courants s'identifient à l'aide d'un double indice.

Par exemple, V_EE alimente le circuit de l'émetteur. De plus, chacun de ces courants émerge du côté positif d'une source d'alimentation et parcourt le circuit en se dirigeant vers le côté négatif de la source d'où il provient.

Polarisation d'un transistor NPN :

Les deux principales règles régissant les transistors :

1. La direction du courant électrique dans un transistor suit toujours la direction de la flèche indiquée à la borne de l'émetteur (figure a) ci-dessus) ;

2. I_E = I_B + I_C.  Avec : I_B =  0 ; donc : I_E = I_C.

Ces règles nous permettent de déterminer les caractéristiques des circuits.

D'autre part, pour faciliter la compréhension des transistors, le circuit d'entrée se dessine à la gauche du transistor.

Pour que le transistor puisse fonctionner normalement, la jonction d'entrée (PN pour le transistor NPN, NP pour le transistor PNP) doit toujours être soumise à une polarisation directe par le courant d'entrée.

A l'inverse, le circuit de sortie se dessine du côté droit du transistor et la jonction de sortie doit toujours être soumise à une polarisation inverse par le courant de sortie.

Dans tous les montages à transistors, les circuits de sortie dépendent directement du circuit d'entrée.

Un circuit posséde normalement deux bornes d'entrée et deux bornes de sortie.

Comme le transistor n'a que trois bornes (E, B, C), il faut que l'une d'elles appartienne à la fois à l'entrée et à la sortie.

Cette borne commune définira la configuration dans laquelle le transistor sera utilisé :

- circuit émetteur commun (E.C.) ;

- circuit base commune (B.C.) ;

- circuit collecteur commun (C.C.).

A cause de la dissymétrie de construction des transistors bipolaires :

• la base devra toujours appartenir au circuit d'entrée ;
• le collecteur devra toujours appartenir au circuit de sortie.

Une polarisation adéquate et une disposition convenable des bornes, permettent de construire des circuits d'amplification.

L'analyse du comportement du transistor permet d'établir les paramètres suivants :

• gain en tension (A_v) ;
• gain en courant (A_i) ;
• gain en puissance (A_p) ;
• impédance d'entrée (Z_e) ;
• impédance de sortie (Z_s) ;
• déphasage entre signaux d'entrée et de sortie.

La plupart des circuits à transistors bipolaires utilisent la configuration émetteur commun.

Lémetteur est commun:

• au circuit de base et de collecteur,
• et au circuit d'entrée et au circuit de sortie.

Configuration à émetteur commun :

La figure suivante présente un circuit de polarisation d'un montage E.C. utilisant deux sources d'alimentation.

Une analyse simple de la configuration E.C consiste à faire ressortir les points suivants :

1. La chute de tension V_BE est celle d'une diode (jonction PN) et se situe aux environs de 0,7 V pour un transistor au silicium et à 0,3 V pour un transistor au germanium ;

2. Tant que la tension V_BE se situe aux environs de 0,7 V (ou 0,3 V), un courant I_B est présent et provoque un courant de sortie I_C.

L'ordre de grandeur du courant I_B d'entrée (micro-ampères) par rapport à celui de sortie I_C (milliampères) confirme que le courant I_B est négligeable devant I_C.

L'impédance d'entrée (Z_e) d'un tel circuit se considère comme moyennement faible, passant de quelques centaines à plusieurs milliers d'ohms.

L'impédance de sortie (Z_s) de ce circuit se considère comme moyennement élevée se situant autour de quelques dizaines de milliers d'ohms.

De plus, un amplificateur E.C. peut fournir un gain de tension (A_v) et un gain de courant (A_i) très élevés, et du même coup donné un gain en puissance (A_p) supérieur à tout autre montage.

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Exemple d'amplification d'un signal alternatif :

La figure suivante montre un exemple d'amplification d'un signal alternatif.

Cet amplificateur à émetteur commun n'utilise qu'une seule source d'alimentation.

L'ajout de condensateurs à l'entrée et à la sortie, appelés condensateurs de liaison C_i et C_S permettant d'isoler la composante continue causée par la polarisation en laissant libre passage au signal alternatif (figure ci-après).

Le condensateur C_e est appelé condensateur de découplage.

L'intérêt est qu'il possède une impédance très faible vis-à-vis des fréquences du signal alternatif à amplifier.

Donc pour le signal alternatif tout ce passe comme ci l'émetteur du transistor était relié directement au 0 v (émetteur commun).

On peut dire que C_e court-circuite la résistance Re pour les signaux alternatifs uniquement ;

• C_e bloque les courants continus, donc n'intervient pas sur la polarisation du transistor.
• la résistance de charge R_c simule la sortie de l'amplificateur et remplace, en réalité, la charge d'un haut-parleur, d'un tube écran, d'un autre étage d'amplification, ou de tout autre montage.

Amplificateur à émetteur commun :

Blocage de la composante continue :

Notez l'inversion du signal de sortie par rapport à l'entrée.

Cette inversion de phase correspond à un déphasage de 180° de la sortie par rapport à l'entrée

La disproportion des signaux de tension de la figure suivante correspond à l'amplification du transistor et se calcule par le rapport existant entre la sortie et l'entrée, soit :

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Tensions d'entrée et de sortie :