MESURES SUR LES AMPLIFICATIONS A TRANSISTORS

# MESURES SUR LES AMPLIFICATIONS A TRANSISTORS ## 15- Mesures sur les circuits à transistors bipolaires en amplification (partie 1) ### Introduction Bienvenue à cette leçon sur les mesures effectuées sur les circuits amplificateurs à transistors bipolaires. Les transistors sont des composants fondamentaux en électronique, utilisés pour amplifier des signaux, commuter des courants ou réguler des tensions. Pour comprendre et dépanner un circuit amplificateur, il est essentiel de savoir comment prendre des mesures précises et interpréter les résultats. Dans cette première partie, nous allons nous concentrer sur les concepts de base du transistor bipolaire et les mesures en régime continu (DC) nécessaires à l'établissement de son point de fonctionnement. ### Concepts Clés #### 1. Rappel sur le Transistor Bipolaire (BJT) Un transistor bipolaire est un composant semi-conducteur à trois bornes capable d'amplifier ou de commuter des signaux électroniques. Il existe deux types principaux : * **Transistor NPN :** Un courant circulant dans la base permet de contrôler un courant beaucoup plus important entre le collecteur et l'émetteur. La borne de la base est connectée à une région de type P, et les bornes de l'émetteur et du collecteur sont connectées à des régions de type N. * **Transistor PNP :** Fonctionne de manière similaire, mais avec des polarités inversées pour les tensions et les courants. La borne de la base est connectée à une région de type N, et les bornes de l'émetteur et du collecteur sont connectées à des régions de type P. Les trois bornes sont : * **Émetteur (E) :** D'où les porteurs de charge (électrons ou trous) sont émis. * **Base (B) :** Petite borne qui contrôle le courant entre le collecteur et l'émetteur. * **Collecteur (C) :** Collecte les porteurs de charge émis par l'émetteur. #### 2. Fonctionnement et Zones du Transistor Bipolaire Le transistor bipolaire peut opérer dans différentes zones : * **Zone de Blocage (Cut-off) :** Le transistor est éteint, aucun courant ne circule entre le collecteur et l'émetteur. Il agit comme un interrupteur ouvert. * **Zone Linéaire (Active) :** Le transistor fonctionne comme un amplificateur. Le courant du collecteur est proportionnel au courant de base : \[ I_C = eta I_B \], où \( \beta \) (gain en courant) est un paramètre du transistor. * **Zone de Saturation :** Le transistor est entièrement allumé, agissant comme un interrupteur fermé. Le courant du collecteur est maximal et n'augmente plus proportionnellement avec le courant de base. Pour l'amplification, nous nous intéressons principalement à la **zone linéaire**. #### 3. La Polarisation d'un Transistor Pour qu'un transistor fonctionne correctement en mode amplificateur (c'est-à-dire dans sa zone linéaire), il doit être correctement **polarisé**. La polarisation consiste à établir des tensions et des courants continus (DC) aux bornes du transistor afin de définir un **point de fonctionnement (Point Q)** stable au milieu de la zone linéaire. * **Importance :** Une bonne polarisation assure que le transistor peut amplifier le signal d'entrée sans distorsion, que le signal soit positif ou négatif. Sans polarisation adéquate, le signal de sortie pourrait être écrêté. * **Circuits de Polarisation :** Il existe plusieurs méthodes pour polariser un transistor, comme la polarisation par pont diviseur de tension, la polarisation par contre-réaction d'émetteur, etc. #### 4. Mesures en Régime Continu (DC) Les mesures en régime continu sont cruciales pour vérifier la polarisation d'un transistor et s'assurer qu'il est bien placé dans sa zone linéaire. * **Outils :** Principalement le **multimètre** (voltmètre et ampèremètre). * **Mesures de Tensions :** * \( V_{BE} \) : Tension entre la base et l'émetteur (environ \( 0.7 \text{ V} \) pour un silicium NPN). * \( V_{CE} \) : Tension entre le collecteur et l'émetteur (doit être entre \( V_{CE(sat)} \) et \( V_{CC} \) pour la zone linéaire). * \( V_B \) : Tension de la base par rapport à la masse. * \( V_C \) : Tension du collecteur par rapport à la masse. * \( V_E \) : Tension de l'émetteur par rapport à la masse. Pour mesurer une tension, le multimètre est branché en **parallèle** sur les points désirés du circuit. * **Mesures de Courants :** * \( I_B \) : Courant de base. * \( I_C \) : Courant de collecteur. * \( I_E \) : Courant d'émetteur. La relation fondamentale est \( I_E = I_B + I_C \). Pour mesurer un courant, le multimètre (en mode ampèremètre) doit être branché en **série** avec le composant dont on veut mesurer le courant. Cela nécessite d'ouvrir le circuit. ### Vocabulaire * **Transistor Bipolaire (BJT) :** Composant semi-conducteur à trois bornes (base, collecteur, émetteur) capable d'amplifier ou de commuter. * **Émetteur (E), Base (B), Collecteur (C) :** Les trois bornes du transistor. * **Polarisation :** Établissement des tensions et courants DC pour définir le point de fonctionnement du transistor. * **Point de fonctionnement (Point Q) :** Ensemble des valeurs \( I_C \), \( V_{CE} \), \( I_B \) en régime continu qui détermine le comportement du transistor. * **Régime Continu (DC) :** Comportement d'un circuit avec des tensions et des courants constants dans le temps (sans signal alternatif). * **Régime Alternatif (AC) :** Comportement d'un circuit avec des tensions et des courants qui varient dans le temps (signal). * **Multimètre :** Appareil de mesure électronique capable de mesurer tensions, courants et résistances. * **Gain en Courant (\( \beta \) ou \( h_{FE} \)) :** Rapport entre le courant de collecteur et le courant de base (\( I_C / I_B \)) en régime continu. ### Exemples #### Exemple 1 : Calcul du Point de Fonctionnement (Point Q) Considérons un transistor NPN avec \( \beta = 100 \) polarisé par un courant de base \( I_B = 20 \mu A \). La tension d'alimentation est \( V_{CC} = 12 \text{ V} \) et une résistance de collecteur \( R_C = 1 \text{ k}\\Omega \) est utilisée. Supposons \( V_{BE} = 0.7 \text{ V} \). 1. **Calcul de \( I_C \) :** \[ I_C = \beta \times I_B = 100 \times 20 \times 10^{-6} \text{ A} = 2 \text{ mA} \] 2. **Calcul de la chute de tension aux bornes de \( R_C \) :** \[ V_{RC} = I_C \times R_C = 2 \text{ mA} \times 1 \text{ k}\\Omega = 2 \text{ V} \] 3. **Calcul de \( V_{CE} \) :** \[ V_{CE} = V_{CC} - V_{RC} = 12 \text{ V} - 2 \text{ V} = 10 \text{ V} \] Le point de fonctionnement (Q) est donc \( I_C = 2 \text{ mA} \) et \( V_{CE} = 10 \text{ V} \). #### Exemple 2 : Mesure de \( V_{CE} \) et \( I_C \) avec un Multimètre Pour mesurer \( V_{CE} \) : 1. Connectez la borne positive du voltmètre au collecteur du transistor. 2. Connectez la borne négative du voltmètre à l'émetteur du transistor. 3. Sélectionnez la gamme de tension DC appropriée. Pour mesurer \( I_C \) : 1. **Coupez l'alimentation du circuit.** 2. Ouvrez le circuit au niveau du collecteur (par exemple, déconnectez \( R_C \) du collecteur). 3. Connectez l'ampèremètre en série : une borne à la source \( V_{CC} \) (ou à \( R_C \)) et l'autre borne au collecteur du transistor. 4. Sélectionnez la gamme de courant DC appropriée. 5. **Rétablissez l'alimentation du circuit.** Lisez la valeur. 6. **Coupez l'alimentation et rebranchez le circuit normalement après la mesure.** ### Exercices 1. Nommez les trois bornes d'un transistor bipolaire et décrivez brièvement leur fonction. 2. Un transistor NPN est polarisé de telle sorte que \( I_B = 50 \mu A \). Si son \( \beta \) est de 80, quel est le courant \( I_C \) qui circule dans le collecteur ? 3. Vous souhaitez mesurer la tension entre le collecteur et la masse d'un transistor. Quel instrument de mesure utilisez-vous et comment le branchez-vous ? 4. Expliquez pourquoi une bonne polarisation est cruciale pour qu'un transistor fonctionne comme un amplificateur sans distorsion. ### Devoirs 1. Considérons un circuit de polarisation par pont diviseur de tension où \( V_{CC} = 15 \text{ V} \), \( R_1 = 30 \text{ k}\\Omega \), \( R_2 = 10 \text{ k}\\Omega \), \( R_C = 2.2 \text{ k}\\Omega \), \( R_E = 470 \text{ }\\Omega \) et \( \beta = 120 \). Calculez les valeurs de \( V_B \), \( V_E \), \( I_E \), \( I_C \) et \( V_{CE} \) pour ce circuit. (Indication : commencez par calculer \( V_B \) à l'aide du pont diviseur). 2. Recherchez et expliquez les conséquences d'une polarisation incorrecte (par exemple, un point Q trop proche de la saturation ou du blocage) sur le signal de sortie d'un amplificateur à transistor. 3. À l'aide d'un simulateur de circuits (comme Tinkercad Circuits, LTSpice, ou Falstad Circuit Simulator), montez un circuit amplificateur à transistor bipolaire simple et mesurez les tensions \( V_B \), \( V_C \), \( V_E \) et \( V_{CE} \) en régime continu. Comparez vos mesures avec les calculs théoriques. ### Résumé Dans cette première partie, nous avons revu les bases des transistors bipolaires et l'importance de leur polarisation. Nous avons appris que les mesures en régime continu (DC) sont fondamentales pour établir et vérifier le point de fonctionnement d'un transistor. Le multimètre est l'outil principal pour ces mesures de tensions et de courants. Une compréhension approfondie de ces concepts est la clé pour aborder l'analyse et la conception des amplificateurs à transistors. Dans la prochaine leçon, nous explorerons les mesures en régime alternatif (AC) et les notions de gain. ## 16- Mesures sur les circuits à transistors bipolaires en amplification (partie 2) ### Introduction Bienvenue à la deuxième partie de notre leçon sur les mesures des circuits à transistors bipolaires en amplification. Dans la partie précédente, nous avons couvert les bases du point de fonctionnement continu (DC) et les configurations d'amplificateurs. Aujourd'hui, nous allons approfondir les mesures cruciales des performances en régime alternatif (AC) de ces amplificateurs, incluant les différents types de gains, la bande passante, et l'impédance. Comprendre ces mesures est essentiel pour évaluer et optimiser le fonctionnement de tout circuit d'amplification. ### Concepts Clés #### Rappel: Point de Fonctionnement (Point de Repos) Avant d'analyser le comportement en AC, il est crucial de s'assurer que le transistor est correctement polarisé en DC. Les mesures du courant de collecteur \( I_C \) et de la tension collecteur-émetteur \( V_{CE} \) permettent de vérifier que le transistor opère dans la région active, loin des zones de coupure ou de saturation. * **\( I_C \)** : Courant continu traversant le collecteur. * **\( V_{CE} \)** : Tension continue entre le collecteur et l'émetteur. #### Mesure du Gain en Tension (\( A_v \)) Le gain en tension est le rapport entre la tension de sortie et la tension d'entrée de l'amplificateur. * **Définition :** \[ A_v = \frac{V_{out}}{V_{in}} \] où \( V_{out} \) est l'amplitude de la tension de sortie et \( V_{in} \) est l'amplitude de la tension d'entrée (en régime AC). * **Unité :** Le gain en tension est souvent exprimé sans unité ou en décibels (dB): \[ A_{v_{dB}} = 20 \log_{10} (A_v) \] * **Procédure de mesure :** 1. Appliquer un signal sinusoïdal de faible amplitude (pour éviter la saturation) et de fréquence moyenne (dans la bande passante) à l'entrée de l'amplificateur en utilisant un générateur de fonctions. 2. Mesurer simultanément les amplitudes des tensions d'entrée (\( V_{in} \)) et de sortie (\( V_{out} \)) à l'aide d'un oscilloscope. 3. Calculer \( A_v \) ou \( A_{v_{dB}} \) en utilisant les formules ci-dessus. #### Mesure du Gain en Courant (\( A_i \)) Le gain en courant est le rapport entre le courant de sortie et le courant d'entrée de l'amplificateur. * **Définition :** \[ A_i = \frac{I_{out}}{I_{in}} \] où \( I_{out} \) est l'amplitude du courant de sortie et \( I_{in} \) est l'amplitude du courant d'entrée (en régime AC). * **Unité :** Le gain en courant est sans unité ou en décibels (dB): \[ A_{i_{dB}} = 20 \log_{10} (A_i) \] * **Procédure de mesure :** 1. Pour mesurer les courants, on utilise généralement une méthode indirecte en mesurant les tensions aux bornes de résistances connues (e.g., \( R_{in} \), \( R_{load} \)). 2. Calculer les courants avec la loi d'Ohm : \( I = V/R \). 3. Calculer \( A_i \) ou \( A_{i_{dB}} \). #### Mesure du Gain en Puissance (\( A_p \)) Le gain en puissance est le rapport entre la puissance de sortie et la puissance d'entrée de l'amplificateur. * **Définition :** \[ A_p = \frac{P_{out}}{P_{in}} = A_v \times A_i \] * **Unité :** Le gain en puissance est sans unité ou en décibels (dB): \[ A_{p_{dB}} = 10 \log_{10} (A_p) = A_{v_{dB}} + A_{i_{dB}} \] * **Procédure de mesure :** 1. Mesurer \( V_{in} \), \( I_{in} \), \( V_{out} \), \( I_{out} \). 2. Calculer \( P_{in} = V_{in} \times I_{in} \) et \( P_{out} = V_{out} \times I_{out} \) (pour des résistances pures). 3. Calculer \( A_p \) ou \( A_{p_{dB}} \). #### Mesure de la Bande Passante (BP) La bande passante est la gamme de fréquences sur laquelle l'amplificateur maintient un gain significatif (généralement \( A_{v_{dB}} - 3dB \) par rapport au gain maximal). * **Fréquences de Coupure :** * **Fréquence de coupure basse (\( f_L \)) :** Fréquence en dessous de laquelle le gain chute de 3 dB par rapport au gain maximum en bande moyenne. * **Fréquence de coupure haute (\( f_H \)) :** Fréquence au-dessus de laquelle le gain chute de 3 dB par rapport au gain maximum en bande moyenne. * **Bande Passante (BP) :** \[ BP = f_H - f_L \] * **Procédure de mesure :** 1. Déterminer le gain maximal (\( A_{v_{max}} \)) en bande moyenne (e.g., 1 kHz). 2. Calculer le niveau de gain à -3 dB : \( A_{v_{max}} - 3dB \). 3. Appliquer un signal sinusoïdal d'amplitude constante à l'entrée et faire varier sa fréquence depuis les basses fréquences jusqu'aux hautes fréquences. 4. Mesurer le gain en tension à différentes fréquences. 5. Identifier \( f_L \) et \( f_H \) comme les fréquences où le gain chute de 3 dB par rapport au gain maximal. #### Mesure de l'Impédance d'Entrée (\( Z_{in} \)) et de Sortie (\( Z_{out} \)) * **Impédance d'entrée (\( Z_{in} \)) :** C'est la résistance équivalente que "voit" la source de signal connectée à l'entrée de l'amplificateur. * **Procédure (Méthode de la Résistance Série) :** 1. Connecter une résistance variable \( R_s \) en série avec l'entrée de l'amplificateur. 2. Appliquer un signal sinusoïdal à l'entrée du montage (avant \( R_s \)). 3. Ajuster \( R_s \) jusqu'à ce que la tension d'entrée de l'amplificateur (\( V_{in} \) mesurée après \( R_s \)) soit égale à la moitié de la tension totale appliquée (avant \( R_s \)). 4. À ce moment, \( Z_{in} = R_s \). * **Impédance de sortie (\( Z_{out} \)) :** C'est la résistance équivalente que "voit" la charge connectée à la sortie de l'amplificateur. * **Procédure (Méthode de la Charge Variable) :** 1. Appliquer un signal sinusoïdal à l'entrée de l'amplificateur (en bande passante). 2. Mesurer la tension de sortie à vide (\( V_{out_{vide}} \)). 3. Connecter une résistance de charge variable \( R_L \) à la sortie. 4. Ajuster \( R_L \) jusqu'à ce que la tension de sortie (\( V_{out_{charge}} \)) soit égale à la moitié de la tension de sortie à vide. 5. À ce moment, \( Z_{out} = R_L \). #### Mesure de la Distorsion Harmonique La distorsion harmonique se produit lorsque l'amplificateur introduit des harmoniques (multiples de la fréquence fondamentale) dans le signal de sortie qui n'étaient pas présents dans le signal d'entrée. Cela déforme le signal. * **Procédure :** Utilisation d'un analyseur de spectre ou d'un distorsiomètre pour mesurer le taux de distorsion harmonique totale (THD). ### Vocabulaire * **Gain en tension (\( A_v \)) :** Rapport entre la tension de sortie et la tension d'entrée d'un amplificateur. * **Gain en courant (\( A_i \)) :** Rapport entre le courant de sortie et le courant d'entrée d'un amplificateur. * **Gain en puissance (\( A_p \)) :** Rapport entre la puissance de sortie et la puissance d'entrée d'un amplificateur. * **Décibel (dB) :** Unité logarithmique utilisée pour exprimer les rapports de puissance ou de tension. \( 20 \log_{10}(V_{ratio}) \) pour les tensions, \( 10 \log_{10}(P_{ratio}) \) pour les puissances. * **Bande Passante (BP) :** Intervalle de fréquences où le gain d'un amplificateur est supérieur ou égal au gain maximal diminué de 3 dB. * **Fréquence de Coupure (\( f_L \) et \( f_H \)) :** Fréquences où le gain chute de 3 dB par rapport au gain maximal. * **Impédance d'Entrée (\( Z_{in} \)) :** Résistance équivalente vue par la source à l'entrée de l'amplificateur. * **Impédance de Sortie (\( Z_{out} \)) :** Résistance équivalente que l'amplificateur présente à sa sortie. * **Distorsion Harmonique :** Ajout de fréquences harmoniques (multiples de la fondamentale) au signal de sortie par l'amplificateur, le déformant. ### Exemples #### Exemple 1: Calcul du Gain en Tension Un amplificateur reçoit un signal d'entrée de \( V_{in} = 50 \text{ mV} \) (crête) et produit un signal de sortie de \( V_{out} = 2.5 \text{ V} \) (crête). Calculez le gain en tension en valeur absolue et en décibels. * **Calcul de \( A_v \) :** \[ A_v = \frac{V_{out}}{V_{in}} = \frac{2.5 \text{ V}}{0.050 \text{ V}} = 50 \] * **Calcul de \( A_{v_{dB}} \) :** \[ A_{v_{dB}} = 20 \log_{10} (50) \approx 20 \times 1.699 \approx 34 \text{ dB} \] #### Exemple 2: Détermination de la Bande Passante Lors de la mesure de la bande passante d'un amplificateur, le gain maximal est de 40 dB à 1 kHz. On observe que le gain diminue à 37 dB aux fréquences de 50 Hz et 20 kHz. * **Détermination des fréquences de coupure :** * Le gain maximal est de 40 dB. Le point de -3 dB est donc \( 40 \text{ dB} - 3 \text{ dB} = 37 \text{ dB} \). * \( f_L = 50 \text{ Hz} \) (où le gain est 37 dB) * \( f_H = 20 \text{ kHz} \) (où le gain est 37 dB) * **Calcul de la Bande Passante :** \[ BP = f_H - f_L = 20 \text{ kHz} - 50 \text{ Hz} = 20000 \text{ Hz} - 50 \text{ Hz} = 19950 \text{ Hz} \approx 19.95 \text{ kHz} \] ### Exercices 1. Un amplificateur a un gain en tension de 80. Exprimez ce gain en décibels. 2. Si l'impédance d'entrée d'un amplificateur est de \( 10 \text{ k\Omega} \) et l'impédance de sortie est de \( 200 \text{ \Omega} \). Quelle est l'importance de ces valeurs pour la connexion à d'autres circuits? 3. Décrivez la procédure pour mesurer la fréquence de coupure haute (\( f_H \)) d'un amplificateur en utilisant un générateur de fonctions et un oscilloscope. 4. Expliquez pourquoi il est important de vérifier le point de fonctionnement DC avant de procéder aux mesures AC d'un amplificateur. 5. Un amplificateur a une bande passante de 10 Hz à 100 kHz. Quelle est sa bande passante réelle? Si son gain maximal est de 25 dB, quel est le gain aux fréquences de coupure? ### Devoir 1. Recherchez et expliquez le concept de "facteur de bruit" d'un amplificateur. Pourquoi est-il important dans les systèmes de communication? 2. Concevez un protocole expérimental détaillé pour mesurer le gain en courant (\( A_i \)) d'un amplificateur à émetteur commun, en spécifiant le matériel nécessaire et les étapes précises. 3. Un amplificateur donne \( V_{in} = 10 \text{ mV} \) et \( V_{out} = 1.2 \text{ V} \) avec \( I_{in} = 50 \text{ \mu A} \) et \( I_{out} = 20 \text{ mA} \). Calculez \( A_v \), \( A_i \) et \( A_p \) en valeurs absolues et en décibels. 4. Expliquez les implications de la distorsion harmonique sur la qualité du signal audio amplifié. Quels sont les moyens de la minimiser? ### Résumé Dans cette deuxième partie, nous avons exploré les méthodes de mesure essentielles pour caractériser les performances en amplification des circuits à transistors bipolaires. Nous avons appris à mesurer et à calculer le gain en tension (\( A_v \)), le gain en courant (\( A_i \)), et le gain en puissance (\( A_p \)), en utilisant des unités sans dimension et les décibels. Nous avons également abordé l'importance de la bande passante, définie par les fréquences de coupure basse (\( f_L \)) et haute (\( f_H \)), et les techniques pour mesurer les impédances d'entrée (\( Z_{in} \)) et de sortie (\( Z_{out} \)). Enfin, nous avons introduit la notion de distorsion harmonique. Maîtriser ces mesures est fondamental pour tout ingénieur ou technicien travaillant avec des circuits d'amplification, car elles permettent de diagnostiquer, d'optimiser et de garantir le bon fonctionnement de ces dispositifs électroniques. La prochaine étape serait d'appliquer ces connaissances en laboratoire pour réaliser ces mesures concrètes. ## 17- Mesures sur les circuits à transistors bipolaires en amplification (partie 3) ### Introduction Dans cette troisième partie consacrée aux mesures sur les circuits à transistors bipolaires en amplification, nous allons approfondir les techniques pratiques pour caractériser le comportement AC (courant alternatif) de ces amplificateurs. Après avoir vu la polarisation DC dans les parties précédentes, nous allons nous concentrer sur des paramètres cruciaux tels que le gain en tension, le gain en courant, les impédances d'entrée et de sortie, ainsi que la bande passante. Comprendre et savoir mesurer ces caractéristiques est fondamental pour concevoir, tester et dépanner des circuits amplificateurs. ### Concepts Clés #### Rappel: Mesure des Points de Polarisation DC Avant toute mesure AC, il est impératif de vérifier le bon point de polarisation du transistor, car il détermine les conditions de son fonctionnement en mode amplification. * **Tensions:** Mesurez \( V_{BE} \) et \( V_{CE} \) à l'aide d'un multimètre. Assurez-vous qu'elles correspondent aux valeurs attendues pour un fonctionnement en régime linéaire. * **Courants:** Mesurez \( I_C \) et \( I_B \) en insérant un multimètre en série dans les branches correspondantes (attention à la chute de tension introduite par le multimètre, surtout pour \( I_B \)). #### Mesure du Gain en Tension (\( A_v \)) Le gain en tension est le rapport de la tension de sortie AC sur la tension d'entrée AC. * **Définition:** \[ A_v = \frac{V_{out(AC)}}{V_{in(AC)}} \] où \( V_{out(AC)} \) et \( V_{in(AC)} \) sont les amplitudes ou les valeurs efficaces des signaux AC. * **Méthode de Mesure:** 1. Appliquez un signal sinusoïdal de faible amplitude (pour ne pas saturer l'amplificateur) à l'entrée à l'aide d'un générateur de fonctions. 2. Utilisez un oscilloscope pour mesurer simultanément l'amplitude crête-à-crête (ou efficace) du signal d'entrée \( V_{in(AC)} \) et du signal de sortie \( V_{out(AC)} \). 3. Calculez \( A_v \). Notez que \( A_v \) peut être positif ou négatif, indiquant une inversion de phase ou non. * **Gain en décibels (dB):** Il est souvent exprimé en décibels pour représenter des rapports très grands ou très petits de manière logarithmique. \[ A_{v,dB} = 20 \log_{10}(|A_v|) \] #### Mesure du Gain en Courant (\( A_i \)) Le gain en courant est le rapport du courant de sortie AC sur le courant d'entrée AC. * **Définition:** \[ A_i = \frac{I_{out(AC)}}{I_{in(AC)}} \] * **Méthode de Mesure:** 1. Mesurer directement les courants AC avec une pince ampèremétrique AC si disponible, ou indirectement en mesurant la tension aux bornes d'une résistance connue et en appliquant la loi d'Ohm (\( I = V/R \)). 2. Calculez \( A_i \). * **Gain en décibels (dB):** \[ A_{i,dB} = 20 \log_{10}(|A_i|) \] #### Mesure des Impédances d'Entrée et de Sortie Ces impédances sont cruciales pour l'adaptation de l'amplificateur aux sources et aux charges. * **Impédance d'entrée (\( Z_{in} \)):** L'impédance vue par la source à l'entrée de l'amplificateur. * **Méthode par insertion de résistance en série:** 1. Appliquez un signal \( V_{in} \) à l'entrée de l'amplificateur. 2. Insérez une résistance de source connue \( R_s \) en série avec l'entrée. 3. Mesurez la tension \( V'_{in} \) aux bornes de l'entrée de l'amplificateur (après \( R_s \)). 4. L'impédance d'entrée peut être calculée comme suit: \[ Z_{in} = R_s \left( \frac{V'_{in}}{V_{in} - V'_{in}} \right) \] Une méthode plus simple est d'ajuster \( R_s \) jusqu'à ce que \( V'_{in} \) soit la moitié de \( V_{in} \). Dans ce cas, \( Z_{in} = R_s \). * **Impédance de sortie (\( Z_{out} \)):** L'impédance interne de l'amplificateur vue de la sortie. * **Méthode par charge:** 1. Mesurez la tension de sortie à vide \( V_{out(vide)} \) (sans charge connectée). 2. Connectez une résistance de charge connue \( R_L \) et mesurez la nouvelle tension de sortie \( V'_{out(charge)} \). 3. L'impédance de sortie peut être calculée comme suit: \[ Z_{out} = R_L \left( \frac{V_{out(vide)} - V'_{out(charge)}}{V'_{out(charge)}} \right) \] #### Mesure de la Bande Passante La bande passante est la plage de fréquences sur laquelle l'amplificateur fonctionne efficacement. Elle est définie par les fréquences de coupure où le gain chute à \( 1/\sqrt{2} \) (environ 0,707) de son gain maximal, soit -3 dB. * **Méthode:** 1. Connectez un générateur de fonctions à l'entrée et un oscilloscope à la sortie. 2. Fixez l'amplitude du signal d'entrée \( V_{in} \) à une valeur constante et appropriée. 3. Balayez la fréquence du générateur, en commençant par les basses fréquences et en montant. 4. Notez le gain maximal \( A_{v,max} \) dans la bande passante. 5. Identifiez la fréquence de coupure inférieure \( f_L \) où le gain chute à \( A_{v,max} / \sqrt{2} \). 6. Identifiez la fréquence de coupure supérieure \( f_H \) où le gain chute à \( A_{v,max} / \sqrt{2} \). 7. La bande passante est \( BW = f_H - f_L \). ### Vocabulaire * **Transistor bipolaire:** Composant semi-conducteur à trois bornes utilisé pour l'amplification ou la commutation. * **Amplification:** Processus d'augmentation de l'amplitude d'un signal (tension, courant, puissance). * **Polarisation:** Établissement des conditions de tension et de courant DC pour le bon fonctionnement d'un composant électronique. * **Point de polarisation (DC):** Les tensions et courants continus aux bornes du transistor en l'absence de signal AC. * **Gain en tension (\( A_v \)):** Rapport de la tension de sortie AC sur la tension d'entrée AC. * **Gain en courant (\( A_i \)):** Rapport du courant de sortie AC sur le courant d'entrée AC. * **Impédance d'entrée (\( Z_{in} \)):** L'opposition qu'offre l'entrée d'un circuit au passage du courant alternatif. * **Impédance de sortie (\( Z_{out} \)):** L'opposition qu'offre la sortie d'un circuit au passage du courant alternatif. * **Bande passante (BW):** La gamme de fréquences sur laquelle un amplificateur maintient un gain significatif. * **Fréquences de coupure (\( f_L, f_H \)):** Fréquences où le gain chute à 70,7% (-3 dB) de sa valeur maximale. * **Décibels (dB):** Unité logarithmique utilisée pour exprimer des rapports de puissance ou de tension. * **Oscilloscope:** Instrument de mesure qui permet de visualiser les formes d'onde des signaux électriques. * **Générateur de fonctions:** Appareil produisant différents types de signaux électriques (sinus, carré, triangle, etc.) à des fréquences variables. * **Multimètre:** Appareil de mesure polyvalent (tension, courant, résistance). ### Exemples #### Exemple 1: Mesure du Gain en Tension Considérons un amplificateur où, avec un signal d'entrée \( V_{in(AC)} = 50 \text{ mV_{crête-à-crête}} \), nous mesurons une tension de sortie \( V_{out(AC)} = 2,5 \text{ V_{crête-à-crête}} \). Le gain en tension est: \[ A_v = \frac{2,5 \text{ V}}{50 \text{ mV}} = \frac{2,5}{0,05} = 50 \] En décibels: \[ A_{v,dB} = 20 \log_{10}(50) \approx 34 \text{ dB} \] #### Exemple 2: Mesure de l'Impédance d'Entrée Pour un circuit, nous injectons un signal de \( V_{in} = 100 \text{ mV_{crête}} \). Nous insérons une résistance \( R_s = 1 \text{ k\Omega} \) en série et mesurons \( V'_{in} = 40 \text{ mV_{crête}} \) aux bornes de l'entrée de l'amplificateur. L'impédance d'entrée est: \[ Z_{in} = R_s \left( \frac{V'_{in}}{V_{in} - V'_{in}} \right) = 1 \text{ k\Omega} \left( \frac{40 \text{ mV}}{100 \text{ mV} - 40 \text{ mV}} \right) = 1 \text{ k\Omega} \left( \frac{40}{60} \right) = 1 \text{ k\Omega} \times \frac{2}{3} \approx 667 \text{ \Omega} \] #### Exemple 3: Détermination de la Bande Passante Lors du balayage en fréquence d'un amplificateur, le gain maximal mesuré est de \( 40 \) (soit \( 32 \text{ dB} \)). La valeur de gain à laquelle les fréquences de coupure sont définies est \( 40 / \sqrt{2} \approx 28,28 \). En dB, cela correspond à \( 32 \text{ dB} - 3 \text{ dB} = 29 \text{ dB} \). Supposons que nous ayons mesuré: * \( A_v \) chute à \( 28,28 \) à \( f_L = 100 \text{ Hz} \). * \( A_v \) chute à \( 28,28 \) à \( f_H = 15 \text{ kHz} \). La bande passante est donc \( BW = 15 \text{ kHz} - 100 \text{ Hz} = 14,9 \text{ kHz} \). ### Exercices 1. Un amplificateur a une tension d'entrée de \( 10 \text{ mV_{RMS}} \) et une tension de sortie de \( 1,2 \text{ V_{RMS}} \). Calculez le gain en tension \( A_v \) et \( A_{v,dB} \). 2. Pour mesurer l'impédance de sortie d'un circuit, vous mesurez \( V_{out(vide)} = 5 \text{ V} \). Lorsque vous connectez une charge de \( 1 \text{ k\Omega} \), la tension de sortie devient \( V'_{out(charge)} = 4 \text{ V} \). Quelle est l'impédance de sortie \( Z_{out} \) de l'amplificateur? 3. Un amplificateur présente les points de gain suivants en fonction de la fréquence: * \( 10 \text{ Hz}: 10 \text{ dB} \) * \( 100 \text{ Hz}: 25 \text{ dB} \) * \( 1 \text{ kHz}: 28 \text{ dB} \) * \( 10 \text{ kHz}: 28 \text{ dB} \) * \( 50 \text{ kHz}: 25 \text{ dB} \) * \( 100 \text{ kHz}: 20 \text{ dB} \) Quel est le gain maximal en dB? Estimez les fréquences de coupure \( f_L \) et \( f_H \). ### Devoirs 1. **Conception et Mesure:** Concevez et montez un amplificateur à émetteur commun simple. Mesurez ses points de polarisation DC, son gain en tension, son impédance d'entrée et de sortie, ainsi que sa bande passante. Documentez vos mesures et comparez-les aux calculs théoriques (si vous avez étudié les modèles de petits signaux). 2. **Impact de la Charge:** En utilisant votre amplificateur monté, mesurez le gain en tension avec différentes charges (par exemple, \( R_L = 10 \text{ k\Omega}, 1 \text{ k\Omega}, 100 \text{ \Omega} \)). Analysez l'impact de la charge sur le gain et expliquez pourquoi. 3. **Recherche:** Recherchez et décrivez deux autres méthodes pour mesurer l'impédance de sortie d'un amplificateur que celles présentées dans ce cours. ### Résumé Cette leçon a couvert les techniques essentielles pour la caractérisation AC des amplificateurs à transistors bipolaires. Nous avons vu comment mesurer le **gain en tension** (\( A_v \) et \( A_{v,dB} \)), le **gain en courant** (\( A_i \) et \( A_{i,dB} \)), les **impédances d'entrée et de sortie** (\( Z_{in} \) et \( Z_{out} \)) à l'aide de méthodes pratiques, et comment déterminer la **bande passante** d'un amplificateur en identifiant ses fréquences de coupure à -3 dB. Maîtriser ces mesures est indispensable pour tout technicien ou ingénieur travaillant avec des circuits électroniques amplificateurs. ## 18- Mesures sur les circuits à transistors bipolaires en amplification (partie 4) ### Introduction Bienvenue à la quatrième partie de notre série sur les mesures sur les circuits à transistors bipolaires en amplification. Dans les leçons précédentes, nous avons exploré les fondamentaux des transistors, leurs configurations et le concept d'amplification. Cette session se concentre sur les mesures pratiques et l'analyse de caractéristiques essentielles telles que le gain, les impédances d'entrée et de sortie, ainsi que la réponse en fréquence. Comprendre ces mesures est crucial pour concevoir, tester et dépanner efficacement les amplificateurs à transistors. ### Concepts Clés #### 1. Mesure du Gain en Tension (\(A_v\)) Le gain en tension est un paramètre fondamental qui indique la capacité d'un amplificateur à augmenter l'amplitude d'un signal de tension. Il est défini par le rapport entre la tension de sortie et la tension d'entrée. * **Définition:** \( A_v = \frac{V_{out}}{V_{in}} \) * \(V_{out}\) : Tension de sortie du signal alternatif (crête ou efficace). * \(V_{in}\) : Tension d'entrée du signal alternatif (crête ou efficace). * **Mesure Pratique:** 1. Appliquer un signal sinusoïdal d'amplitude connue (e.g., 100 mV crête-à-crête) à l'entrée de l'amplificateur. 2. Utiliser un oscilloscope pour mesurer simultanément l'amplitude de la tension d'entrée (\(V_{in}\)) et de la tension de sortie (\(V_{out}\)). 3. Assurez-vous que l'amplificateur n'est pas saturé (le signal de sortie ne doit pas être écrêté). * **Gain en Décibels (dB):** Pour les amplificateurs, le gain est souvent exprimé en décibels, ce qui est particulièrement utile pour comparer les gains sur une large plage ou pour calculer le gain total de plusieurs étages en cascade. * \( A_{v(dB)} = 20 \log_{10}(A_v) \) #### 2. Mesure des Impédances d'Entrée (\(Z_{in}\)) et de Sortie (\(Z_{out}\)) Les impédances d'entrée et de sortie sont cruciales pour l'adaptation d'impédance entre différents étages d'un circuit ou avec la source et la charge. * **Impédance d'Entrée (\(Z_{in}\)):** C'est l'impédance que présente l'amplificateur à la source qui l'attaque. Une \(Z_{in}\) élevée est généralement souhaitable pour ne pas charger la source. * **Méthode de Mesure (Approche simplifiée):** 1. Appliquer une tension d'entrée \(V_{in}\) à l'amplificateur via une résistance connue \(R_{série}\) en série. Mesurer la tension d'entrée réelle \(V'_{in}\) aux bornes de l'amplificateur. 2. Calculer le courant d'entrée \(I_{in} = \frac{V_{in} - V'_{in}}{R_{série}}\) (si \(V_{in}\) est la tension de la source avant \(R_{série}\)). 3. \(Z_{in} = \frac{V'_{in}}{I_{in}}\) ou plus simplement, si vous savez que \(Z_{in}\) est proche de \(R_{série}\), variez \(R_{série}\) jusqu'à ce que la tension d'entrée de l'ampli soit \(V'_{in} = V_{in} / 2\). Dans ce cas, \(Z_{in} \approx R_{série}\). * **Impédance de Sortie (\(Z_{out}\)):** C'est l'impédance interne de l'amplificateur vue de la sortie. Une \(Z_{out}\) faible est généralement souhaitable pour ne pas que la tension de sortie chute trop sous l'effet de la charge. * **Méthode de Mesure:** 1. Mesurer la tension de sortie à vide (sans charge), \(V_{out(vide)}\). 2. Connecter une charge résistive connue \(R_L\) à la sortie et mesurer la nouvelle tension de sortie, \(V_{out(charge)}\). 3. Calculer \(Z_{out} = R_L \left( \frac{V_{out(vide)}}{V_{out(charge)}} - 1 \right) \). #### 3. Réponse en Fréquence et Bande Passante La réponse en fréquence décrit comment le gain d'un amplificateur varie avec la fréquence du signal d'entrée. Cela nous permet de déterminer sa bande passante. * **Bande Passante (BW):** C'est la plage de fréquences sur laquelle l'amplificateur fonctionne efficacement, avec un gain qui ne descend pas en dessous de 70.7% (ou -3 dB) de son gain maximal. * **Fréquences de Coupure (\(f_L\) et \(f_H\)):** * \(f_L\) (fréquence de coupure basse): Fréquence à laquelle le gain chute à -3 dB par rapport au gain maximal à basse fréquence. Généralement due aux condensateurs de liaison (couplage) et de découplage. * \(f_H\) (fréquence de coupure haute): Fréquence à laquelle le gain chute à -3 dB par rapport au gain maximal à haute fréquence. Généralement due aux capacités parasites internes du transistor et de la câblage. * **Méthode de Mesure:** 1. Appliquer un signal sinusoïdal d'amplitude constante à l'entrée de l'amplificateur. 2. Faire varier la fréquence du générateur de signaux sur une large plage (e.g., de 10 Hz à 1 MHz). 3. À chaque fréquence, mesurer le gain en tension (ou la tension de sortie) et l'enregistrer. 4. Tracer la courbe de gain en fonction de la fréquence (souvent sur une échelle logarithmique pour la fréquence et en dB pour le gain). 5. Identifier le gain maximal (\(A_{v(max)}\)) et trouver les fréquences où le gain est de \(A_{v(max)} / \sqrt{2} \) (ou \(A_{v(max)} - 3dB\)). Ce sont \(f_L\) et \(f_H\). 6. La bande passante est \(BW = f_H - f_L\). #### 4. Observation de la Distorsion La distorsion est la déformation du signal de sortie par rapport au signal d'entrée. Elle peut être due à l'écrêtage (saturation du transistor) ou à la non-linéarité de ses caractéristiques. * **Observation à l'Oscilloscope:** Augmenter l'amplitude du signal d'entrée jusqu'à observer un écrêtage du signal de sortie (les crêtes et/ou les creux sont aplatis). Cela indique que l'amplificateur est poussé au-delà de sa plage de fonctionnement linéaire. * **Distorsion Harmonique:** L'amplificateur crée des harmoniques (multiples de la fréquence fondamentale) qui n'étaient pas présentes dans le signal d'entrée. Cela peut être mesuré avec un analyseur de spectre, mais visuellement, cela se traduit par une forme d'onde de sortie qui n'est plus une sinusoïde pure. ### Vocabulaire * **Gain en tension (\(A_v\)):** Rapport entre la tension de sortie et la tension d'entrée d'un amplificateur. * **Décibel (dB):** Unité logarithmique utilisée pour exprimer le rapport de puissance ou de tension. Utile pour les gains d'amplificateur. * **Impédance d'entrée (\(Z_{in}\)):** Impédance présentée par l'amplificateur à sa source de signal. * **Impédance de sortie (\(Z_{out}\)):** Impédance interne de l'amplificateur vue de sa sortie. * **Bande passante (BW):** Plage de fréquences sur laquelle le gain de l'amplificateur est supérieur à 70.7% de son gain maximal. * **Fréquences de coupure (\(f_L\), \(f_H\)):** Fréquences où le gain de l'amplificateur chute de 3 dB par rapport à son maximum, aux basses et hautes fréquences respectivement. * **Distorsion:** Déformation du signal de sortie par rapport au signal d'entrée, pouvant être causée par la non-linéarité ou la saturation. * **Écrêtage:** Phénomène de saturation où les crêtes et/ou les creux d'un signal sont coupés, indiquant une distorsion. ### Exemples #### Exemple 1: Calcul du Gain Un amplificateur reçoit un signal d'entrée \(V_{in} = 20 \text{ mV}_{eff}\) et produit un signal de sortie \(V_{out} = 1.5 \text{ V}_{eff}\). * **Calcul du gain linéaire:** \( A_v = \frac{1.5 \text{ V}}{0.02 \text{ V}} = 75 \) * **Calcul du gain en décibels:** \( A_{v(dB)} = 20 \log_{10}(75) \approx 20 \times 1.875 \approx 37.5 \text{ dB} \) #### Exemple 2: Mesure simplifiée de \(Z_{in}\) Vous voulez mesurer \(Z_{in}\) d'un amplificateur. Vous connectez en série avec l'entrée une résistance \(R_{série} = 1 \text{ k}\Omega\). Lorsque vous appliquez un signal de \(V_{in} = 100 \text{ mV}\) depuis le générateur, vous mesurez \(V'_{in} = 50 \text{ mV}\) aux bornes de l'amplificateur. * Puisque \(V'_{in}\) est la moitié de \(V_{in}\) (aux bornes de l'ampli), cela signifie que \(Z_{in}\) est égale à la résistance série. * Donc, \(Z_{in} = R_{série} = 1 \text{ k}\Omega\). #### Exemple 3: Tracé d'une Réponse en Fréquence Vous effectuez des mesures de gain sur un amplificateur à différentes fréquences: * 100 Hz: 30 dB * 1 kHz: 36 dB (gain maximal) * 10 kHz: 36 dB * 50 kHz: 33 dB * 100 kHz: 28 dB Le gain maximal est de 36 dB. Le point -3 dB correspond à un gain de \(36 - 3 = 33 \text{ dB}\). * La fréquence de coupure haute \(f_H\) est environ 50 kHz (où le gain est de 33 dB). * Pour trouver \(f_L\), nous devrions avoir des données à des fréquences encore plus basses. Si, par exemple, le gain à 50 Hz était de 33 dB, alors \(f_L = 50 \text{ Hz}\). * La bande passante serait alors \(BW = 50 \text{ kHz} - 50 \text{ Hz} = 49.95 \text{ kHz}\). ### Exercices 1. Un amplificateur a une tension d'entrée de \(10 \text{ mV}_{crête}\) et une tension de sortie de \(2 \text{ V}_{crête}\). Calculez son gain en tension linéaire et en décibels. 2. Vous mesurez l'impédance de sortie d'un amplificateur. Sans charge, la tension de sortie est de \(3 \text{ V}_{eff}\). Lorsque vous connectez une charge de \(100 \Omega\), la tension de sortie tombe à \(2 \text{ V}_{eff}\). Quelle est l'impédance de sortie de l'amplificateur? 3. Expliquez pourquoi une impédance d'entrée élevée est généralement souhaitable pour un amplificateur de tension, et pourquoi une impédance de sortie faible est préférable. 4. Décrivez les étapes pour tracer la réponse en fréquence d'un amplificateur et comment identifier les fréquences de coupure \(-3 \text{ dB}\). ### Devoirs 1. Recherchez et expliquez le rôle des condensateurs de liaison (couplage) et de découplage dans la détermination de la fréquence de coupure basse (\(f_L\)) d'un amplificateur. Donnez un exemple de calcul simple pour l'impact d'un condensateur de liaison. 2. Proposez une expérience pratique détaillée pour mesurer l'impédance d'entrée d'un amplificateur à émetteur commun, en spécifiant le matériel nécessaire et les précautions à prendre. 3. Comment la capacité parasite Base-Collecteur (\(C_{BC}\) ou \(C_{\mu}\)) d'un transistor affecte-t-elle la fréquence de coupure haute (\(f_H\)) d'un amplificateur? Faites une petite recherche sur l'effet Miller. ### Résumé Dans cette quatrième partie, nous avons approfondi les mesures clés pour caractériser les amplificateurs à transistors bipolaires. Nous avons vu comment mesurer le **gain en tension** (linéaire et en dB), les **impédances d'entrée et de sortie**, qui sont essentielles pour l'adaptation des étages, et la **réponse en fréquence**, qui définit la **bande passante** utile de l'amplificateur via ses **fréquences de coupure** \(f_L\) et \(f_H\). Enfin, nous avons abordé l'observation de la **distorsion**. Maîtriser ces techniques de mesure est indispensable pour évaluer et optimiser les performances des circuits d'amplification électroniques.