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Technique - les montages fondamentaux


Nous avons des besoins variés en électronique. Nous savons depuis l'étude sur les générateurs qu'ils soient continus ou alternatifs que ceux-ci ont une résistance interne Ri ou impédance propre Zi (le i est pour Input-Entrée). Quand nous couplons un générateur à un récepteur (une résistance par exemple), nous essayons de transférer le maximum de puissance et c'est là que les impédances entrent en jeu.
Essayons de modéliser simplement un générateur de tension alternative "u" d'impédance Zi transférant son énergie à un récepteur d'impédance R (ce récepteur R pourrait être l'impédance d'entrée d'un étage à transistor).

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Nous comprenons intuitivement  que le générateur de tension charge un pont diviseur formé par Zi et R. Si par exemple Zi est beaucoup plus grand que R, toute la tension fournie par le générateur va se développer aux bornes de son impédance interne, le récepteur ne verra pratiquement rien.  On mesure donc qu'il sera parfois nécessaire d'avoir des montages amplificateurs ayant des caractéristiques d'entrée-sortie différentes. Ceci nous est donné par trois montages fondamentaux du transistor en amplificateur.

En avant-propos, retour sur les condensateurs :

Nous avons vu, lors de l'étude préliminaire de l'amplification que les signaux à amplifier étaient acheminés vers l'entrée du montage par un condensateur, nous avions aussi précisé que la valeur de ce condensateur n'était pas choisie au hasard.
On peut utiliser le condensateur d'une autre manière, cette fois-ci, il sera chargé de dériver les signaux alternatifs vers la masse, il deviendra un condensateur de découplage.
Placé entre émetteur et masse, il va envoyer les signaux alternatifs vers la masse ce qui aura pour effet d'augmenter fortement le gain de l'amplificateur.

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En observant le montage, et en imaginant que Ce est déconnecté, vous remarquerez que Ie varie comme IC, ce n'est pas une nouveauté. Cette variation de Ie provoque bien entendu une variation de la tension aux bornes de Re (Ure= Ie x Re).
Cette variation tend à diminuer la polarisation de la jonction Vbe au rythme des variation de Ie.
Branchons Ce, le condensateur élimine complètement la composante alternative, la tension Ure est stable, le gain croît.



Le montage émetteur Commun :


On l'appelle ainsi car du point de vue alternatif, l'émetteur est à la masse par l'intermédiaire du condensateur de découplage Ce. De ce fait il se trouve être commun à l'entrée et à la sortie. Ce type de montage est certainement celui qui est le plus utilisé. Nous avons déjà étudié le fonctionnement mais rappelons que la tension à amplifier est superposée à la polarisation continue. Vbe augmente ce qui fait croître Ic. Quand Ic croît la chute de tension Rc x Ic croît également. Parallèlement si Rc Ic croît, la tension Vce diminue. Au demi-cycle suivant c'est l'inverse qui se produit, Rc Ic diminue, Vce augmente.


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On constate donc  qu'à une augmentation de la tension d'entrée, correspond une diminution de la tension de sortie. Attention, notez que la tension de sortie est beaucoup plus élevée que la tension d'entrée, car nous avons réalisé un amplificateur. Ici nous parlons de la phase du signal pas de son amplitude.

Le montage Emetteur Commun pour les raisons que nous venons d'expliquer déphase le signal de 180°


D'où vient le gain ?

Des variations de IC, ce qui provoque des variations de Urc que l'on récupère grâce à un condensateur. Les variations de Ic sont produites par la tension d'entrée qui déplace le point de repos sur la droite de charge du transistor.

Comment calculer le gain ?

Le gain peut être défini comme le rapport des variations de la tension de sortie sur les variations de la tension d'entrée

On notera que l'amplification A :
 
        D Vo
A =  ________
         
D Vi


Nous avions déjà évoqué la résistance r'e qui avait pour valeur  :

          25
r'e = ______
          Ie


avec Ie en mA

Nous pourrons très facilement calculer A comme suit :

          Rc
A =   -   ________
           r'e

Cette relation est hyper importante car elle vous fournit toutes les clefs de l'amplification ici le signe "-" indique que le signal de sortie est déphasé de 180° par rapport au signal d'entrée

Notre transistor a une impédance d'entrée :

Sans démonstration, nous retiendrons
avec // = parallèle
Zi = Z input (entrée)

Zi =  R1 // R2 // b r'e


Notre transistor a une impédance de sortie :

Toujours sans démonstration, nous retiendrons :
Zo = Z output  (sortie)

Zo = Rc




Et un exemple pour stabiliser tout ceci :

Voici le montage, on ne se préoccupera pas de la valeur des condensateurs que l'on considérera se comporter comme des courts-circuit en alternatif.
Nous allons calculer, la valeur de l'amplification, l'impédance d'entrée, l'impédance de sortie.

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1 - Nous voulons calculer la valeur de r'e, pour ce faire, nous devons connaître Ie.
Calculons la tension sur la base Vb
         3300
Vb = _____________ x 12 =  2,59V
         3300 + 12000
2 - calculons la tension Ve sur l'émetteur Ve = Vb - 0,7 = 1,89V

3 - calculons Ie Ie = Ve/re   1,89/ 1200 = 1,57 mA

4 - nous pouvons maintenant calculer r'e         25            25
r'e = _____  =  _______  =  16
W
         Ie            1,57

5 - calculons l'amplification A = Rc/ r'e    2700/ 16 =  169

6 - calculons l'impédance d'entrée Zi = R1//R2   (approximativement)
Zi = 2588
W
7 - calculons l'impédance de sortie Zo = Rc   Zo = 2700 W



Résumé des caractéristiques de l'amplificateur Emetteur commun Grand gain
Signal de sortie déphasé de 180°
Impédance d'entrée moyenne à élevée
Impédance de sortie moyenne à élevée


Le montage base commune :

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Voilà la bête, soyez vigilant, il y a quelques changements.
La base est à la masse en alternatif par le condensateur, les signaux à amplifier sont envoyés sur l'émetteur et la sortie amplifiée est sur le collecteur.
Ne soyez pas pertubé par le fait que l'on injecte les signaux sur l'émetteur, ce qui importe, c'est de produire des variations de tension sur la jonction base-émetteur.
Sinon pour la polarisation, rien de nouveau, vous connaissez, c'est très classique.


Notre transistor a une impédance d'entrée :

Sans démonstration, nous retiendrons
On voit immédiatement que l'impédance d'entrée est très faible.

Zi =   r'e


Notre transistor a une impédance de sortie :

Toujours sans démonstration, nous retiendrons :
Zo = Z output  (sortie)

Zo = Rc


Notre transistor a du gain :


Nous avions déjà évoqué la résistance r'e qui avait pour valeur  :

 
               25
   r'e = ______
                  Ie


avec Ie en mA

Nous pourrons très facilement calculer A comme suit :

          Rc
A =  ______
           r'e

ici le signal de sortie est en phase avec le signal d'entrée.

 



Résumé des caractéristiques de l'amplificateur base commune Grand gain
Signal de sortie en phase
Petite impédance d'entrée
Impédance de sortie moyenne à élevée
 

Le montage collecteur  commun ou émetteur suiveur:

Cette fois c'est le collecteur qui est directement relié au plus (pour les signaux alternatifs le + équivaut à la masse) d'où le nom de collecteur commun. Le circuit de polarisation est le classique pont de base.
Vous remarquerez que l'émetteur n'est pas découplé, on peut déjà en déduire que le gain sera loin d'être maximum.
On utilise ce montage quand on doit coupler une source haute impédance à une charge basse impédance.
Voyons le comportement de l'engin

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Notre transistor a du gain :


Nous avions déjà évoqué la résistance r'e qui avait pour valeur  :

 
               25
   r'e = ______
                  Ie


avec Ie en mA

Nous pourrons très facilement calculer A comme suit :

          Re
A =  ______
         Re +   r'e

Le gain d'un montage collecteur commun est légèrement inférieur à 1

 

Notre transistor a une impédance d'entrée :

Sans démonstration, nous retiendrons :
L'impédance d'entrée sera donc majoritairement dépendante du pont de polarisation


Zi =   R1//R2

 

Notre transistor a une impédance de sortie :

Toujours sans démonstration, nous retiendrons :
Zo = Z output  (sortie)

                  Re//R1//R2       
Zo = r'e + ____________
                      
b

 



Résumé des caractéristiques de l'amplificateur collecteur commun Gain unitaire
Signal de sortie en  phase
Grande impédance d'entrée
Petite impédance de sortie
 

 

Cas particulier du montage à collecteur commun, le Darlignton :

Il existe un montage à collecteur commun très répandu, souvent sous la forme d'un seul boîtier à trois broches, appelé Darlington.
Constitution :
Il s'agit de deux étages collecteurs communs reliés ensemble.

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L'intérêt de ce type de montage est d'obtenir un transistor équivalent de b = b1 x b2
de plus l'isolement de la charge par rapport à la source est augmenté car l'impédance d'entrée est augmentée et l'impédance de sortie diminuée.

Nous avons jusqu'à présent raisonné sur des montages complètement isolés du monde extérieur, or il n'en est  pas ainsi dans la vie et tous les montages amplificateurs verront à leur entrée une source et à leur sortie une charge. Nous allons brièvement esquisser le tableau.

Nous allons prendre pour notre étude le classique montage émetteur-commun et visualiser ce que voient les courants alternatifs et continus d'un tel montage. Une fois ceci effectué, nous pourrons ramener tous nos montages amplificateurs à de simples modèles. 
 

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Nous voici ancrés dans la réalité maintenant. Nous avons rajouté une source de tension alternative U ayant une impédance interne ri. A la sortie nous avons connecté une charge RL (L pour Load). Nous allons maintenant, grâce à des règles simples réduire ce schéma à la fois pour le continu et pour l'alternatif à des modèles simples.

Pour le courant continu, appliquons ceci : 1 - Court-circuiter les sources de tension alternatives et ouvrir les sources de courant

2 - ouvrir tous les condensateurs.


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Il reste ceci pour le continu, ce qui nous permet de calculer facilement les tensions et courants continus dans ce montage.

Pour le courant alternatif appliquons ceci : 1 - Court-circuiter les sources de tension continues et ouvrir les sources de courant

2 - court-circuiter tous les condensateurs.

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et voici ci-dessus  ce qui reste pour l'alternatif. Je pense que quelques explications vous seront utiles.
Nous avons court-circuité les sources de tensions continues ce qui a amené R1 à être en // sur R2 et Rc a ramené le collecteur à la masse.
Nous avons court-circuité les condensateurs (on les remplace par un fil), la charge se retrouve en // sur RC.
Concernant l'émetteur, nous avons là aussi court-circuité le condensateur de découplage ce qui a eu pour effet de mettre directement l'émetteur à la masse.

Dernière étape, modélisons notre amplificateur :

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La partie gauche représente l'entrée du montage où une source de tension u, charge un ensemble composé d'une impédance interne ri et d'une charge formée par R1 et R2 en parallèle. Il s'agit d'un classique pont diviseur. La tension d'entrée effective à amplifier sera Vi La partie droite représente la sortie côté collecteur. Une source de tension (A x Vi) est appliqué à un pont diviseur formé par la résistance de collecteur et la résistance de charge. La tension  effective amplifiée et Vo.
Comme vous pouvez le conster, le facteur d'amplification seul (A) ne suffit pas à décrire le comportement de l'étage amplificateur. Une bonne partie de la tension est "perdue" aux bornes des résistances internes.

 

 

Tableau récapitulatif des caractéristiques des trois montages fondamentaux

 

Emetteur Commun

Base Commune

Collecteur Commun

Impédance d'entrée

Moyenne

Basse  Elevée

variable selon la polarisation, de l'ordre de quelques kW

ordre de grandeur : quelques dizaines W 

Plus elevée qu'un montage émetteur commun

Impédance de sortie Moyenne  Moyenne Basse

égale à Rc

 égale à Rc

ordre de grandeur : quelques dizaines W

Phase entrée/sortie 180° Phase Phase
Gain en tension

 Elevé

Elevé Très légèrement inférieur à 1
Utilisation C'est le montage de base, on le retrouve partout.

Montage utilisé en HF du fait de sa bande passante supérieure à l'émetteur commun

C'est l'adaptateur d'impédance par définition

 

 


Arrêtons nous ici pour ce chapitre qui est déjà bien conséquent. Retenez qu'il existe trois montages fondamentaux, que le montage émetteur commun est le plus utilisé et que l'on peut réduire assez simplement ce type de montage à un modèle simple.