Bibliographie & annexes
Présentation
Auteur(s)
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Patrick ALDEBERT : Ingénieur de l’École Supérieure d’Électricité - Docteur en sciences - Adjoint du Directeur des Études et Professeur à l’École Supérieure d’Électricité
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Lire l’articleINTRODUCTION
Un amplificateur est un bloc fonctionnel qui réalise sur une grandeur électrique (tension ou intensité) porteuse d'information l'opération mathéma-tique élémentaire : multiplication par une constante, et qui accroît l'énergie véhiculée par cette grandeur.
Cette dernière propriété de l'amplification résulte de la présence d'un ou plusieurs éléments actifs fondamentalement non linéaires associés à une source d'alimentation assurant la fourniture de l'énergie nécessaire.
Pour réaliser un amplificateur, le concepteur a accès à un nombre important de dispositifs technologiques (amplificateur opérationnel intégré, transistors bipolaires ou à effet de champ, discrets ou intégrés au sein d'un circuit intégré à application spécifique ASIC (Application Specific Integrated Circuit)). Pour chacun d'eux, le nombre de variantes et de schémas possibles n'est limité que par la créativité des concepteurs. Il serait donc illusoire de chercher à en faire la nomenclature exhaustive.
L'amplification est une fonction fondamentale qui intervient dans la plupart des systèmes électroniques explicitement ou implicitement (filtres actifs, oscillateurs, modulateurs...). Les choix à effectuer (technologie, composants, structures...) dépendent des caractéristiques des signaux à traiter : composition spectrale (signaux basse ou haute fréquence, large bande, bande étroite...), amplitude...
Nous nous limiterons ici au cas des amplificateurs faibles niveaux pour lesquels l'amplitude des signaux traités est suffisamment faible pour pouvoir confondre les caractéristiques non linéaires des composants actifs avec leur tangente au point de repos et négliger l'influence des non-linéarités. Les amplificateurs dits de puissance, traitant des signaux de niveau élevé pour lesquels il faut tenir compte de la courbure des caractéristiques, des distorsions, des saturations..., font l'objet d'un autre article de ce traité.
Par ailleurs, nous restreindrons notre étude à un domaine de fréquences pour lequel les composants peuvent être représentés par un modèle à constantes localisées. L'étude d'amplificateurs fonctionnant à des fréquences plus élevées repose sur des méthodes d'analyse et des modèles différents (paramètres de distribution...) et sort du cadre de cet article.
Après avoir rappelé des notions générales sur les sources commandées, nous indiquerons les principes de base de réalisation d'amplificateurs. On ne cherchera pas à fournir une « schémathèque » mais plutôt à dégager les propriétés essentielles des structures de base de manière à guider le choix du concepteur.
Nous étudierons, dans un deuxième temps, le comportement fréquentiel des structures amplificatrices (limitations de la bande passante, stabilité...).
Enfin, après avoir rappelé les notions fondamentales sur le bruit de fond, nous chercherons à caractériser les différents étages amplificateurs étudiés vis-à-vis du bruit et nous proposerons quelques solutions pour en minimiser l'effet.
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Stabilité3. Comportement fréquentiel des amplificateurs
Si on reste dans le cadre des amplificateurs faibles niveaux défini dans l’introduction, le comportement et les limitations d’un amplificateur vis-à-vis de la fréquence des signaux sont linéaires. Le gain de l’étage n’est pas constant vis-à-vis de la fréquence du signal à traiter et doit être caractérisé par une transmittance indépendante de l’amplitude des signaux. Après avoir rappelé l’origine et la modélisation des phénomènes affectant la bande passante des étages à transistors, nous en évaluerons les limitations fréquentielles et nous proposerons quelques solutions pour repousser ces limites. Nous envisagerons ensuite le cas des structures bouclées mettant en œuvre des amplificateurs opérationnels.
3.1 Origines et modélisation des phénomènes réactifs
Si on exclut le cas où le concepteur a associé volontairement la fonction filtrage à la fonction amplification (cas des amplificateurs sélectifs, présence de capacités de liaisons, de découplages...), les limitations des dispositifs électroniques vis-à-vis de la fréquence des signaux sont dues à la présence d’impédances réactives parasites qui sont associées aux composants utilisés et qui affectent la fréquence de coupure haute du système. Si on se restreint à un domaine de fréquence suffisamment faible (0 à 100 MHz environ) pour que les paramètres des composants actifs puissent être supposés constants et que l’effet des inductances parasites puisse être négligé, la limitation en fréquence provient essentiellement des capacités parasites associées aux composants actifs.
Pour un calcul à la main au premier ordre, le comportement des transistors peut être modélisé en faisant intervenir ces éléments parasites dans les schémas équivalents proposés aux figures 10 et 11.
Ainsi le modèle d’Ebers-Moll simplifié du transistor bipolaire pourra être complexifié (figure ...
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Comportement fréquentiel des amplificateurs
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ALDEBERT (P.) - Électronique analogique – structures de base - . Polycopié Supélec no 1135, 2000.
-
(2) - ALLEN (P.E.), HOLDBERG (D.R.) - CMOS Analog Circuit Design - . 693 p., éd. Holt, Rinehart & Winston, New York 1987.
-
(3) - BAKER (R.J.), LI (H.W.), BOYCE (D.E.) - CMOS Circuit Design, Layout and Simulation - . éd. IEEE Press 1999.
-
(4) - DATTEE (F.), VENOT (D.) - Les cours de l’École Supérieure d’Électricité – Électronique : concepts de base - . Collection de la Direction des Études et Recherches d’EDF, 522 p., éd. Eyrolles, Paris 1983.
-
(5) - FRANCO (S.) - Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits - . 668 p., éd. MacGraw-Hill, New York 1998.
-
(6) - GIRARD (M.) - Amplificateurs opérationnels - ....
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Théorie des circuits électriques linéaires
-
Diodes et transistors bipolaires discrets
-
Synthèse et réalisation des filtres actifs
-
Filtres à capacités commutées
-
Bruit de fond et mesures
-
Compatibilité électromagnétique
ANNEXES
1 Sites Web des principaux fabricants
La liste ci-après contient les adresses des sites Web des principaux fabricants d’amplificateurs opérationnels. On y trouvera les spécifications des différents produits, de nombreuses notes d’application décrivant leur mise en œuvre, des modèles utilisables avec des logiciels de simulation électrique (SPICE...).
HAUT DE PAGE
http://www.analog.com/techsupt/application_notes
http://www.analog.com/support/standard_linear/seminar_material/
HAUT DE PAGE
http://www.burr-brown.com/applications/
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