Les circuits                           

Les amplificateurs

L’énergie captée par une antenne est excessivement faible. L’énergie nécessaire pour faire fonctionner un haut parleur est plus importante. C’est pourquoi dés les premiers temps de la radio on s’est préoccuper d’amplifier des signaux. L’avènement de la triode (1907) puis celui du transistor (1949) ont été les aubaines de la radio et de l’électronique, car ces deux éléments sont les piliers de l’amplification. L’amplification est probablement la plus importante des fonctions électroniques. Mais on ne peut pas amplifier de façon infinie, sinon on risque l’auto oscillation, on doit prendre des précautions de façons à ne pas déformer le signal (c’est le problème de la distorsion). On doit aussi veiller à ce qu’il n’y a pas plus de souffle sur le signal (c’est le problème du bruit propre à chaque amplificateur et celui du facteur de bruit qui en découle).

Principe de l’amplification

Principe de l’amplification avec un transistor bipolaire

Soit le montage à transistor de la figure ci-contre qui a pour but de tracer les courbes caractéristiques. On peut tout d’abord tracer les caractéristiques IC (VCE) . On garde IB constant et on fait varier VCE (en faisant varier VCC par exemple) et on relève la courbe IC (VCE). Puis on fait la même chose pour une autre valeur de IB. On obtient ainsi un réseau de courbes. On peut aussi tracer la caractéristique IB(VBE) . Notons que cette caractéristique ressemble à celle d’une diode.
La troisième courbe dont nous avons besoin est IC (IB). Cette courbe fait apparaître le rapport IC / IB que l’on appelle amplification en courant et qui est représenté par  ou par hFE. Remarquez qu’il ne s’agit pas d’une droite !
Ordre de grandeur :
• pour les transistors pour les petits signaux 100 <  < 500
• pour les transistors de puissance 10 <  < 50
• pour les transistors Darlington 500 <  < 30000
Ce montage nous a permis de relever les courbes caractéristiques du transistor. Ces courbes se trouvent par ailleurs dans les « data sheet » fournis par les fabricants. Modifions à présent le montage pour nous approcher d’un vrai montage amplificateur. Tout d’abord on va mettre une résistance dans le collecteur. Pour étudier le nouveau montage, on va tracer sur les courbes caractéristiques une droite supplémentaire appelée droite de charge. Une droite de charge n’est rien d’autre que l’expression la loi des mailles de Kirchoff : VCE = VCC + Rc IC .
Pour tracer la droite de charge, on prend deux points particuliers :
si Ic = 0 , alors VCE = VCC , soit VCC = 10 V
si VCE = 0 , alors IC = VCC / RC , si RC = 1 kΩ , alors IC = 10 mA
Le point de fonctionnement (P) du transistor se trouve toujours sur cette droite de charge. Le point de fonctionnement ne peut faire qu’une seule chose : voyager sur la droite de charge ! Lorsqu’il n’y a pas de signal d’entrée, le point de fonctionnement est appelé point de repos. Si l’on veut une amplification linéaire et une tension de sortie maximale, on a intérêt à placer le point de repos approximativement au milieu de cette droite. Si on applique sur la base un signal sinusoïdal de 60 mV crête soit 120 mV crête à crête. La tension de base va varier de 0,2 V ± 0,6 V soit entre 0,14 et 0,26V. Le courant dans la base varier de 35 µA à 215 µA. Ce courant va produire des variations du courant de collecteur de 1,1 à 6,5 mA qui à son tour va produire une variation de V_CE de 4 à 8,8 V soit une amplitude de 4,8 V. A l’entrée il y avait 0,12 V, ce montage est donc un montage amplificateur donc le gain (en tension) est de 40 x  (4,8 / 0,12).Notez que,

• si la tension d’entrée augmente, la tension de sortie diminue. Ce montage inverse donc la phase du signal.
• l’asymétrie entre les deux alternances

Mais le montage est encore incomplet et nous devrons y apporter quelques modifications pour pouvoir l’utiliser en pratique. On devra aussi prévoir la polarisation du transistor c.-à-d. le moyen de fixer le point de repos. Tout cela sera détaillé dans un autre paragraphe, il était important de comprendre « le principe de l’amplification » expliqué sur les  courbes caractéristiques.

Principe de l’amplification avec un transistor FET

Ici aussi la première chose est de retrouver les courbes caractéristiques du transistor FET. Soit donc un transistor FET (un J-FET dans ce cas) alimenté comme ci-contre. Le courant de gâchette est extrêmement faible (de l’ordre de 1 nA)  et nous n’allons pas le mesurer. Remarquons aussi que, contrairement au transistor bipolaire, la gâchette est polarisée par une tension négative. Traçons la courbe I_D (V_DS). On garde V_GS constant et on fait varier V_DS (en faisant varier V_CC par exemple) et on relève la courbe I_D (V_DS).  Cette courbe ressemble à la courbe I_C (V_CE) d’un transistor bipolaire. Ce qui est fondamentalement différent c’est que dans un transistor bipolaire on fait varier le courant de base I_b, tandis que dans un FET on fait varier la tension entre gâchette et source !D’une façon simplifiée on pourrait dire que le transistor bipolaire est commandé en courant, alors qu’un transistor FET est commandé en tension ! Comme il n’y a presque pas de courant de gâchette, l’impédance d’entrée est très grande.

 Principe de l’amplification avec un tube

Ici aussi la première chose est de retrouver les courbes caractéristiques du montage à tube. Soit donc une triode montée comme dans la figure ci-contre. On peut tout d’abord tracer les caractéristiques I_a (V_a). On garde I_B constant et on fait varier V_a (en faisant varier V_b par exemple) et on relève la courbe I_a (V_a). Puis on fait la même chose pour une autre valeur de V_g. On obtient ainsi un réseau de courbes. On peut aussi tracer la caractéristique V_g (I_a). Le rapport I_a / V_g s’appelle pente du tube et est représenté par s .La dernière courbe est appelée droite de charge, elle représente la loi des mailles de Kirchoff : V_a = V_b + R_a I_a . Pour la tracer, on prend deux points particuliers :si I_a = 0 , alors  V_a = V_{b ———–}si V_a = 0 , alors I_a = V_b / R_{a .}Le point de fonctionnement (P) du tube se trouve toujours sur cette droite de charge. Lorsqu’il n’y a pas de signal d’entrée, le point de fonctionnement est appelé point de repos. Si l’on veut une amplification linéaire et une tension de sortie maximale, on a intérêt à placer le point de repos approximativement au milieu de cette droite. Dans notre cas particulier avec V_b = 250 V et R_a = 25 kΩ, nous avons fixé le point de repos pour V_a = 178 V, nous aurons un courant d’anode I_a = 3,5 mA.A partir de ces courbes, nous pouvons expliquer le principe de l’amplification. Si on applique sur la grille un signal sinusoïdal de 8 V crête à crête. La tension de grille faire varier le courant d’anode de 1,35 à 6,1 mA qui à son tour va produire une variation de V_a de 126 à 216 V soit une amplitude de 90 V. A l’entrée il y avait 8 V, ce montage est donc un montage amplificateur donc le gain (en tension) est de 11 x  (90 / 8).Notez que si la tension d’entrée augmente, la tension de sortie diminue. Ce montage inverse donc la phase du signal. l’asymétrie entre les deux alternances .Mais le montage est encore incomplet et nous devrons y apporter quelques modifications pour pouvoir l’utiliser en pratique.