Des transistors - Partie 6 : structures avancées

Miroir de courant, cascode et paire différentielle !

Salut tout le monde ! Bienvenue dans un nouvel épisodes des Transistors ! Aujourd'hui, nous allons voir les structures cascode, miroir de courant et paire différentielle.

Le premier circuit que je voudrais étudier avec vous est l'amplificateur cascode, car il introduit les notions de bande passante d'un amplificateur et de charge active. Un amplificateur n'amplifie pas toutes les fréquences de la même façon, on l'a déjà vu lors du chapitre précédent en concevant notre treble booster. A cause des capacités parasites Cbc et Cbe (voir partie 4), un amplificateur en émetteur commun ne peut amplifier au maximum que jusqu'à une certaine fréquence, après laquelle son gain diminue. En fait, c'est un simple circuit RC, un filtre passe-bas dont R est la charge de l'amplificateur. Or, à cause de l'effet Miller, la capacité Cbc est multipliée par le gain de l'amplificateur ! Cet effet augmente cette capacité de quelques picofarads à plusieurs centaines ! Si on a une capacité C connectée entre la sortie et l'entrée d'un amplificateur de tension de gain Av, la capacité apparente depuis l'entrée est C*(Av+1). On voit maintenant pourquoi un amplificateur avec un fort gain peut vite être limité en hautes fréquences ! Il y a bien sûr des solutions pour contrer cet effet : on peut toujours séparer l'amplification entre plusieurs étages, mais il faudra alors plus de composants et on obtiendrait bien plus de bruit. L'autre solution est de réduire la charge vu par l'amplificateur. On veut diminuer notre R, et le circuit cascode est parfait pour cela !

En fait c'est même mieux : le circuit cascode est composé d'une structure base commune utilisée comme charge active d'un émetteur commun. Pourquoi est-ce que cela diminue l'effet Miller ? Souvenons-nous des modèles de notre transistor bipolaire : la seule charge vue en signaux alternatifs par notre émetteur commun est la résistance dynamique rd du transistor en base commune. Qui est bien en-dessous du kiloohms. On peut alors avoir une charge bien plus élevée tout en maintenant une grande bande passante. Cette configuration n'est pas tellement utile tel quel en audio, car notre bande passante y est assez faible - de 20Hz  à 20kHz. En revanche, c'est extrêmement dans les amplificateurs radiofréquences, et existait bien avant les transistors. Et oui, le circuit cascode fonctionne de la même façon pour les lampes, et pour les transistors FET ! L'image suivante montre un amplificateur cascode et son schéma équivalent pour les petits signaux. Le gain de ce circuit est le même que pour l'émetteur commun, mais avec une bien plus grande bande passante en étant immunisé à l'effet Miller. dVout = gm*Load*dVin.

 Parlons d'un autre circuit très utilisé en électronique : le miroir de courant. Une structure avancée qui permet de copier-coller un courant là où on en a besoin ! Elle utilise deux transistors qui en théorie devraient être parfaitement identiques pour bien fonctionner. Le circuit est relativement simple. Puisqu'un transistor est un composant actif commandé par sa tension base-émetteur, relier deux transistors identiques par leur base permettra de contrôler le courant qui passe dans les deux simultanément. Et ça marche pas mal en pratique ! On sait qu'en tension continue, Vbe est environ égale à Vd, donc le courant qui traverse notre résistance R est I = (VCC-Vd)/R, et c'est le même pour les deux transistors. L'image donne à la fois les montages NPN et PNP pour ce circuit. La version NPN est parfois appelée puits de courant alors que la version PNP est appelée source de courant. On peut aussi mettre d'autres transistors en parallèle pour contrôler le courant passant dans toutes les branches. Attention cependant, on sait que les transistors bipolaires laissent passer un petit peu de courant dans leur base, même si on ne prend pas souvent cela en compte ! Plusieurs transistors en parallèle feraient décroitre le courant et la tension à leur base.

 Le dernier circuit que je souhaiterais aborder est la paire différentielle. C'est un type particulier d'amplificateur, dit différentiel, car il amplifie la différence de tension entre ses deux entrées. En connectant l'une d'elle à la masse, on peut amplifier un simple signal, et on peut aussi choisir d'utiliser une ou deux sorties opposées l'une de l'autre. Si V1 est plus grand que V2, alors le courant augmente dans Q1. Comme on veut que le courant à la résistance d'émetteur reste constant, cela signifie que le courant dans Q2 diminue dans les mêmes proportions. Alors, la tension à VC2 est plus grande que celle à VC1. Cette structure est en fait une configuration double émetteurs communs, et est aussi inverseuse. On peut montré avec un peu de maths que dVC1 - dVC2 = gm*R*(dV1 - dV2), avec gm négative et R la résistance aux collecteurs. En pratique, le courant dans la résistance d'émetteur varie avec la tension, le circuit n'est pas aussi stable que voulu. La solution à ce problème est une charge active. Mettons un transistor NPN à la place de notre résistance et polarisons-le pour qu'il garde le même courant (circuit 2). Cette fois-ci, le courant varie beaucoup moins !

 La dernière variation est peut-être intriguante et je n'ai jamais trouvé de sites web qui expliquait vraiment comment elle fonctionnait. C'est d'autant plus étonnant qu'il s'agit du bloc de base pour les amplificateurs opérationnels, et il y a juste bien trop de circuits qui l'utilisent pour que je n'en parle pas. Pour cette version, on veut vraiment le même courant dans chaque branche de la paire pour avoir une symétrie parfaite en fonctionnement. Ainsi, on améliore considérablement le taux de réjection en mode commun. Ce nombre au nom bizarre correspond juste à l'aptitude de notre circuit d'amplifier parfaitement la différence des tensions sans leur moyenne. Si le courant dans les deux branches n'est pas le même, la sortie aura aussi un petit peu de la somme des deux entrées au lieu de n'avoir que la différence : VOUT = Adiff*VDIFF + Asum*VSUM. Bien entendu, on veut que le gain différentiel Adiff soit le plus élevé possible et le gain en mode commun Asum le plus faible possible pour avoir un circuit idéal. Le taux de réjection en mode commun est le rapport CMRR = Adiff/Asum. Pour obtenir cette égalité de courant, la solution se trouve dans l'article même : le miroir de courant ! De cette façon, impossible de faire varier le courant qui parcourt les deux branches. Mais alors, quand on applique une différence de tension aux entrées, où vont les variations de courant ? Et bien, en fait, dans la charge ! On a construit un amplificateur différentiel à transconductance, qui sort un courant pour une différence de tension d'entrée. Croyez-moi, c'est vraiment super pratique, car il ne reste plus qu'une seule question à poser désormais. Que se passe-t-il si on met un amplificateur de tension juste après ce circuit ? En théorie, comme l'impédance d'entrée de l'amplificateur de tension est infinie, on devrait avoir... Un gain infini aussi ! En pratique, le facteur limitant pour ce gain est la résistance d'Early du miroir de courant. Le gain en tension de ce circuit est alors Adiff = gm*(r0//Zin) avec Zin l'impédance d'entrée du circuit suivant.

Et voilà, c'est tout -et beaucoup - pour cet article. Prenez votre temps pour bien tout lire, poser des questions en commentaire ou revenir ici plus tard si vous n'avez pas tout compris d'une traite ! A bientôt !