Des transistors - Partie 7 : cascade de structures

Combinons les blocs fonctionnels connus pour construire un amplificateur à gain élevé !

Aujourd'hui on va concevoir un amplificateur de tension à très fort gain ! Pour cela, on va réutiliser les structures qu'on a vu précédemment.

Fondamentalement, chacune des structures déjà étudiées a soit une entrée en courant ou en tension, idem pour la sortie.  Chaque structure a sa propre relation entrée-sortie qui peut se mettre sous la forme : OUT = f(IN). En fait, ce sont des sources de courant ou de tension, commandées en courant ou en tension. Ca semble assez logique jusqu'ici non ? Il y a juste deux ou trois choses à garder en tête. On veut en général avoir les meilleurs circuits possibles, c'est-à-dire avoir le moins de pertes lorsqu'on place ces structures les unes derrière les autres.

Un générateur de tension se représente sous la forme d'une source de tension idéale, avec une résistance série en sortie - son impédance de sortie. Pour avoir le moins de perte possible, et donc ne jamais dissiper dans cette résistance, sa valeur doit être zéro. Quand on applique une tension à un circuit, on n'a aucune perte lorsque son impédance d'entrée est infinie. Dans tous les autres cas, les impédances de sortie du générateur et d'entrée du circuit suivant provoquent une perte de tension à cause du pont diviseur qu'elles forment. La tension diminue alors d'un facteur Zin/(Zout+Zin).

La même chose se produit pour le courant ! Un générateur de courant est une source de courant idéale avec une résistance parallèle, qui est aussi son impédance de sortie. On souhaite avoir un maximum de courant dans le circuit qui le suit, on a donc besoin d'une impédance de sortie infinie cette fois-ci. Cependant, lorsqu'on alimente un circuit en courant, on veut qu'il puisse en absorber le maximum possible, il lui faut donc une impédance d'entrée nulle. Dans tous les autres cas, on aura alors un pont diviseur de courant, et le courant diminuera d'un facteur Zout/(Zin+Zout). En fait, c'est exactement l'inverse de la tension !

Toutes les structures vues précédemment peuvent être classées en quatre catégories, en fonction des grandeurs d'entrée et de sortie. Ce sont des Sources de Courant/Tension Commandées en Courant/Tension. On trouvera dans la littérature des termes comme CCVS, VCVS, etc... Qui signifie en anglais "Current Controlled Voltage Source", "Voltage Controlled Voltage Source", etc... Bref, ce sont ce qu'on appelle des sources commandées. On peut identifier les propriétés de ces sources commandées idéales dans le tableau suivant. On aimerait en général que tous nos circuits respectent cela, ou au moins s'en rapproche un maximum !

Il est maintenant assez rapide d'utiliser les circuits connus. Un amplificateur à transistor en montage émetteur commun, c'est juste un amplificateur à transconductance avec une charge en sortie pour convertir les variations de courant en variation de tension, ce qui donne globalement un amplificateur de tension. On peut aussi cascader un amplificateur à transconductance avec un amplificateur de courant pour avoir plus de gain, ou alors deux amplificateurs de tension. Ces circuits sont alors arrangés en association compatible : la sortie de chaque structure est aussi la grandeur d'entrée du circuit suivant. Tous les autres arrangements sont appelés associations incompatibles. Heureusement cela ne veut pas dire que le circuit ne marche pas, en fait ça peut même donner des gains extrêmement élevés ! Examinons le circuit suivant pour le démontrer.

 On souhaite avoir un amplificateur de tension à gain élevé et avec une entrée différentielle. Pour s'occuper de l'entrée différentielle, on peut par exemple utiliser notre meilleure version de la paire différentielle vue dans la partie 6 de ce cours, qui est un amplificateur à transconductance de gain gm. Cependant, on a aussi vu qu'on peut la faire suivre d'un amplificateur en émetteur commun pour faire bondir le gain, car le courant qui sort de la paire différentielle se change en tension en passant dans l'impédance d'entrée (hfe+1)*rd de l'émetteur commun et dans la résistance d'Early r0a. On a facilement un gain d'un millier ! Qu'on peut encore améliorer en utilisant une charge active pour notre émetteur commun, dont le gain deviendra alors égal au rapport de la résistance d'Early r0b de la charge active et de la résistance dynamique rd. Le dernier étage de gain est un amplificateur en classe B, qui réduit l'impédance de sortie proche de zéro. Cet étage est utile si on souhaite placer de faibles charges après notre amplificateur. Les diodes permettent de polariser les transistors de sortie, et le condensateur est ici pour stabiliser le montage. C'est un condensateur de compensation, et sa valeur n'a pas besoin d'être élevée puisque l'Effet Miller l'augmente déjà énormément ! Sans lui, notre circuit oscillerait très certainement, et sa présence est nécessaire à cause du grand gain de notre circuit, même si il diminue drastiquement la bande passante de celui-ci à une dizaine de Hertz. Le gain de notre circuit est tellement élevé maintenant qu'il peut attendre 100 000, soit 100dB, et on peut encore énormément l'augmenter !

Voilà la fin de notre exploration des transistors bipolaires... Nous sommes parties des structures les plus simples pour arriver à ce monstre d'amplification. C'est en fait la base d'un amplificateur opérationnel : entrée différentielle, fort gain, faible bande passante, une impédance d'entrée proche de l'infini et une impédance de sortie proche de zéro. C'est presque l'amplificateur de tension parfait finalement, et ce type de circuit est utilisé absolument partout de puis son invention. Le schéma présenté de cet article ne fonctionnera certainement pas très bien si on le monte comme ça sur une plaque de prototypage, mais il vous donnera une bonne idée de comment un ampli opérationnel fonctionne à l'intérieur. Ce sera d'ailleurs une prochaine série !

Merci beaucoup d'avoir lu jusqu'ici, n'hésitez pas à poser vos questions en commentaires !