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Eclipse Lundi 3/10/05

TP-cours : Quadripôle Amplificateur de tension inverseur à émetteur commun.Mesures des paramètres du MET du quadripôle . Circuit linéaire et circuit non linéaire.

But : Quadripôle amplificateur de tension à émetteur commun. Comparaison avec les paramètres théoriques. Application à l’amplification d’antenne pour réception . Limites de linéarité.

Montage : Montage émetteur commun à émetteur découplé :RB = 1 MΩ ; Rc= 1 KΩ ; RE = 100Ω ; Ru = 1 KΩ ; f = 20 KHz ;

T : 2N2222A (NPN) ; U = 18 V; Cle = 100 µF ; Cls= 10 µF; Cd = 470µF

1:Emetteur 2: Base

3:Collecteur soudé au boitier

Modèle du transistor le plus simple adopté en première approximation.

re ~ 1K ; ~100 (constructeur)

re

E

ibB

E

. ibβC

ib, l'intensité de courant de base est la grandeur de commande du transitor bipolaire. Elle commande la source de courant de sortie : ic = β .ib

Caractéristique d’entrée du transistor NPN, Q2N2222 pour Vce = 0.1 V à Gauche et 5.1V à D.

Caractéristiques de sortie du transistor NPN (Q2N222)

Circuit permettant la simulation(DC SWEEP) et le tracé des caractéristiques d’entrée .Le « Seuil » de conduction de la jonction

base-émetteur augmente si V2=Vce augmente .

Circuit permettant le tracé (V1 de 0 à 5V-DC Sweep)des caractéristiques de sortie pour

ib=100µA,200µA,..,500µA.

Le constructeur donne pour le transistor NPN Bipolaire 2N2222 :

Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 21/09/09-TP-NPN-Ecom-ClinMET.odt-Djl-Page: 1 / 11

M

vs

GBF

~ve max=

f =

E

M

ve

CLe

RE Cd

E ie

Rb

Q

CLs

BC

T

Rc

is S

+18 V

Ru

Du+

+

+



1. PRÉPARATION ou Protocole Expérimental:Introduction :

Les consignes propres à tout TP concernant la sécurité et les méthodes de Travail, seront copiées/Collées en pages de garde du compte rendu , lues, appliquées et signées. Ces consignes peuvent être trouvées, entre autres sur le serveur

pédagogique dans le Répertoire « Ressources de la classe » à la rubrique Physique Appliquée . Il convient de se faire un document TP modèle qui aura ces consignes en introduction .

0/ Rappeler la définition d'un circuit linéaire , d'un composant linéaire, ainsi que la nature des signaux dans tout le circuit si l'excitation (signal d'entrée) est sinusoîdale.

Comment peut on vérifier si un circuit est linéaire à l'aide d'un oscilloscope et d'un GBF ?

De même avec un analyseur de spectre ?

Tracer le spectre d'amplitude d'un signal sinusoïdal et d'un signal carré .

MET d’un quadripôle linéaire .

Quadripôle linéaireie

ve

is

vs

ze

(eth)e

Zs

( eth)s

Modèle aux variations du transistor le plus simple adopté

en première approximation

re

E

ibB

E

. ibβC

1/ TRACER LE MODÈLE aux variations du montage(autour des points de repos (Vbe , Ib ;Vce , Ic ) permettant un fonctionnement linéaire sur les valeurs de ve utiles.Ceci en s’aidant du cours et du modèle aux variations du transistor, le plus simple, adopté en première approximation, ci-dessus .Les condensateurs de liaison Cle et Cls et de découplage Cd sont équivalents à des « court-circuits » aux fréquences utilisées.2/ CALCULER Ze = Re ; Zs = Rs ; (eth)e ; (eth)s ,en fonction des données du problème : Rc, Rb, Ru, Rgbf, RE , . Faire l’application numérique . 3/ RASSEMBLER LES VALEURS DANS UN TABLEAU (Tableur ...), afin de préparer la comparaison avec les valeurs Expérimentales .

Paramètre du MET

Théorique(calcul à partir du modèle) Expérimental (mesure)

Ze = Re ~ re (avec re << Rb) = 1,25 k ( Ic=10mA; constructeur) ½ tension:Rv=1,2 k

(eth)e 0 (Eth)e ~ 3 mV

Zs = Rs Rc = 1k Rs~1,153 K

(eth)s - ( β . Rc / re ) Ve = - 200 . ve ; ( avec = 200 , Rc = re = 1k ) (Eth)s ~ 173.Ve

(eth)s ~ - 173.ve




2. PROCÉDURE EXPÉRIMENTALE OU MESURES :

2.1.RÉGLAGE DU SYSTÈME EN RÉGIME LINÉAIRE ET VÉRIFICATION

ON AJUSTERA RB tq Ib ~ 55 µA (ajustement du point de fonctionnement ou de polarisation continue pour avoir UN FONCTIONNEMENT LINÉAIRE dans les conditions nominales ).

On choisira toujours le signal de sortie (ve) du générateur pour avoir un FONCTIONNEMENT LINÉAIRE .

SI LES SIGNAUX SONT TROP FAIBLES, EN PARTICULIER Ve, ON AJOUTERA ENTRE LE GBF ET LA BORNE E D'ENTRÉE Rcapt = 10 k . Rcapt pourra aussi servir à mesurer Ie .

À f = 20KHz , RELEVER ve et vs et leur spectres, EN RÉGIME NON LINÉAIRE à l’ oscilloscope à mémoire .

RÉGLER LE CIRCUIT EN RÉGIME LINÉAIRE EN AJUSTANT ve et Rb. À f = 20KHz , RELEVER ve et vs et leur spectres, EN RÉGIME LINÉAIRE à l’ oscilloscope à

mémoire. Vérifier que l’impédance des condensateurs est négligeable( en régime linéaire) . Préciser la

méthode .

2.2.EVALUATION DE (Eth)e :

M

ve

E

Q

Vvs

M

S

GBF ~

emax =

f

DgRsl

a/ On injecte un signal sinusoidal vsmax ~ 10 V et f ~ 1 KHz ( on limitera is par Rsl = 1 KΩ)

b/ Mesurer Ve au multimètre AC avec Ie = 0Vérifier ainsi que (Eth)e = Ve est négligeable . « PAS DE REACTION SORTIE SUR ENTRÉE POUR LES QUADRIPÔLES AMPLIFICATEURS CLASSIQUES ».

2.3.MESURE de Ze = Ve/ Ie :

2.3.1.MÉTHODE VOLTO-AMPÈREMÉTRIQUE :

ON MESURE Ve et Ie (par exemple, par relevé à la pince ampèremétrique E1 1V/A).

Si ie faible, cas ici, il faut ajouter Rcapt = 10kOhms en amont de Cle, augmenter eGBF , ce qui sortira ve des parasites .

ATTENTION :MAINTENIR LE CIRCUIT LINÉAIRE .

ON RELÈVE ALORS Rcapt . ie et ON EN DÉDUIT Ie .

LA PINCE AMPÈREMÉTRIQUE N'EST PAS UTILISABLE EN DESSOUS DE 10mA .




2.3.2.MESURE DE ZE = VE/ IE ; Méthode DITE DE LA ½ TENSION:

MÉTHODE DE SUBSTITUTION VALABLE UNIQUEMENT POUR DIPÔLE PASSIF :

MÉTHODE VALABLE SI RV ET Re >>RGBF , sinon vGBF et ve sont faibles et parasitées.

ON RÈGLE Rv JUSQU'À Ve ~ Vgbf / 2 ALORS Rv = Re ; ON RELÈVE Rv ET ON A Re

M M

S

Ru

Rgbf

egbf

vs

isie

vgbf

EgQ

G

M

Rv

ve

E

Re

Montage 1 :

eg ~

GénérateurRg

M

v(1)

Ze

i(1)E

Q

Montage 2 :

eg ~

GénérateurRg

M

E

Rsubst

v(2)

i(2)

AUTRE MÉTHODE DE SUBSTITUTION

ON CHOISIRA RG ~ Ze À MESURER

1/ relever V(1) lorsque le générateur est relié au dipôle passif.

2/ lorsque V(2) = V(1) alors Rsubst = Ze.Il suffit de lire Rsubst (boite à décade) ou de la mesurer à l’ohmmètre(potentiomètre) pour connaître Ze .Rq : La résistance du GBF est contenue dans Rg .Le générateur est réalisé par ajout d’une résistance Ra en série avec le GBF .

3/ Vérifier en visualisant l’image de ie (R1.ie) et veϕ ve/ie = 0 => Ze = Re .

2.4.MESURE DE (eth)s (R1,R2,ve) :

f

emax =

GBF ~

E

M

ve

Dg

Q

M

S

vsV

Du

(Eth)s(Veff)

Ve(Veff)

TRACER (Eth)s = f(Ve) et en déduire (eth)s = f (ve)




2.5.MESURE DE ZS = RS : MÉTHODE DE LA ½ TENSION

a/ ON MESURE Vs À VIDE : VsVIDE (Valeurs efficace)

b/ ON RÈGLE Rsubst JUSQU’À Vs = Vsvide / 2 , ALORS Rsubst = Rs .RÉGLER vemax à une VALEUR ASSEZ FAIBLE pour ne pas dépasser l’intensité maximale autorisée

(Ex: pour l’Aop ~ 20 mA (limiteur de Courant)) .GARDER LE CIRCUIT LINÉAIRE !!!

f

emax =

GBF ~

E

M

ve

Dg

Q

M

S

vsV

Rsubst

Autre Méthode de substitution , lorsque Rs est très faible :

Lorque Vs = Vg / 2 alors Rs = Rv que l’on relève sur la boite à décade .Si Rs est trop faible,on ne peut atteindre la demi tension et on doit conclure que Rs < Rv.

E XPLIQUER pourquoi à vide vs = (eth)s est en opposition de phase avec ve .

Vérifier qu’en charge ce déphasage n’est pas modifié.

En déduire que Zs = Rs .

EXPLOITATION:

1. Calculer le coefficient d'amplification en tension du montage AvEXP = Vs / Ve ;

Comparer avec le résultat théorique AvTHEO. Donner une idée de la précision sous forme : ValeurMesurée +/- Erreur .

2. Faire un tableau des grandeurs expérimentales, Théoriques et des écarts relatifs .

3. Avec le relevé du spectre du paragraphe RÉGLAGE DU SYSTÈME EN RÉGIME LINÉAIRE ET VÉRIFICATION ,

et les spectres et signaux simulés dans 2-ÉLÉMENTS DE CORRECTION, MONTRER QUE LE FONCTIONNEMENT EST LINÉAIRE.

Au cas où vous ne parviendriez pas à obtenir les signaux demandés ( problème de montage....) , vous exploiterez les signaux simulés ou relevés ci-dessous .

Veuillez lire le texte, signaler les éventuelles erreurs ou imprécisions:

CONCLUSION EN FONCTION DU BUT : MET valable ? , limites de linéarité ?




ÉLÉMENTS DE CORRECTION :RELEVÉS DU GROUPE FABRICE/FERDINAND




ÉLÉMENTS DE CORRECTION :RELEVÉS DU GROUPE FABRICE/FERDINAND (MÊME ve)

ÉLÉMENTS DE CORRECTION RELEVÉS PAR LE GROUPE D'ÉLÈVES ÉMILIE/ DAVID

Calcule de Ze =Ve / Ie:Ie = 187,2e-3 / 1e4 = 18,72µA (calcul fait avec la loi d'Ohm aux bornes de la resistance ajoutée)Ve = 28,6 mVZe= 18,72 e-6 / 28,6 e-3 = 1,5 KΩ




ÉLÉMENTS DE CORRECTION: RELEVÉS DU GROUPE ÉMILIE/ DAVID(SUITE)

MESURE DE (Eth)s = f(Ve) :

Pente = 173 (calculé à l'aide d'open office)

VE (mV) VS (V)4,400 0,7406,500 1,279

11,200 1,99613,600 2,40415,000 2,645

0 ,0 0 0 10 ,0 0 0 20 ,0 0 0

0 ,0 0 0

0 ,50 0

1,0 0 0

1,50 0

2,0 0 0

2,50 0

3,0 0 0

(Eth)s = f (Ve)

Co lo nne B

Ve (mV)

(Eth

)s (

V)

DETERMINATION DE RS : MESURE DE RE

Paramètre du MET Théorique (calcul à partir du modèle) Expérimental (mesure)

ZE = Re ~Re (avec re << Rb) = 1,25 Kohms pour ib = 55µA 855 ohms

(Eth)e 0 0,003V

Zs = Rs Rc = 1kohms 1,153 kOhms

(Eth)s -(β.Rc/re)Ve = -200.ve (avec β = 200, Rc = re =1Kohms) (eth)s ~ -173.veEN CONCLUSION, le MET est valable car en fonctionnement linéaire, le coefficient d'amplification est d'environ 200 ce qui implique qu'il existe des limites de linéarité. Au dessus d'une intensité Ic de 18mA, l'amplificateur sature et en dessous de Ib=55µ , le transistor est bloqué.




1. ÉLÉMENTS DE CORRECTION

Simulation :

Point de fonctionnement du transistor pour RB = 200KΩ et paramètres du modèle utilisé :MODEL Q2N2222A IB 6.20E-05 ; VBE 7.09E-01 IC 1.15E-02 ;VCE 5.34E+00 VBC -4.63E+00 ;BETADC 1.86E+02 GM 4.29E-01 ;RPI 4.48E+02 RX 1.00E+01 ;RO 6.83E+03 CBE 2.15E-10 ;CBC 3.73E-12 CBX 0.00E+00 ;CJS 0.00E+00 BETAAC 1.92E+02 ;FT 3.13E+08

Avec CL1 = 1µF ; CL2 = 1µF ; Cd = 470µF

Avec CL1= 1µF ;CL2=1µF ; Cd = 470µF Avec CL1 = 1µF ; CL2 = 1µF ;Cd = 470µF


Paramètres du modèle du transistor utilisé par le logiciel PSPICE(Fichier Output ):

BJT MODEL PARAMETERS Q2N2222A :NPN IS 14.340000E-15 : BF 255.9 NF 1 : VAF 74.03 : IKF .2847 ISE 14.340000E-15:NE 1.307:BR 6.092 NR 1 : RB 10 : RBM 10 : RC 1 CJE 22.010000E-12 :MJE .377 CJC 7.306000E-12 :MJC .3416 TF 411.100000E-12 :XTF 3 :VTF 1.7 ITF .6 :TR 46.910000E-09 :XTB 1.5 BF : β maximal, RB : résistance entre base et jonction

Numérotation des nœuds utilisé par PSPICEQ1(c=$N_0001 b=$N_0004 e=$N_0002 )Point de fonctionnement du transistor(saturé) pour RB = 100K Ω et paramètres du modèle utilisé : MODEL Q2N2222A IB 1.33E-04 IC 1.62E-02 ;VBE 7.21E-01 VBC 5.93E-01 :VCE 1.28E-01 BETADC1.22E+02 :GM 5.96E-01 RPI 2.93E+02 :RX 1.00E+01 RO 1.14E+02 :CBE 2.89E-10 CBC4.38E-10 :CBX 0.00E+00 CJS 0.00E+00 :BETAAC 1.75E+02 FT 1.31E+08



2. ÉLÉMENTS DE CORRECTION ; Simulation( suite) : Avec CL1= 100µF ;CL2=10µF ;Cd=470µF-Saturation Avec CL1= 100µF ;CL2=10µF ; Cd=470µF - Fonctionnement

linéaire

Avec CL1= 100µF ;CL2=10µF ;Cd=470µF-Saturation Avec CL1= 100µF ;CL2=10µF ;Cd=470µF-Fonctionnement linéaire

Saturation

Le Spectre d’amplitude de vs fait apparaître des harmoniques nouveaux. L’ Harmonique 2 est fort, il apparaît en plus les harmoniques 3,4,5…à 60KHz,80KGz,100KHz… et une composante continue .


Fonctionnement quasi linéaire .

Le Spectre d’amplitude de vs ne fait pas apparaître d’harmoniques nouveaux. L’Harmonique 2 à 40Khz est relativement faible.



3. ÉLÉMENTS DE CORRECTION: Simulation OREGANO (logiciel libre: Licence GPL)http://arrakis.gforge.lug.fi.uba.ar/


http://arrakis.gforge.lug.fi.uba.ar/

Documents

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