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Par Doug Mercer, consultant, et Antoniu Miclaus, ingénieur d’applications systèmes

Objectif

L’objectif de cette activité est d’étudier la configuration en source commune d’un transistor MOS.

Contexte

L’amplificateur en source commune est l’une des trois topologies d’amplification à un étage les plus courantes. La version MOS fonctionne comme un amplificateur de tension inverseur. La borne de la grille du transistor sert d’entrée, et le drain de sortie, la source étant commune à l’entrée et à la sortie (elle peut être liée à la référence à la masse ou au rail d’alimentation), d’où l’utilisation de l’adjectif « commune ».

Composants utilisés

• module d’apprentissage actif ADALM2000
• montage d’essai sans soudure
• cinq résistances
• un potentiomètre à résistance variable 50 k?
• un transistor NMOS petits signaux (ZVN2110A)

Instructions

La configuration illustrée en figure 1 représente le transistor NMOS utilisé en tant qu’amplificateur en source commune. La résistance de charge de sortie RL est choisie de telle sorte que, pour le courant de drain nominal ID souhaité, la tension apparaissant au niveau du détecteur de tension VDS soit approximativement située au point médian entre la tension d’alimentation positive VP (+5 V) et la tension d’alimentation négative VN (-5 V). La résistance ajustable RPOT fixe le point de polarisation nominale du transistor (VGS) pour définir le courant de drain ID requis. Le diviseur de tension R1/R2 est choisi pour atténuer de façon suffisante le stimulus d’entrée du générateur de formes d’onde W1, de telle sorte que l’amplitude de W1 soit approximativement équivalente à l’amplitude du signal observée au niveau du détecteur de tension VDS. Cette configuration permet de visualiser plus facilement le signal émis par le générateur de formes d’onde W1, compte tenu de la relative faiblesse du signal qui apparaîtra à la grille du transistor, VGS. Le signal W1 affaibli est couplé en courant alternatif dans la grille du transistor avec un condensateur C1 à 4,7 ?F afin de ne pas perturber la polarisation en courant continu.

Figure 1 — Configuration de test de l’amplificateur en source commune

Configuration matérielle

Le générateur de formes d’onde W1 doit être configuré pour une onde sinusoïdale de 1 kHz avec une amplitude de 3 V crête à crête et un décalage de 0 V. Le montage doit être configuré en connectant le canal 1+ de l’oscilloscope pour afficher la sortie W1. Le canal 2 de l’oscilloscope (2+) est utilisé pour mesurer alternativement la forme d’onde au niveau de la grille et du drain de M1.

Figure 2 — Montage d’essai à diodes NMOS

Procédure

Branchez les alimentations connectées au drain (VP = +5 V) et à la source (VN = -5 V) du transistor MOS.
Configurez l’oscilloscope pour capturer plusieurs périodes du signal d’entrée (trace orange) et du signal de sortie (trace violette).
Un exemple de trace est présenté à la figure 3.

Figure 3. Courbe du circuit de test d’un amplificateur en source commune réalisé avec le logiciel d’application graphique Scopy

Le gain de tension (A) de l’amplificateur en source commune peut être exprimé comme le rapport entre la résistance de charge RL et la résistance de source en petits signaux rs. La transconductance (gm) du transistor est fonction du courant de drain ID et de la tension de dépassement de grille, VGS-Vth, où Vth est la tension de seuil.

La résistance de source en petits signaux est de 1/gm, et peut être considérée comme montée en série avec la source. Un signal étant à présent appliqué à la grille, le même courant traverse la résistance rs et la charge du drain RL. Ainsi, le gain A est obtenu par la formule par RL × gm.

Ajout de la dégénérescence de la source

Les amplificateurs en source commune fournissent à l’amplificateur une sortie inverseuse ; ils peuvent afficher un gain très élevé et varier sensiblement d’un transistor à l’autre. Le gain est étroitement lié à la température et au courant de polarisation, de sorte que le gain réel est quelque peu imprévisible. La stabilité est un autre problème inhérent aux circuits à gain élevé en raison de la présence éventuelle d’une contre-réaction positive non intentionnelle. Parmi les autres problèmes associés au circuit figurent la faible dynamique d’entrée imposée par la limite en petits signaux ; une forte distorsion apparaît si cette limite est franchie et que le transistor cesse de se comporter comme son modèle en petits signaux. Lorsqu’une contre-réaction négative est introduite, ces problèmes diminuent dans une large mesure tandis que les performances augmentent. Il existe plusieurs façons d’introduire une contre-réaction dans cet étage d’amplification unique, la plus simple et la plus fiable étant d’introduire une résistance de faible valeur dans le circuit source (RS). C’est ce que l’on appelle également la « contre-réaction série ». Son importance varie en fonction de la baisse du niveau de signal relatif aux bornes de cette résistance.

L’équation permettant de calculer le gain de dégénérescence de la source est la suivante :

Composants supplémentaires

• un potentiomètre à résistance variable 5 k?

Instructions

Déconnectez la source de M1 de la terre et insérez RS, un potentiomètre à 5 k?, comme l’indique la figure 4. Réglez RS tout en notant le signal de sortie observé au niveau du drain du transistor. Le gain du circuit peut être ajusté en modifiant la valeur du potentiomètre RS.

Figure 4. Ajout de la dégénérescence de la source.

Configuration matérielle

Le générateur de formes d’onde W1 doit être configuré pour une onde sinusoïdale de 1 kHz avec une amplitude de 3 V crête à crête et un décalage de 0 V. Le montage doit être configuré en connectant le canal 1+ de l’oscilloscope pour afficher la sortie W1. Le canal 2 de l’oscilloscope (2+) est utilisé pour mesurer alternativement la forme d’onde au niveau de la grille et du drain de M1.

Procédure

Branchez les alimentations connectées au drain (VP = 5 V).

Configurez l’oscilloscope pour capturer plusieurs périodes du signal d’entrée (trace orange) et du signal de sortie (trace violette).
Un exemple de trace est présenté à la figure 6.

Figure 6 — Dégénérescence de la source ajoutée (courbe sur le logiciel Scopy).

Augmenter le gain en courant alternatif d’un amplificateur à source dégénérée

L’ajout de la résistance à source dégénérée améliore la stabilité du point de fonctionnement en courant continu au prix d’une baisse du gain de l’amplificateur. Il est possible, dans une certaine mesure, d’élever le gain des signaux en courant alternatif en ajoutant le condensateur C2 aux bornes de la résistance de dégénérescence RS, comme le montre la figure 7.

Figure 7 — L’ajout du condensateur C2 augmente le gain en courant alternatif.

Configuration matérielle

Le générateur de formes d’onde W1 doit être configuré pour une onde sinusoïdale de 1 kHz avec une amplitude de 3 V crête à crête et un décalage de 0 V. Le montage doit être configuré en connectant le canal 1+ de l’oscilloscope pour afficher la sortie W1. Le canal 2 de l’oscilloscope (2+) est utilisé pour mesurer alternativement la forme d’onde au niveau de la grille et du drain de M1.

Figure 8 — Connexion du montage d’essai après avoir ajouté le condensateur C2.

Procédure

Branchez les alimentations connectées au drain (VP = 5 V).

Configurez l’oscilloscope pour capturer plusieurs périodes du signal d’entrée (trace orange) et du signal de sortie (trace violette).
Un exemple de trace est présenté à la figure 9.

Figure 9 — Le condensateur C2 a été ajouté (courbe sur le logiciel Scopy)

Questions

• Comment l’ajout d’une contre-réaction négative contribue-t-il à stabiliser le point de fonctionnement en courant continu ?
• En ce qui concerne le montage du circuit de source dégénérée, quel est l’effet de l’augmentation de la résistance RS sur le gain de tension (A) ?

Pour trouver les réponses, rendez-vous sur le blog StudentZone: https://ez.analog.com/studentzone

Source: com-trail.fr