Differentiel

ISSLg - Cours d'électronique - Électronique (ELO)
Les transistors bipolaires - le montage différentiel

Navigation> electronique/elo/transistors/differentiel

Principe : on polarise deux transistors identiques reliés par leur émetteur, le signal d'entrée est appliqué entre les deux bases et le signal de sortie est mesuré entre les deux collecteurs. Ce montage permet de supprimer les condensateurs de découplage d'entrée ou d'avoir une tension d'entrée décalée par rapport au 0V (faire la différence entre deux tensions).

Condition de fonctionnement :
       Les signaux d'entrées V+ et V- doivent être proches l'un de l'autre sinon le montage devient non-linéaire (distorsion du signal), ils sont aussi proches de Vr (0V).
     Pour des transistors au Silicium : -25mV < V+ < 25mV     &     -25mV < V- < 25mV
Le signal amplifié (Vin) est la différence des deux signaux d'entrées (V+ et V-), c-à-d la différence de tension entre les deux bases :
       Vin = V+ - V- = Vb1r - Vb2r = Vb1b2
    Pour des transistors au Silicium : -50mV < Vin < 50mV
Le signal de sortie est la différence de chute de tension sur les résistances de collecteur Rc, c-à-d la différence de tension entre les deux collecteurs :
     Vout = Vc2r - Vc1r = Vc2c1.

Montage avec des NPN :

Polarisation :
Ve = -0.7V (car V+ et V- sont petits et proches de 0V).
La résistance Re est traversée par le courant de polarisation Ip :
        Ip = (Vcc - 0.7V) / Re
Si Vin=0V, les transistors se partagent entre eux ce courant :
        Ic = Ip / 2 = Ic1 = Ic2
Remarquons qu'un courant de base des transistors (bias current) est nécessaire pour leur polarisation :
        Iin = Ic / β
Comme les courants de collecteur sont identiques, les chutes de tension sur les résistances de collecteur sont identiques :
        Vout = Vcc - Rc*Ic2 - Vcc - Rc*Ic1 = Rc (Ic2 - Ic1) = 0V

En petits signaux :
       Impédance des transistors (Silicium) : Ze = 0.025V / Ic
     vo = Rc*ic2 - Rc*ic1 = Rc * (+(vi/2) / Ze) - Rc * ( -(vi/2) / Ze) = Rc * (vi / Ze)

Caractéristiques :
        Gain en tension : Av = Rc / Ze
        Impédance d'entrée : Zin = β * Ze
        fmin=0Hz
        fmax = 1 / (2 * pi * Rx * Cbc)
                où Rx est la plus grande résistance : soit Rc, soit la résistance interne du générateur de signaux connecté aux entrées multipliée par Av
                où Cbc est la capacité entre base et collecteur (jonction BC=2pF typiquement)

Montage avec des PNP :

Polarisation :
Ve = 0.7V (car V+ et V- sont petits et proches de 0V).
La résistance Re est traversée par le courant de polarisation Ip :
        Ip = (Vcc - 0.7V) / Re
Si Vin=0V, les transistors se partagent entre eux ce courant :
        Ic = Ip / 2 = Ic1 = Ic2
Remarquons qu'un courant de base des transistors (bias current) est nécessaire pour leur polarisation :
        Iin = Ic / β
Comme les courants de collecteur sont identiques, les chutes de tension sur les résistances de collecteur sont identiques :
        Vout = -Vcc + Rc*Ic2 - (-Vcc + Rc*Ic1) = Rc (Ic2 - Ic1) = 0V

En petits signaux :
       Impédance des transistors (Silicium) : Ze = 0.025V / Ic
     vo = Rc*ic2 - Rc*ic1 = Rc * (+(vi/2) / Ze) - Rc * ( -(vi/2) / Ze) = Rc * (vi / Ze)

Caractéristiques :
        Gain en tension : Av = Rc / Ze
        Impédance d'entrée : Zin = β * Ze
        fmin=0Hz
        fmax = 1 / (2 * pi * Rx * Cbc)
                où Rx est la plus grande résistance : soit Rc, soit la résistance interne du générateur de signaux connecté aux entrées multipliée par Av
                où Cbc est la capacité entre base et collecteur (jonction BC=2pF typiquement)

Limitation du montage :
Pour avoir une bonne dynamique de sortie, la résistance maximale de collecteur est Rc = Re, comme cela les deux collecteurs se trouvent à Vcc/2 au repos.
On a alors approximativement (en négligeant les 0.7V de Vbe) :
        Ip = Vcc / Rc
        Ic = Ip / 2 = Vcc / (2 * Rc)
        Ze = 0.025V / Ic = 0.05V * Rc / Vcc
        Av = Rc / Ze = Vcc / 0.05V
Le gain maximum dépend de la tension d'alimentation du montage, par exemple si Vcc=5V (alimentation +5V 0V -5V) alors le gain maximum que l'on peut espérer est de Av=100.

La tension de mode commun est la tension moyenne des tensions d'entrées :
Vcom = ( (V+) + (V-) ) / 2
On a considéré ci-dessus que cette tension était de Vcom = 0V.
Si elle est différente, la polarisation et le gain du montage change :
Ip = Vcc + Vcom - 0.7V =>    Ic change => Ze change    => Zin & Av change

Amélioration du montage :
Pour améliorer le mode commun, la résistance de polarisation Re est généralement remplacée par une source de courant (montage miroir).
Pour augmenter le gain et fmax, les deux résistances de collecteur Rc sont généralement remplacées par un miroir de courant.
Avec ces deux modifications, V+ et V- peuvent alors couvrir la plage de tension allant presque de -Vcc à +Vcc.

Pour augmenter l'impédance d'entrée qui est généralement faible avec ce montage, les transistors Q1 et Q2 sont souvent remplacés par des Darlingtons, des FET ou des MOS.

Finalement, divers réglages peuvent être ajoutés pour contrecarrer les petites différences entre les transistors (réglage d'offset ou de bias), ou encore ajouter deux résistances de faibles valeurs (de l'ordre de Ze) en série avec chaque émetteur.

Auteur : Marc PHILIPPOT - Version du 27/05/2020