Conception d'un amplificateur multi-étages à émetteur commun à gain élevé avec rétroaction négative

Dans ce tutoriel, nous construisons un amplificateur à émetteur commun à trois étages qui démontre comment la rétroaction négative peut dompter un gain en tension élevé et améliorer la stabilité.

Pièces et Matériaux

• Trois transistors NPN (2N2222 ou 2N3403 ; Radio Shack #276-1617 est un kit pratique de 15 pièces).
• Deux piles 6 V (ou une seule alimentation 12 V).
• Un potentiomètre 10 kΩ, un tour, linéaire (Radio Shack #271-1715).
• Une résistance 1 MΩ.
• Trois résistances 100 kΩ.
• Trois résistances 10 kΩ.

Références Croisées

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, chapitre 4 : « Transistors à jonction bipolaire ».

Objectifs d'Apprentissage

• Concevoir un circuit amplificateur à émetteur commun multi-étages, à couplage direct.
• Comprendre l'impact de la rétroaction négative sur la performance de l'amplificateur.

Schéma Électrique

 

 

Illustration

 

 

Instructions

Connectez trois étages à émetteur commun en série : le collecteur de chaque transistor pilote la base du suivant via une résistance 10 kΩ. Cet arrangement multiplie les gains d'étage individuels pour produire un gain en tension global très élevé.

Commencez par omettre la résistance de rétroaction 1 MΩ. Avec les paramètres des transistors réglés au maximum, vous verrez un gain presque illimité qui fait saturer la sortie aux rails d'alimentation pour des signaux d'entrée modestes. Si vous ne pouvez pas régler le potentiomètre pour une sortie stable dans la région active, la caractéristique d'inversion de base sera encore évidente : à mesure que l'entrée augmente, la sortie chute et vice versa.

Comme chaque étage à émetteur commun inverse, un nombre pair d'étages donne une réponse globale non-inverseuse tandis qu'un nombre impair donne une sortie inversée. Vérifiez cela en mesurant la tension collecteur-à-masse à chaque transistor tout en balayant le potentiomètre d'entrée et en observant si la sortie monte ou descend avec une augmentation d'entrée.

Maintenant, ajoutez la résistance de rétroaction 1 MΩ du collecteur du dernier transistor vers la base du premier. Comme l'amplificateur à trois étages est inverseur, le signal de rétroaction est intrinsèquement négatif et stabilisera le circuit, réduisant dramatiquement la sensibilité aux variations d'entrée.

Avec la rétroaction en place, l'amplificateur se comporte de manière beaucoup plus prévisible. Enregistrez un tableau de tensions entrée-sortie et calculez le gain en tension. Essayez différentes valeurs pour la résistance de rétroaction : la diminuer augmentera le gain, tandis que l'augmenter le baissera. Le résultat est un gain prévisible, dépendant des résistances, plutôt que variant avec les tolérances des transistors.

En pratique, les vrais amplificateurs multi-étages intègrent des résistances émetteur-à-masse pour la stabilité de polarisation, un couplage capacitif entre étages, et des diviseurs de tension pour la polarisation. Les conceptions haute fréquence utilisent souvent des transformateurs avec des condensateurs résonnants. Néanmoins, les principes démontrés ici sous-tendent le fonctionnement des amplificateurs opérationnels et de nombreux circuits d'amplification professionnels.

Simulation Informatique

Schéma avec numéros de nœuds SPICE :

 

 

Netlist (copiez le texte suivant textuellement dans un fichier .cir) :

 Amplificateur multi-étages
vsupply 1 0 dc 12
vin 2 0
r1 2 3 100k
r2 1 4 10k
q1 4 3 0 mod1
r3 4 7 100k
r4 1 5 10k
q2 5 7 0 mod1
r5 5 8 100k
r6 1 6 10k
q3 6 8 0 mod1
rf 3 6 1meg
.model mod1 npn bf=200
.dc vin 0 2.5 0.1
.plot dc v(6,0) v(2,0)
.end

Cette simulation trace la tension de sortie versus la tension d'entrée, vous permettant de calculer le gain en tension numériquement. Expérimentez avec différentes valeurs de rf et observez comment le gain global change. Le gain peut être approximé en utilisant seulement les valeurs de résistance de r1 et rf.

Fiche Connexe

• Fiche de travail : Amplificateurs à transistors multi-étages