CIRCUITS ÉLECTRONIQUES

3ÈME ANNÉE – OPTION ÉLECTRONIQUE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC

Préliminaires

1. Objectifs Généraux du Cours

Ce manuel a pour objectif de guider l’élève dans l’analyse et la conception des circuits électroniques analogiques fondamentaux. En s’appuyant sur une maîtrise du fonctionnement des transistors, le cours explore en profondeur les fonctions d’amplification, de génération de signaux et de régulation de puissance. La finalité est de développer une compétence systémique, permettant de passer de l’analyse d’un composant unique à la synthèse de circuits fonctionnels complexes, et de comprendre les interactions entre les différents étages d’un système électronique.

2. Compétences Visées

Au terme de cette année d’étude, l’élève détiendra la capacité de :

• Modéliser le comportement d’un transistor en régime de petits signaux et calculer les performances (gain, impédances) d’un étage amplificateur.
• Différencier les classes d’amplification de puissance et concevoir les étages de sortie adaptés à une application donnée.
• Appliquer le concept de contre-réaction pour améliorer les performances d’un amplificateur.
• Analyser le fonctionnement des principaux types d’oscillateurs et calculer leur fréquence d’oscillation.
• Concevoir et dimensionner une alimentation stabilisée à base de transistors, incluant une protection en courant.

3. Approche Pédagogique

La démarche pédagogique est articulée autour de l’étude de fonctions électroniques archétypales. Chaque grande fonction (amplifier, osciller, réguler) fait l’objet d’une analyse approfondie, depuis ses principes théoriques jusqu’à ses implémentations pratiques. L’approche favorise la dualité analyse/synthèse : l’élève apprend à décortiquer des circuits existants pour en comprendre le fonctionnement, puis à dimensionner ses propres circuits pour répondre à un cahier des charges. Des projets intégrateurs, comme la conception d’une petite chaîne audio (préamplificateur + amplificateur de puissance) ou d’une alimentation de laboratoire, permettent de consolider les acquis. Des exemples contextualisés, tels que l’analyse des oscillateurs dans un émetteur radio pour une station communautaire à Mbandaka ou la conception d’un amplificateur pour un système de sonorisation à Matadi, ancrent la théorie dans des applications concrètes.

PREMIÈRE PARTIE : L’ANALYSE DES TRANSISTORS EN RÉGIME LINÉAIRE (PETITS SIGNAUX) 📈

Cette partie se consacre à l’étude du comportement du transistor lorsqu’il est utilisé pour amplifier de faibles signaux. L’analyse en « petits signaux » consiste à modéliser le transistor, intrinsèquement non linéaire, par un circuit linéaire équivalent autour de son point de repos. Cette simplification cruciale permet d’utiliser les outils d’analyse des circuits linéaires pour calculer avec précision les performances d’un amplificateur : son gain, ses impédances d’entrée et de sortie, et sa réponse en fréquence.

CHAPITRE 1 : MODÉLISATION DU TRANSISTOR BIPOLAIRE EN PETITS SIGNAUX

1.1. Le principe de l’analyse en petits signaux

Ce sous-chapitre explique la nécessité de séparer l’analyse d’un circuit à transistors en deux temps : l’analyse en continu (polarisation) qui fixe le point de repos, et l’analyse en alternatif (petits signaux) qui étudie le comportement du circuit pour de faibles variations autour de ce point.

1.2. Le modèle en « pi » hybride

Le modèle le plus courant pour le transistor bipolaire en basses fréquences, le modèle en « pi » hybride, est introduit. Ses quatre paramètres (, , , ) sont définis. Le circuit équivalent correspondant, avec une source de courant commandée, est dessiné.

1.3. Le modèle simplifié en « pi » hybride

Pour la plupart des analyses, un modèle simplifié est suffisant. L’élève apprendra à utiliser ce modèle qui ne retient que deux paramètres essentiels : la résistance d’entrée  (ou ) et le gain en courant  (ou ). Le calcul de ces paramètres en fonction du point de repos est établi.

1.4. Le circuit équivalent universel

Le circuit équivalent universel (ou de Giacoletto) est présenté comme un modèle plus physique, dont les éléments (résistances et capacités) sont directement liés à la structure interne du transistor. Il est particulièrement utile pour l’analyse du comportement en haute fréquence.

CHAPITRE 2 : LES TROIS MONTAGES FONDAMENTAUX DU TRANSISTOR BIPOLAIRE

2.1. L’amplificateur à Émetteur Commun (EC)

Le montage à émetteur commun est le plus utilisé car il fournit un gain important en tension et en courant. À l’aide du modèle en petits signaux, l’élève calculera les expressions du gain en tension (), du gain en courant (), de l’impédance d’entrée () et de l’impédance de sortie ().

2.2. L’amplificateur à Collecteur Commun (CC) ou « émetteur-suiveur »

Ce montage est caractérisé par un gain en tension proche de 1, une impédance d’entrée élevée et une impédance de sortie faible. L’élève analysera ses caractéristiques et comprendra son rôle d’adaptateur d’impédance, essentiel pour piloter des charges de faible impédance.

2.3. L’amplificateur à Base Commune (BC)

Le montage à base commune offre un gain en tension mais un gain en courant inférieur à 1. Son avantage principal réside dans sa faible impédance d’entrée et sa très bonne bande passante. Son utilisation dans les circuits haute fréquence, comme les étages d’entrée des récepteurs radio, est soulignée.

2.4. Tableau comparatif et applications

Un tableau synthétique compare les performances des trois configurations, guidant l’élève dans le choix du montage le plus approprié en fonction de l’application visée (gain maximal, adaptation d’impédance, haute fréquence).

CHAPITRE 3 : MODÉLISATION ET ANALYSE DES TRANSISTORS À EFFET DE CHAMP (FET)

3.1. Le modèle en petits signaux du FET

Le comportement du transistor à effet de champ en petits signaux est modélisé par un circuit équivalent simple, constitué d’une source de tension commandée par une tension. Les trois paramètres clés (transconductance , résistance de sortie , et facteur d’amplification ) sont définis.

3.2. L’amplificateur à Source Commune (SC)

Ce montage est l’analogue du montage à émetteur commun pour le transistor bipolaire. L’élève calculera son gain en tension, qui est approximativement , et notera sa très haute impédance d’entrée, qui est son avantage principal.

3.3. L’amplificateur à Drain Commun (DC) ou « source-suiveuse »

Similaire au collecteur commun, ce montage offre un gain en tension proche de 1 et une faible impédance de sortie. Son rôle d’adaptateur d’impédance est analysé, en particulier pour interfacer des capteurs à haute impédance avec des circuits de traitement.

3.4. Justification des performances et choix du transistor

Ce sous-chapitre compare les performances des amplificateurs à base de BJT et de FET. L’élève apprendra à justifier le choix de l’une ou l’autre technologie en fonction du cahier des charges : BJT pour un fort gain en courant, FET pour une très haute impédance d’entrée.

CHAPITRE 4 : LE COMPORTEMENT EN FRÉQUENCE DES AMPLIFICATEURS

4.1. Influence des capacités de liaison et de découplage

Les condensateurs externes (liaison, découplage) qui bloquent le continu affectent la réponse de l’amplificateur en basse fréquence. L’élève apprendra à les modéliser par des circuits ouverts en continu mais par des courts-circuits en hautes fréquences, et à calculer la fréquence de coupure basse de l’amplificateur.

4.2. Les capacités internes du transistor

Le transistor lui-même possède des capacités parasites internes (entre ses jonctions). Ces capacités, bien que faibles, deviennent significatives à haute fréquence et provoquent une diminution du gain. Le modèle de Giacoletto est utilisé pour les représenter.

4.3. Fréquences de coupure et produit gain-bande

La fréquence de coupure haute () d’un amplificateur est définie comme la fréquence à laquelle son gain a chuté de 3 dB. Le produit du gain en bande passante par la largeur de cette bande est une constante pour un transistor donné, appelée produit gain-bande.

4.4. Unilatéralisation et Neutrodynation

À très haute fréquence, la capacité interne collecteur-base provoque une réaction de la sortie sur l’entrée, pouvant rendre l’amplificateur instable. Les techniques d’unilatéralisation et de neutrodynation, qui consistent à ajouter un circuit externe pour compenser cet effet, sont expliquées.

DEUXIÈME PARTIE : LES AMPLIFICATEURS DE TENSION ET DE PUISSANCE 🔊

Cette partie se focalise sur la conception de systèmes d’amplification complets. En partant de l’étage préamplificateur, qui a pour rôle d’élever le niveau d’un signal de faible amplitude, l’étude progresse jusqu’aux amplificateurs de puissance, conçus pour fournir l’énergie nécessaire à une charge (haut-parleur, moteur). Les différentes classes de fonctionnement, les contraintes thermiques et les architectures spécifiques comme le montage push-pull sont analysées en détail.

CHAPITRE 5 : LE PRÉAMPLIFICATEUR DE TENSION À UN ÉTAGE

5.1. Le phénomène physique de l’amplification

Ce sous-chapitre revient sur le principe de l’amplification, en expliquant comment une petite variation de puissance sur l’entrée du transistor (le circuit de commande) permet de moduler une puissance beaucoup plus grande prélevée à la source d’alimentation (le circuit de puissance).

5.2. Schéma et rôle des composants

Le schéma complet d’un préamplificateur à émetteur commun est disséqué. Le rôle de chaque composant (résistances de polarisation, condensateurs de liaison et de découplage) est expliqué en détail, en distinguant leur fonction en régime continu et en régime alternatif.

5.3. Influence de la résistance d’émetteur ()

L’influence de la résistance d’émetteur sur les performances de l’amplificateur est analysée. L’élève comprendra qu’une  non découplée diminue le gain mais augmente la stabilité et l’impédance d’entrée. Le choix de la découpler ou non est donc un compromis de conception.

5.4. Droite de charge dynamique et excursion du signal

La droite de charge dynamique est tracée pour un préamplificateur chargé. L’élève apprendra à l’utiliser pour déterminer graphiquement l’excursion maximale du signal de sortie sans distorsion et pour visualiser l’amplification du signal autour du point de repos.

CHAPITRE 6 : LES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE : CLASSES DE FONCTIONNEMENT

6.1. Spécificités des amplificateurs de puissance

Les amplificateurs de puissance sont conçus non pas pour un gain maximal en tension, mais pour un transfert de puissance optimal vers une charge. Leurs transistors doivent pouvoir supporter des courants et des tensions élevés et dissiper une chaleur importante.

6.2. Commande en courant et commande en tension

La distinction entre une commande en courant (typique du transistor bipolaire) et une commande en tension (typique du transistor à effet de champ) est rappelée, en soulignant les implications sur la conception de l’étage qui précède l’amplificateur de puissance (l’étage « driver »).

6.3. Classification des amplificateurs (Classes A, B, AB, C)

Les différentes classes de fonctionnement sont définies en fonction de la portion du signal d’entrée pendant laquelle le transistor conduit. L’élève apprendra la définition de chaque classe et son compromis caractéristique entre la linéarité (qualité du signal) et le rendement énergétique.

6.4. Dissipation thermique et refroidisseurs

La puissance non transmise à la charge est dissipée sous forme de chaleur par le transistor. L’élève apprendra à calculer cette dissipation collectrice et à comprendre la nécessité d’utiliser un refroidisseur (dissipateur thermique) pour maintenir la température de jonction en dessous de sa valeur maximale admissible.

CHAPITRE 7 : L’AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE EN CLASSE A

7.1. Le point de repos en classe A

Le fonctionnement en classe A est défini par un point de repos choisi au milieu de la droite de charge, de sorte que le transistor conduise pendant 100% du cycle du signal. Ceci garantit une excellente linéarité et une faible distorsion.

7.2. Bilan de puissance et rendement

Le bilan des puissances pour un amplificateur classe A est établi. L’élève calculera la puissance fournie par l’alimentation, la puissance utile délivrée à la charge, et la puissance dissipée par le transistor. Le faible rendement théorique maximal de 25% (avec charge résistive) sera démontré.

7.3. Classe A avec transformateur de sortie

Pour améliorer le rendement, un transformateur peut être utilisé pour coupler la charge. L’élève étudiera cette configuration qui permet d’atteindre un rendement théorique de 50%, tout en assurant une adaptation d’impédance.

7.4. Avantages et inconvénients

Les avantages (simplicité, haute linéarité) et les inconvénients (faible rendement, dissipation thermique constante et élevée) de la classe A sont synthétisés, la réservant à des applications de haute-fidélité de faible puissance ou à des étages préamplificateurs.

CHAPITRE 8 : L’AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE PUSH-PULL (CLASSES B ET AB)

8.1. Le principe du montage Push-Pull

Le montage « push-pull » (pousser-tirer) utilise deux transistors complémentaires : l’un amplifie l’alternance positive du signal, l’autre l’alternance négative. Ce principe, qui fonde la classe B, est expliqué.

8.2. La distorsion de croisement

L’élève découvrira que le montage en classe B simple souffre d’une « distorsion de croisement » due à la tension de seuil des transistors, qui ne conduisent pas lorsque le signal est proche de zéro.

8.3. Le passage en classe AB

Pour éliminer la distorsion de croisement, on polarise très légèrement les deux transistors (classe AB) afin qu’ils conduisent tous les deux pour les signaux de faible amplitude. Le rôle des diodes de polarisation est expliqué.

8.4. Bilan de puissance et rendement de la classe B

Le bilan de puissance pour la classe B est établi, montrant que la dissipation thermique est nulle en l’absence de signal. Le rendement théorique maximal de 78,5% est calculé, justifiant l’utilisation massive de cette topologie dans les amplificateurs de puissance, comme ceux utilisés pour la sonorisation de grands événements à Kinshasa.

TROISIÈME PARTIE : LA RÉACTION ET SES APPLICATIONS : OSCILLATEURS 🔄

Cette partie explore le concept puissant de la réaction (ou feedback), qui consiste à réinjecter une partie du signal de sortie d’un circuit vers son entrée. L’élève y découvrira que cette technique peut avoir deux effets opposés. Une réaction négative (contre-réaction) permet d’améliorer de manière spectaculaire les performances d’un amplificateur. Inversement, une réaction positive, si elle est bien contrôlée, permet de transformer un amplificateur en un générateur de signaux autonomes : un oscillateur.

CHAPITRE 9 : LA CONTRE-RÉACTION (RÉACTION NÉGATIVE) ET SES EFFETS

9.1. Définition et schéma de principe

La contre-réaction est définie comme une réaction qui s’oppose à la variation du signal d’entrée. Le schéma bloc général d’un amplificateur avec une boucle de contre-réaction (échantillonnage en sortie, mélangeur en entrée) est présenté.

9.2. Effets sur le gain

L’élève démontrera que la contre-réaction diminue le gain global de l’amplificateur, mais le rend beaucoup plus stable et quasi indépendant des caractéristiques du transistor.

9.3. Effets sur la bande passante et la distorsion

La contre-réaction a des effets très bénéfiques : elle augmente la bande passante de l’amplificateur et réduit significativement la distorsion non linéaire. Ces améliorations sont quantifiées.

9.4. Les quatre types de contre-réaction

Les quatre topologies de contre-réaction (série-shunt, shunt-série, série-série, shunt-shunt) sont présentées. L’élève apprendra comment chaque type modifie de manière prévisible les impédances d’entrée et de sortie de l’amplificateur, permettant ainsi de les adapter à un besoin précis.

CHAPITRE 10 : LE PRINCIPE DES OSCILLATEURS ET LA CONDITION DE BARKHAUSEN

10.1. De l’amplificateur à l’oscillateur

Un oscillateur est un circuit qui génère un signal périodique sans signal d’entrée. Il est fondamentalement constitué d’un amplificateur et d’une boucle de réaction positive qui ramène une partie du signal de sortie à l’entrée.

10.2. La réaction positive

La réaction positive est une réaction qui renforce la variation du signal d’entrée. L’élève comprendra que si cette réaction est suffisamment forte, elle peut entretenir des oscillations spontanées à partir du bruit électronique initial du circuit.

10.3. La condition de Barkhausen

La condition de Barkhausen établit les deux critères nécessaires au démarrage et à l’entretien d’une oscillation sinusoïdale stable. Le critère de phase stipule que le déphasage total de la boucle doit être de 0° ou 360°. Le critère d’amplitude stipule que le gain de boucle doit être exactement égal à 1.

10.4. Stabilisation de l’amplitude

Ce sous-chapitre explique que pour obtenir une oscillation stable, le gain de boucle doit être légèrement supérieur à 1 au démarrage, puis ramené à 1 par un mécanisme non linéaire (saturation de l’amplificateur, élément de contrôle) lorsque l’amplitude désirée est atteinte.

CHAPITRE 11 : LES OSCILLATEURS SINUSOÏDAUX RC ET LC

11.1. Les oscillateurs à réseau déphaseur (RC)

L’oscillateur à réseau RC utilise une cascade de cellules résistance-condensateur pour créer le déphasage de 180° nécessaire. Le principe de ce type d’oscillateur, adapté aux basses fréquences, est expliqué et sa fréquence d’oscillation est calculée.

11.2. L’oscillateur à pont de Wien

L’oscillateur à pont de Wien utilise un filtre passe-bande RC comme boucle de réaction. Il est réputé pour sa faible distorsion et sa facilité de réglage, ce qui en fait un standard pour les générateurs de signaux basses fréquences de laboratoire.

11.3. Les oscillateurs à circuit résonant (LC)

Pour les hautes fréquences, la boucle de réaction est constituée d’un circuit résonant LC. Les deux configurations les plus célèbres sont étudiées : l’oscillateur Colpitts (avec un diviseur de tension capacitif) et l’oscillateur Hartley (avec un diviseur de tension inductif). Leurs schémas et formules de fréquence sont établis.

11.4. L’oscillateur à quartz

Pour une stabilité en fréquence maximale, le circuit LC est remplacé par un résonateur à quartz. L’élève comprendra comment le quartz impose sa fréquence de résonance au circuit, permettant de réaliser des horloges de haute précision pour les systèmes numériques ou des porteuses de fréquence stables pour les émetteurs de télécommunication, comme ceux de la REGIDESO pour la télérelève des compteurs.

Annexes

1. Mémento des Formules de l’Amplification

Cette section fournirait un formulaire complet récapitulant les expressions du gain en tension, du gain en courant, des impédances d’entrée et de sortie pour les trois montages fondamentaux (EC, CC, BC), facilitant la résolution rapide d’exercices.

2. Guide de Sélection d’un Dissipateur Thermique

Un guide pratique expliquerait la notion de résistance thermique et présenterait une méthode simplifiée pour choisir un dissipateur thermique adapté à un transistor de puissance en fonction de la puissance à dissiper et des températures ambiante et de jonction maximale.

3. Tableaux Comparatifs des Classes d’Amplificateurs

Un tableau synthétique comparerait les performances des différentes classes d’amplificateurs (A, B, AB, C) sur la base de critères clés : rendement théorique maximal, linéarité/distorsion, complexité du circuit et applications typiques.

4. Catalogue de Schémas d’Oscillateurs

Une collection de schémas de principe pour les principaux types d’oscillateurs (Wien, Colpitts, Hartley, Clapp, à quartz) serait présentée, avec pour chacun la formule de sa fréquence d’oscillation. Ce catalogue servirait de référence pour des projets de conception.