ELECTRONIQUE GENERALE

3ÈME ANNÉE – OPTION ÉLECTRONIQUE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC

Préliminaires

1. Objectifs Généraux du Cours

Ce manuel a pour finalité de faire franchir à l’élève un seuil conceptuel majeur, en le faisant passer de l’analyse statique des composants à la maîtrise dynamique des circuits électroniques fonctionnels. Le cours déconstruit les mécanismes de l’amplification, de la génération de signaux et de la régulation de puissance, en se fondant sur une modélisation rigoureuse du comportement des transistors. L’ambition est de forger une compétence d’ingénierie, permettant non seulement de comprendre des systèmes existants mais aussi de dimensionner des circuits originaux qui répondent à des spécifications précises.

2. Compétences Visées

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

• Établir le modèle petit signal d’un transistor et l’exploiter pour prédire analytiquement les performances d’un étage amplificateur.
• Concevoir et justifier l’architecture d’un amplificateur de puissance en sélectionnant la classe de fonctionnement optimale pour un cahier des charges donné.
• Mettre en œuvre le principe de la contre-réaction pour sculpter les caractéristiques d’un amplificateur (stabilité, bande passante, impédances).
• Analyser les conditions de démarrage et d’entretien des oscillations pour concevoir des générateurs de signaux sinusoïdaux.
• Élaborer le schéma d’une alimentation stabilisée de précision, en intégrant des protections actives contre les surcharges.

3. Approche Pédagogique

La démarche pédagogique s’appuie sur une dialectique constante entre la modélisation mathématique et l’intuition physique des circuits. Chaque fonction électronique est présentée comme une solution à un problème technique concret. L’analyse ne se limite pas au calcul des performances, mais inclut une réflexion critique sur les compromis de conception (gain vs stabilité, rendement vs linéarité). Des projets de simulation et de conception, comme le dimensionnement d’un amplificateur pour un capteur sismique dans la région des Grands Lacs ou la création d’un oscillateur de référence pour un équipement de télécommunication à Ilebo, constituent le fil rouge de l’apprentissage.

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

Cette partie se consacre à l’art de la modélisation, une compétence essentielle de l’électronicien. Elle enseigne comment appréhender le comportement complexe et non linéaire d’un transistor en le remplaçant par un schéma équivalent linéaire, valide pour de faibles variations de signal autour d’un point de repos. Cette approche, dite des « petits signaux », débloque l’accès à des calculs prédictifs précis sur les performances d’un amplificateur : son gain, sa capacité à s’interfacer avec d’autres circuits et son comportement en fréquence.

CHAPITRE 1 : MODÉLISATION DU TRANSISTOR BIPOLAIRE EN PETITS SIGNAUX

1.1. Le principe de la linéarisation autour du point de repos

Ce sous-chapitre établit le fondement théorique de l’analyse en petits signaux. L’élève comprendra que pour un signal de faible amplitude, la portion de la caractéristique du transistor explorée est suffisamment petite pour être assimilée à un segment de droite. Cette linéarisation autorise l’utilisation de tout l’arsenal de l’analyse des circuits linéaires.

1.2. Le modèle en « pi » hybride et ses paramètres

Le modèle en « pi » hybride est présenté comme la représentation linéaire standard du transistor bipolaire en basses fréquences. Ses quatre paramètres (, , , ) sont définis physiquement, liant les variations des grandeurs d’entrée aux variations des grandeurs de sortie. Le circuit équivalent qui en découle est systématiquement utilisé.

1.3. Le modèle simplifié et le calcul des paramètres

Une version simplifiée du modèle, souvent suffisante pour une première analyse, est développée. L’élève apprendra à calculer les paramètres de ce modèle, notamment la résistance d’entrée  et le gain en courant , directement à partir du courant de polarisation () du point de repos.

1.4. Le circuit équivalent universel (de Giacoletto)

Le modèle de Giacoletto est introduit comme une représentation plus fidèle à la physique interne du transistor. Ses éléments (capacités de jonction, résistance de diffusion) permettent une analyse plus fine, en particulier pour prédire le comportement du composant à mesure que la fréquence du signal augmente.

CHAPITRE 2 : LES TROIS MONTAGES FONDAMENTAUX DU TRANSISTOR BIPOLAIRE

2.1. L’amplificateur à Émetteur Commun (EC)

Cette configuration, pierre angulaire de l’amplification, est disséquée à l’aide du modèle en petits signaux. L’élève démontrera analytiquement qu’elle procure le gain en puissance le plus élevé, au prix d’une inversion de phase du signal de sortie et d’impédances d’entrée et de sortie moyennes.

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

Le montage à collecteur commun est analysé comme un adaptateur d’impédance par excellence. Ses caractéristiques (gain en tension unitaire, impédance d’entrée élevée, impédance de sortie faible) sont calculées, justifiant son rôle d’étage tampon pour piloter des charges de faible impédance sans affecter l’étage précédent.

2.3. L’amplificateur à Base Commune (BC)

Le montage à base commune est étudié pour ses propriétés spécifiques. L’élève calculera son gain en tension, son gain en courant inférieur à 1, et surtout sa faible impédance d’entrée. Sa capacité à fonctionner à de très hautes fréquences en fait un choix privilégié pour les étages d’entrée RF des systèmes de communication.

2.4. Synthèse comparative et justification du choix

Un tableau synthétique met en perspective les performances des trois configurations. L’élève développera la compétence de sélectionner le montage le plus judicieux en fonction d’un cahier des charges précis, que ce soit pour maximiser le gain, adapter une impédance ou optimiser la bande passante.

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

3.1. Le modèle en petits signaux du FET

Le comportement linéaire du transistor à effet de champ est modélisé par un circuit équivalent simple, dont le paramètre central est la transconductance (). Ce paramètre, qui lie la variation du courant de drain à la variation de la tension de grille, est défini et son expression est établie.

3.2. L’amplificateur à Source Commune (SC)

Ce montage est analysé comme l’analogue direct du montage à émetteur commun. Son gain en tension est calculé, et sa caractéristique la plus remarquable, une impédance d’entrée quasi infinie, est mise en évidence.

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

De manière similaire au collecteur commun, le montage à drain commun est présenté comme un excellent adaptateur d’impédance. Ses performances (gain en tension proche de 1, impédance de sortie faible) sont calculées et son utilité est démontrée.

3.4. Justification des performances et bilan de puissance

Ce sous-chapitre met en balance les avantages respectifs des technologies BJT et FET en amplification. L’élève apprendra à argumenter le choix de l’une ou l’autre en fonction des contraintes de l’application, comme la nécessité de prélever un courant quasi nul sur un capteur sensible, ce qui impose l’usage d’un FET.

CHAPITRE 4 : LE COMPORTEMENT EN FRÉQUENCE DES AMPLIFICATEURS

4.1. Les paramètres admitances (y) pour l’analyse HF

Pour l’étude en haute fréquence, les paramètres admitances () se révèlent plus pratiques que les paramètres hybrides. L’élève sera initié à cette nouvelle description et au schéma équivalent à deux générateurs de courant qui en découle.

4.2. Influence des capacités parasites

Les capacités internes du transistor, négligeables en basse fréquence, deviennent les facteurs limitants à haute fréquence. Leur effet est modélisé comme un court-circuit progressif qui fait chuter le gain de l’amplificateur.

4.3. Fréquences de coupure et produit gain-bande passante

Les notions de fréquence de coupure (fréquence pour laquelle le gain a diminué de 3 dB) et de bande passante sont définies. L’élève découvrira le concept fondamental du produit gain-bande passante, une constante qui illustre le compromis inévitable entre le gain d’un amplificateur et sa rapidité.

4.4. Stabilité en haute fréquence : Unilatéralisation et Neutrodynation

La capacité interne entre la sortie et l’entrée peut créer une boucle de réaction parasite à haute fréquence, menant à des oscillations indésirées. Les techniques de neutrodynation, qui consistent à introduire un circuit de contre-réaction externe pour annuler 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 calcul du condensateur de découplage est également abordé.

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.

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 ce montage 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 supérieur, 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 et les étages « drivers »

Pour éliminer la distorsion de croisement, on polarise très légèrement les deux transistors (classe AB). Le rôle des étages « drivers », qui fournissent la commande nécessaire aux transistors de puissance, est également expliqué. Le schéma d’un étage push-pull complémentaire est présenté.

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. Propriétés de la contre-réaction

Les effets bénéfiques de la contre-réaction sont énoncés : elle stabilise le gain, augmente la bande passante, réduit la distorsion et permet de maîtriser les impédances d’entrée et de sortie.

9.3. 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.

9.4. Analyse d’un montage à contre-réaction

Un exemple concret, comme l’amplificateur à émetteur commun avec une résistance d’émetteur non découplée, est analysé pour illustrer comment la contre-réaction série-tension modifie les performances du circuit.

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.

1.4. 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 utilisés par la MONUSCO pour ses communications.

QUATRIÈME PARTIE : LES CIRCUITS D’ALIMENTATION ÉLECTRONIQUE DE PRÉCISION ⚡

Cette partie revient sur la fonction d’alimentation, mais avec un niveau de performance bien supérieur, rendu possible par l’utilisation de transistors en régime linéaire. L’élève y apprendra à concevoir des circuits de régulation de tension très efficaces, capables de fournir une tension de sortie extrêmement stable. L’étude des dispositifs de protection et l’introduction aux régulateurs intégrés, qui simplifient grandement la conception, complètent cette compétence essentielle.

CHAPITRE 12 : LES ALIMENTATIONS STABILISÉES À TRANSISTOR

12.1. Nécessité et efficacité de la stabilisation

La nécessité d’une tension d’alimentation stable pour le bon fonctionnement des circuits électroniques est rappelée. Les limites du simple régulateur à diode Zener sont exposées, justifiant le recours à des montages plus performants à base de transistors.

12.2. Le régulateur « série »

Le schéma du régulateur série est étudié. L’élève identifiera ses trois blocs fondamentaux : le transistor « ballast » en série avec la charge, un circuit de détection d’erreur (comparateur), et une source de tension de référence.

12.3. Le régulateur « parallèle » (shunt)

Moins courante mais instructive, la régulation parallèle (ou « shunt ») est schématisée. L’élève analysera son fonctionnement, où un transistor en parallèle avec la charge dérive le courant nécessaire pour maintenir la tension de sortie constante.

12.4. Dimensionnement et calcul des éléments

L’élève apprendra la méthodologie pour calculer tous les composants d’un régulateur série : choix du transistor de puissance en fonction du courant et de la puissance à dissiper, calcul des résistances du pont diviseur de sortie, et sélection de la diode Zener de référence.

CHAPITRE 13 : LES DISPOSITIFS DE LIMITATION DE COURANT

13.1. Le principe de la limitation de courant

Un court-circuit en sortie d’une alimentation peut détruire le transistor ballast. La nécessité d’un circuit de protection qui limite automatiquement le courant de sortie à une valeur maximale sûre est expliquée.

13.2. Schéma de la limitation de courant simple

Le schéma du circuit de limitation de courant le plus simple est dessiné et analysé. Il utilise un second transistor et une résistance de faible valeur en série avec la charge pour détecter une augmentation excessive du courant et réduire la commande du transistor principal.

13.3. La limitation de courant à caractéristique de retour (« foldback »)

Pour une protection plus efficace, la limitation de courant de type « foldback » est étudiée. Son avantage est de réduire à la fois le courant et la tension en cas de défaut, minimisant ainsi la dissipation de puissance dans le transistor ballast pendant la durée du défaut.

13.4. Intégration dans le schéma de l’alimentation

L’élève s’exercera à intégrer ces schémas de protection au sein du schéma principal de l’alimentation stabilisée, démontrant sa capacité à concevoir un système à la fois performant et robuste, apte à fonctionner de manière fiable dans le contexte d’un réseau électrique parfois instable comme à Mbuji-Mayi.

CHAPITRE 14 : INTRODUCTION AUX RÉGULATEURS DE TENSION INTÉGRÉS

14.1. Le principe du régulateur intégré

Les régulateurs de tension intégrés (comme les fameux 78xx et 79xx) regroupent dans un seul boîtier tous les éléments d’une alimentation stabilisée et protégée. Leur schéma bloc interne (référence de tension, amplificateur d’erreur, transistor ballast, protections thermiques et en courant) est présenté.

14.2. Les régulateurs de tension fixes

La grande simplicité d’utilisation des régulateurs fixes est mise en évidence. L’élève étudiera les schémas d’application typiques d’un régulateur de la série 78xx (positif) ou 79xx (négatif), en incluant les condensateurs de découplage recommandés par le fabricant.

14.3. Les régulateurs de tension ajustables

Les régulateurs ajustables (comme le LM317) offrent plus de flexibilité. L’élève apprendra leur principe de fonctionnement et comment deux résistances externes suffisent à fixer la tension de sortie à la valeur désirée.

14.4. Conception d’une alimentation de laboratoire

En guise de synthèse, l’élève concevra le schéma d’une alimentation de laboratoire complète, double et réglable, en utilisant des régulateurs intégrés ajustables. Ce projet illustre la puissance et la simplicité de la conception électronique moderne.

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.