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L ’Electronique Haute Fréquence:

L ’Electronique Haute Fréquence:. IUT de Colmar - Département R&T - 2ième année. SOMMAIRE (1):. 1. Introduction. 2. Adaptation des impédances. 3. Les circuits de couplage. 3.1. Méthode générale. 3.2. Les réseaux en L. 3.3. Les réseaux à 3 éléments. 3.4. Utilisation de l ’abaque de SMITH.

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Presentation Transcript

  1. L ’Electronique Haute Fréquence: IUT de Colmar - Département R&T - 2ième année.

  2. SOMMAIRE (1): • 1. Introduction. • 2. Adaptation des impédances. • 3. Les circuits de couplage. • 3.1. Méthode générale. • 3.2. Les réseaux en L. • 3.3. Les réseaux à 3 éléments. • 3.4. Utilisation de l ’abaque de SMITH.

  3. SOMMAIRE (2): • 4. Les quadripôles amplificateurs en HF. • 4.1. Le transistor bipolaire. • 4.2. Le transistor FET. • 5. Pratique des amplificateurs HF. • 5.1. Amplificateurs HF petits signaux. • 5.2 Amplificateurs HF de puissance.

  4. 1. Introduction: IUT de Colmar - Département R&T - 2ième année.

  5. Introduction:La HF: • L’appellation des fréquences à été définie en 1953 par un organisme international de normalisation appelé le CCIR (Comité Consultatif International des Radiocommunications) de la façon suivante : • TBF : très basses fréquences jusqu'à 30 kHz, • BF : basses fréquences jusqu'à 300 kHz, • MF : moyennes fréquences jusqu'à 3 MHz, • HF : hautes fréquences jusqu'à 30 MHz, • VHF : très hautes fréquences jusqu'à 300 MHz, • UHF : ultra hautes fréquences jusqu'à 3 GHz, • SHF : supra hautes fréquence ou hyperfréquences jusqu'à 30 GHz, • EHF : extra hautes fréquence jusqu'à 3000 GHz

  6. Introduction: Les composants passifs: • RAPPEL: • Zrésistance = constante  fréquence, • Zinductance = f(fréquence), • Zcondensateur = f(1/fréquence). • EN HF: • suivant la fréquence un condensateur pourra très bien se comporter comme une inductance ! • Voici par exemple le circuit équivalent HF d’une résistance :

  7. Introduction: Influence des fils ou des pistes: • Les fils ou les pistes on un comportement inductif. • Leur inductance peut-être déterminée par la formule suivante: L = inductance en mH l = longueur du fil en cm d = diamètre du fil en cm • Application :Une résistance de 10 kW à couche métallique est représentée par son schéma équivalent de la figure précédente. Les pattes ont une longueur de 1,27 cm et ont un diamètre de 0,1628 cm. La capacité parasite C est égale à 0,3 pF. Calculer l’impédance de l’ensemble à 200 MHz. R(200MHz) = 2.6 KW

  8. Introduction: Effet de peau: • En basse fréquence, un conducteur utilise toute sa section pour permettre le transfert des électrons. • Lorsque la fréquence augmente, le champ magnétique au centre du conducteur augmente. • Les porteurs sont ainsi “ poussés ” vers la périphérie. • Le résultat est une augmentation de la résistance du conducteur. • Ainsi pour le cuivre la “ profondeur de peau ” est de: • 8,5 mm à 60 Hz • 0,07 mm à 1 MHz !

  9. 2. Adaptation des impédances: IUT de Colmar - Département R&T - 2ième année.

  10. Adaptation des impédances: • En HF, les impédances d’entrée et de sortie des quadripôles amplificateurs ne sont plus réelles mais complexes. • S’il n’y a pas adaptation entre la source et la charge, il y a bien sûr perte de puissance. • Et lorsque les puissances sont importantes, il y a destruction du quadripôle amplificateur. • Il faut alors adapter les impédances d ’entrée et de sortie des quadripôles amplificateurs pour avoir un meilleur rendement de puissance entre la source et la charge.

  11. Zg Adaptation de puissance Zg=Rg+jXg I1 + ZL=RL+jXL Vg V1 - • Puissance fournie à une charge ZL par un générateur d’impédance Zg • Si RL > 0 et Rg > 0 la puissance maximale fournie à la charge par le quadripôle • est obtenue pour : et est notée puissance disponible

  12. ZG ZL E Adaptation de puissance: Résumé • E: générateur sinusoïdal • ZG: impédance interne • ZL: impédance de charge • Le générateur fournit le maximum de puissance à la charge si: ou avec

  13. Circuit de couplage d’entrée Circuit de couplage de sortie Quadripôle amplificateur Zu Zg E Adaptation de puissance: Généralité:

  14. Zu Zg E Adaptation de puissance: Généralité:

  15. ZG E ZU Adaptation de puissance: Exemple: • Soit à adapter une source de 100W à une charge de 1kW : On a bien:

  16. 3. Les circuits de couplage: IUT de Colmar - Département R&T - 2ième année.

  17. 3.1. Méthode générale: IUT de Colmar - Département R&T - 2ième année.

  18. Les circuits de couplage: Méthode générale de calcul des réseaux d ’adap.: • Quelle que soit la configuration initiale des impédances à adapter et du circuit de couplage, le principe de calcul sera toujours le même : • ou bien, on transforme le réseau en un circuit qui ne comprend plus que des éléments résistifs et réactifs en série, • ou bien, on transforme le réseau en un circuit qui ne comprend plus que des éléments résistifs et réactifs en parallèle.

  19. Adaptation par la configuration série: R1s = R2S et jXS = j(X1S + X2S + ....) = 0 • les réactances XS, X1S, X2S, etc., étant prises avec leur signe propre : • positif pour une inductance (jLw), • négatif pour une réactance capacitive (-j/Cw).

  20. Adaptation par la configuration parallèle: R1P = R2p et

  21. Tableau de transformation: Série => parallèle:

  22. Tableau de transformation: Parallèle => série:

  23. 3.2. Les réseaux en L: IUT de Colmar - Département R&T - 2ième année.

  24. RL > RS RL < RS RL > RS RL < RS Les réseaux en L:

  25. RL > RS Utilisation des réseaux en L: Exemple: 1ière méthode: • Calculer un circuit en L qui devra adapter une source [RS] de 100W à une charge [RL] de 1kW à 100MHz. Le circuit devra permettre le passage de la composante continue de la source vers la charge. • On prendra alors le circuit (A) Passe-bas: • Il faut que: • RL ’ = RS = 100W, d ’où  = 3, C ’= 5.3 pF, et donc C = 4.8 pF • jLw + 1/(jC ’w) = 0, d ’où L = 477 nH.

  26. Utilisation des réseaux en L: 2ième méthode: • En généralisant l ’exemple précédent: avec X réactance capacitive ou inductive: • En reprenant l ’exemple: • QS = QP = 3 • XS = 300  et XP = 333  • D ’où L = XS/w = 477 nH et C = 1/(w* XP) = 4.8 pF

  27. L’ C’ Cas des sources et charges complexes: Adaptation par absorption: • l’absorption : les réactances de la charge et de la source sont “ absorbées ” par le circuit d’adaptation. • Et finalement: • L’ = 277 nH • C’ = 2.8 pF. • Soit L = L’ + LS et C = C’ + CL. • Calcul de LS pour f = 100 MHz: LS = 200 nH. • On remarquera que ce montage est similaire à l ’exemple précédent puisqu’on a le même QS = QP = 3 (qui dépendent de RL et RS). • D ’où L = 477 nH et C = 4.8 pF

  28. Cas des sources et charges complexes: Adaptation par résonance (1): • la résonance : toutes les réactances de la source et de la charge sont éliminées par résonance (réactances de signe opposé). • Soit à adapter la charge et la source du circuit suivant à 75 MHz: ETAPE 1: élimination par résonance parallèle: L1 = 1/(w^2*CL) = 112.6 nH

  29. XP = RL/ QP = 600/3.32 = 181  • D ’où L = XP/w = 384 nH Cas des sources et charges complexes: Adaptation par résonance (2): ETAPE 2: Choix du réseau d ’adaptation en L: Passe-haut avec RL > RS. • En utilisant la deuxième méthode: • XS = RS* QS = 50*3.32 = 166 • D ’oùC = 1/(w* XS) = 12.8 pF

  30. Cas des sources et charges complexes: Adaptation par résonance (3): ETAPE 3: Simplification du montage. L et L1 sont en parallèle. On trouve Lpar = 87nH D ’où le montage final:

  31. 3.3. Les réseaux à 3 éléments: IUT de Colmar - Département R&T - 2ième année.

  32. Réseaux à trois éléments: Montages types (1): • Avantage : on peut agir sur le facteur Q (et donc la bande passante) indépendamment de RS et RL. • Voici les réseaux les plus utilisés ainsi que les formules permettant de les calibrer : Réseau (A): RL > RS

  33. Réseaux à trois éléments: Montages types (2): Réseau (B): RL > RS Réseau (C): RL > RS

  34. Réseaux à trois éléments: Montages types (3): Remarque importante: • Cas où RL < RS: • On utilisera les mêmes réseaux en effectuant une symétrie entre l ’entrée et la sortie. • Il faut alors remplacer RL par RS et RS par RL dans les formules.

  35. Réseaux à trois éléments: Exemple (1): • On désire adapter l’impédance d’entrée du transistor bipolaire de puissance de référence 2N5642 à celle d’un générateur 50W. L’adaptation doit être réalisée à la fréquence de 175MHz. On utilisera le réseau (C), en fixant Q = 10.

  36. Réseaux à trois éléments: Exemple (2): ETAPE 1: élimination de CL par résonance parallèle avec L ’: L ’ = 1/(w^2*CL) = 4.14 nH ETAPE 2: symétrie du réseau (C) puisque RL < RS:

  37. Réseaux à trois éléments: Exemple (3): • Calcul des éléments: • D ’où L = XL/w = 23.6 nH • D ’oùC1 = 1/(w* XC1) = 27.5 pF • D ’oùC2 = 1/(w* XC2) = 8.82 pF

  38. 3.4. Utilisation de l ’abaque de SMITH: IUT de Colmar - Département R&T - 2ième année.

  39. +Xs -Xs Abaque de Smith: Manipulation des impédances: Exemple : Soit une impédance: Z = 0.5 + j0,7  on rajoute une réactance capacitive de –j1,0 Soit une impédance: Z = 0.8 – j1,0  on rajoute une réactance inductive de j1,8

  40. -Bp +Bp Abaque de Smith: Manipulation des admittances: Exemple : Soit une admittance : Y = 0,2 –j0,5  on rajoute une susceptance capacitive de +j0,8^-1 Soit une admittance : Y = 0,7 +j0,5  on rajoute une susceptance inductive de –j1,5^-1

  41. A l’aide l’abaque de SMITH, donner la valeur de l’impédance Z du circuit suivant : Abaque de Smith: Exemple 1: On trouve Z = 0.2 + j 0.5 

  42. Abaque de Smith: Exemple 2 (1): • A l’aide de l’abaque de SMITH, concevoir un circuit de couplage à deux éléments pour adapter une source ZS de 25 –j15 à une charge ZL de 100 -j25 à 60MHz. Le circuit devra également se comporter comme un filtre passe-bas. • On en déduit alors le réseau suivant: |ZL| > |ZS|

  43. Abaque de Smith: Exemple 2 (2): • Calculs: • Les valeurs des impédances sont trop grandes pour les placer sur l ’abaque de Smith. • Il faut alors normaliser ces valeurs. • On prendra une valeur de normalisation de 50: • ZSn = ZS / 50 = 0.5 - j 0.3  • ZLn = ZL / 50 = 2 - j 0.5  • On place sur l ’abaque de Smith les points représentants ZLn et ZSn* pour l ’adaptation de puissance. • On trace le chemin pour aller de ZLn à ZSn* selon la nature du réseau. • Chemin admittance AB: XCn = 1 / (0.85 - 0.12) = 1 / 0.73 = 1.37  • Chemin impédance BC: XLn = (0.3 - (-0.9)) = 1.2 

  44. Abaque de Smith: Exemple 2 (3): • Soient en valeurs réelles (non normalisées): • XC = XCn * 50 = 68.5  • XL = XLn * 50 = 60  • D ’oùC = 1/(w* XC) = 38.7 pF • D ’où L = XL/w = 159 nH

  45. 4. Les quadripôles amplificateurs en HF: IUT de Colmar - Département R&T - 2ième année.

  46. 4.1. Le transistor bipolaire: IUT de Colmar - Département R&T - 2ième année.

  47. ib ic ic vce vbe h21eib ib vce h12evce vbe T h11e 1/h22e Le transistor bipolaire: Schéma équivalent en régime dynamique: • RAPPEL DE 1ière ANNEE : • vbe = h11e ib + h12e vce • ic = h21e ib + h22e vce • On en déduit alors sa représentation électrique :

  48. Le transistor bipolaire: Détermination mathématique des paramètres hybrides: Pour l’entrée: vbe = h11e ib + h12e vce peut aussi s ’écrire : Pour la sortie: ic = h21e ib + h22e vce peut aussi s ’écrire : Avec: Avec: Et: Et:

  49. ICo IBo VCEo VBEo Le transistor bipolaire: Détermination graphique des paramètres hybrides: IC Impédance d’entrée: h11e = vbe/ib pour vce = 0 h21e h22e Réaction sortie-entrée: h12e = vbe/vce pour ib = 0 VCE IB • Gain dynamique en courant: • h21e = ic/ib pour vce = 0 h11e h12e Admittance de sortie: h22e = ic/vce pour ib = 0 VBE

  50. Le transistor bipolaire: Schéma équivalent de Giacoletto pour la HF: • Avec: • RB’E = h11e / h21e • RCE = 1 / h22e • gm = h21e / h11e

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