Bonjour Cyclotron,
Tout à fait, du cascodage il y a dans un mode un peu particulier, je vais y venir !
Alors c'est parti pour la transformation du schéma de départ...
Rappel du schéma de départ :
![[Image: Figure-5-Circuit.gif]](https://i.ibb.co/VHh8JrB/Figure-5-Circuit.gif)
Etape 1 : traitement de la polarisation en courant de M1
Le but est d’obtenir un fonctionnement de M1 à courant constant.
Le circuit M1 / I2 est modifié comme suit :
![[Image: Figure-10-circuit.gif]](https://i.ibb.co/G5N0LYv/Figure-10-circuit.gif)
La source de courant I1 a été remplacée par un circuit basé sur l’étage de sortie l’amplificateur de P. L. Taylor (
P.L. Taylor.– Wireless world – Juin 1973 - « Audio power amplifier ») dont on a amélioré les performances. Ce circuit permet de maintenir un courant constant dans R20 et M1 quelque soit la charge présentée à la sortie. Le principe est le suivant : le transistor M3 shunte tout ou partie du courant fourni par M1 vers le rail négatif pour maintenir celui-ci constant dans M1 en fonction de la consommation sur la sortie. La résistance R20 sert à mesurer le courant dans M1. M3 est commandé par Q5 de manière à maintenir la tension sur R20 constante.
Le reste du montage réalise la polarisation sans dérive de Q5 et le pilotage de la tension sur la grille de M3 au travers d’une charge active. La zener programmable TLV431V combinée à Q9 forme une source de courant constante et compensée en température. Ce courant au travers de R29 et Q5 produit la tension sur la base de Q5 définissant le courant de repos du buffer. Q8 monté en diode permet de compenser la dérive en température de Q5. R25 est une résistance de faible valeur limitant le gain de l’ensemble.
La charge de grille de M3 est réalisée par Q7/R26. C'est un générateur de courant constant. R26 est choisie égale à R31 de manière à avoir un courant égal dans la branche Q5/Q7 et la branche Q8/Q9, pour un compensation thermique adéquate entre Q5 et Q8.
Le résultat de ce montage ce premier step est courant de bias constant de M1, indépendant de la charge en sortie et du signal en sortie, indépendant de la température extérieure.
Etape 2 : traitement de la polarisation en tension de M1
Le circuit est ensuite modifié pour forcer une tension VdsM1 constante. Il suffit d’un simple cascodage de M1 pour cela. Toutefois un cascodage classique avec un unique transistor de puissance dont le Vgs aura sa propre distorsion thermique (élevée car dissipant une bonne partie de l’énergie en classe A) n’est pas suffisant. Il a été préféré une véritable régulation de la tension VdsM1 :
![[Image: Figure-11-circuit.gif]](https://i.ibb.co/dJjwLc8/Figure-11-circuit.gif)
La régulation est réalisée par Q4, M4, R14 et R21, alimentée en courant par Q3. La tension VdsM1est VbeQ4 + R14 . IR14. Elle est choisie aux alentours de 1.3V. R21 améliore la stabilité et est négligeable pour la tension VdsM1. R11, Q1, R12, C4, R17, Q3 forment un générateur de courant constant compensé en température. Ce courant définit la tension sur R14. Pour fonctionner correctement, la tension d’alimentation du générateur de courant doit être parfaitement stable. L’alimentation locale de cet ensemble est réalisée autour du bootstrap constitué par R3 et C2. Ce bootstrap fournit la tension au dessus du rail positif pour alimenter cette régulation de Vds. La tension de bootstrap est ensuite régulée en mode shunt par R7, X3, R8, R9. Cette tension est finalement filtrée par R10 et C3.
Nous avons au final de ces première étape de modification un transistor M1 dont la dissipation thermique, le Vds, le Id/Is sont parfaitement stabilisée et insensibles à la température externe. Les capacités parasites sont neutralisées. Les distorsions sont très largement réduites.
Etape 3 : traitement de M2
Le but est de geler les points de polarisation de M2. Là c'est beaucoup plus simple :
![[Image: Figure-12-circuit.gif]](https://i.ibb.co/n71CCRn/Figure-12-circuit.gif)
La source de courant constant I2 est remplacé R16/Q2.
Pour avoir VdsM2 = constante le drain de M2 est maintenant relié à la sortie (la source de M1). Comme la source de courant est constante, VR1 est constante. Et comme nous avons Vgs M1 constant alors VdsM2 = VgsM1 – VR1 est Constant.
R1 est un ajustable régler pour que VR1+VsgM2 compense exactement VgsM1 : c’est le réglage de l’offset de sortie.
A l’issue de cette troisième étape nous avons l’ensemble des transistors critiques (M1, M2 sur le trajet du signal) voient leur polarisation gelée. Les autres transistors importants sont proche d’une polarisation stabilisée.
Etape 4 : modification du bootstrapping
L’opération consiste à rompre le bouclage avec la sortie et à utiliser la tension d’entrée bufferisée par deux ampli-op à la place. On s’appuie sur le fait que dans un buffer la tension d’entrée est identique à la tension de sortie. On gagne en stabilité car il n'y a plus la réaction positive entre la sortie du M1 et le montage cascode.
Et on arrive ainsi au schéma final (protection à l'entrée, et protection en sortie non représentées ici).
![[Image: Figure-13-circuit.gif]](https://i.ibb.co/fqLF9GX/Figure-13-circuit.gif)
Les mesures réalisées au simulateur et les mesures réalisées sur le prototype dans un prochain post...
Tout à fait, du cascodage il y a dans un mode un peu particulier, je vais y venir !
Alors c'est parti pour la transformation du schéma de départ...
Rappel du schéma de départ :
Etape 1 : traitement de la polarisation en courant de M1
Le but est d’obtenir un fonctionnement de M1 à courant constant.
Le circuit M1 / I2 est modifié comme suit :
La source de courant I1 a été remplacée par un circuit basé sur l’étage de sortie l’amplificateur de P. L. Taylor (
P.L. Taylor.– Wireless world – Juin 1973 - « Audio power amplifier ») dont on a amélioré les performances. Ce circuit permet de maintenir un courant constant dans R20 et M1 quelque soit la charge présentée à la sortie. Le principe est le suivant : le transistor M3 shunte tout ou partie du courant fourni par M1 vers le rail négatif pour maintenir celui-ci constant dans M1 en fonction de la consommation sur la sortie. La résistance R20 sert à mesurer le courant dans M1. M3 est commandé par Q5 de manière à maintenir la tension sur R20 constante.
Le reste du montage réalise la polarisation sans dérive de Q5 et le pilotage de la tension sur la grille de M3 au travers d’une charge active. La zener programmable TLV431V combinée à Q9 forme une source de courant constante et compensée en température. Ce courant au travers de R29 et Q5 produit la tension sur la base de Q5 définissant le courant de repos du buffer. Q8 monté en diode permet de compenser la dérive en température de Q5. R25 est une résistance de faible valeur limitant le gain de l’ensemble.
La charge de grille de M3 est réalisée par Q7/R26. C'est un générateur de courant constant. R26 est choisie égale à R31 de manière à avoir un courant égal dans la branche Q5/Q7 et la branche Q8/Q9, pour un compensation thermique adéquate entre Q5 et Q8.
Le résultat de ce montage ce premier step est courant de bias constant de M1, indépendant de la charge en sortie et du signal en sortie, indépendant de la température extérieure.
Etape 2 : traitement de la polarisation en tension de M1
Le circuit est ensuite modifié pour forcer une tension VdsM1 constante. Il suffit d’un simple cascodage de M1 pour cela. Toutefois un cascodage classique avec un unique transistor de puissance dont le Vgs aura sa propre distorsion thermique (élevée car dissipant une bonne partie de l’énergie en classe A) n’est pas suffisant. Il a été préféré une véritable régulation de la tension VdsM1 :
La régulation est réalisée par Q4, M4, R14 et R21, alimentée en courant par Q3. La tension VdsM1est VbeQ4 + R14 . IR14. Elle est choisie aux alentours de 1.3V. R21 améliore la stabilité et est négligeable pour la tension VdsM1. R11, Q1, R12, C4, R17, Q3 forment un générateur de courant constant compensé en température. Ce courant définit la tension sur R14. Pour fonctionner correctement, la tension d’alimentation du générateur de courant doit être parfaitement stable. L’alimentation locale de cet ensemble est réalisée autour du bootstrap constitué par R3 et C2. Ce bootstrap fournit la tension au dessus du rail positif pour alimenter cette régulation de Vds. La tension de bootstrap est ensuite régulée en mode shunt par R7, X3, R8, R9. Cette tension est finalement filtrée par R10 et C3.
Nous avons au final de ces première étape de modification un transistor M1 dont la dissipation thermique, le Vds, le Id/Is sont parfaitement stabilisée et insensibles à la température externe. Les capacités parasites sont neutralisées. Les distorsions sont très largement réduites.
Etape 3 : traitement de M2
Le but est de geler les points de polarisation de M2. Là c'est beaucoup plus simple :
La source de courant constant I2 est remplacé R16/Q2.
Pour avoir VdsM2 = constante le drain de M2 est maintenant relié à la sortie (la source de M1). Comme la source de courant est constante, VR1 est constante. Et comme nous avons Vgs M1 constant alors VdsM2 = VgsM1 – VR1 est Constant.
R1 est un ajustable régler pour que VR1+VsgM2 compense exactement VgsM1 : c’est le réglage de l’offset de sortie.
A l’issue de cette troisième étape nous avons l’ensemble des transistors critiques (M1, M2 sur le trajet du signal) voient leur polarisation gelée. Les autres transistors importants sont proche d’une polarisation stabilisée.
Etape 4 : modification du bootstrapping
L’opération consiste à rompre le bouclage avec la sortie et à utiliser la tension d’entrée bufferisée par deux ampli-op à la place. On s’appuie sur le fait que dans un buffer la tension d’entrée est identique à la tension de sortie. On gagne en stabilité car il n'y a plus la réaction positive entre la sortie du M1 et le montage cascode.
Et on arrive ainsi au schéma final (protection à l'entrée, et protection en sortie non représentées ici).
Les mesures réalisées au simulateur et les mesures réalisées sur le prototype dans un prochain post...
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