1. Introduction.

Ce document décrit donc le principe de fonctionnement et la conception d'un amplificateur dont le gain est contrôlé par une tension. Le principe, largement inspiré des limiteurs audio, utilise un transistor à effet de champ (JFET) comme résistance variable dans un montage inverseur à amplificateur opérationnel. La distorsion ne sera pas abordée par la suite, l'application envisagée n'étant pas relative à l'audio ; le lecteur interessé par ce problème se référera aux liens en bas de page.

2. Prérequis.

Avant toutes choses, rappelons quelques points concernant la jonction PN polarisée en inverse. La zone P de la jonction comprend des atomes de silicium de valence 4 et des impuretés de valence 3 (type gallium). L'impureté ne pouvant établir que trois liaisons avec le silicium, il y aura un trou dans la quatrième liaison. Pour la zone N, les impuretés sont de valence 5 (type arsenic) ; quatre liaisons pourront se former, le cinquième élément (ici un électron) sera libre. Si une différence de potentiel négative est appliquée à la jonction PN, les trous de la zone P seront attirés par le potentiel négatif alors que les électrons de la zone N se déplaceront vers le potentiel positif. Cela est d'autant plus vrai que la tension négative est importante. Il se crée donc au niveau de la jonction une zone ionisée (dépourvue de porteurs libres) qui est d'autant plus grande que la tension est élevée. Tel quel le phénomène est inexploitable, aucun courant ne pouvant circuler (c'est bien une diode polarisée en inverse!). L'application apparait par la suite avec le TEC.

Figure 1 : la jonction PN en inverse.

Le transistor à effet de champ (FET/TEC) est un barreau de silicium type N (cas du JFET canal N) autour duquel est réalisé une inclusion de silicium dopé P. La grille constitue ainsi une jonction PN avec le barreau; lorque une tension négative sera appliquée sur la grille, une zone va se dépeupler de porteurs mobiles. Cette région s'agrandit quand une tension de grille négative est appliquée et forme ainsi une zone d'étranglement (effet résistif).

Figure 2 : principe de fonctionnement du FET canal N.

Donc, entre drain et source, le JFET est équivalent à une résistance commandée en tension dont la veleur peut être ajustée de quelques centaines d'ohms pour Vgs=0 (zone ionisée faible) à une valeur élevée pour Vgs équivalent à la tension de pincement (tension Vgs pour laquelle le courant de drain s'annule). Une formule approchée donne :

Rds = Rds_on / (1 - Vgs/Vp)

3. Le montage.

Le montage est donc basé sur un système à amplificateur inverseur ; le FET n'est pas mis dans la contre réction pour éviter les problèmes de non liéarité de Rds avec la tension Vds. La résistance en parallèle permet de limiter les pertes quand le transistor est pincé (Vgs#Vp alors Rds important). La tension Vgs à appliquer doit être négative, le transistor utilisé de type 2N3819, SURTOUT pas un trnasistor prévu pour alimentation à découpage !!

Figure 3 : Le montage.

Le gain de ce montage est donné par la relation :

G = - (R2 / [(R1*Rds)/(R1+Rds)])
Soit pour Vgs=0 : G=-R2/Rds_on=Gmax (si R1>>Rds_on)
Pour Vgs=Vp : G=-R2/R1=Gmin (Rds élevée)

Figure 3 : Résultat de mesure : gain pour Ve=200mV 100kHz offset continu=0V.

4. Analyse et simulation.

Le simulteur Pspice (spice sou Orcad) permet de vérifier le comportement de la linéarisation, le calcul étant un peu fastidieux. Le modèle permet donc de linéariser et de définir les résistances de butée de gain min et max (R2 et R3). Ici R3 est négligeable, pour Vgs=0 Rds=Rds_on et Gmax=4, on en déduit l'odre de grandeur de Rds_on=125 Ω (150 d'après la datasheet quand Vgs=0). Quand Vgs atteint la tension de pincement, le gain minimum est obtenu par le rapport de la résitance de contre réaction sur R2 qui limite donc le gain à 0,5 (autrement dit, une atténuation de deux). La tension de pincement est obtenue pour Vgs # -5Volts.

Figure 4 : Le montage linéarisé de imulation.

Netlist et commandes spice ; elle n'est pas directement utilisable, il faut inclure la librairie de l'aop et ajouter les en-têtes qui vont bien. (par ailleurs, le .TRAN généré par PSpice est assez curieux)

*Analysis directives: 
.TRAN  0 200us 0 0.01us 
.PROBE 
.INC "cag-SCHEMATIC1.net" 

**** INCLUDING cag-SCHEMATIC1.net ****
* source CAG
C_C2         OUT N18844  5pF  
R_R1         OUT N18844  500  
V_V6         VGS 0  
+PULSE 0 -6 5u 80u 80u 5u  
R_R3         N18844 N32099  1  
V_V2         -12V 0 -12V
V_V1         +12V 0 12V
R_R4         VE N32695  100k  
R_R5         N32695 VGS  100k  
X_U23         0 N18844 +12V -12V OUT OPA655
R_R2         N18844 VE  1k  
V_V5         VE 0  
+SIN 0 0.5 200k 0 0 0
J_J1         VE N32695 N32099 J2N3819 

*Modèle et librairies:
* 2N3819 ELECTRICAL MODEL (JFET UHF canal N)
* -----------------------
*.SUBCKT  2N3819 A B C  

.MODEL J2N3819 NJF(Beta=1.304m Betatce=-500m Rd=1 Rs=1 Lambda=2.25m 

+ Vto=-3 Vtotc=-2.5m Is=33.57f 
+ Isr=322.4f N=1 Nr=2 Xti=3 Alpha=311.7 Vk=243.6 Cgd=1.6p M=362.2m 
+ Pb=1 Fc=500m Cgs=2.414p Kf=9.882e-003f Af=1) 

Figure 5 : Résultats de simulation.

La linéarisation permet donc de faire varier Vgs vers la tension de pincement tout en restant linéaire au niveau du gain. Une non linéarité suplémentaire, risque d'être ajoutée au niveau de l'association Rds/R2/R3.

5. Contribution du forum électronique (fr.sci.electronique).

Montage et explication de la linéarisation.

> C'est basé sur l'amplificateur inverseur classique (entrée + à la
> masse, entrée - recevant le signal via R1, contre réaction par le FET.)

de Marc Zirnheld :
------------------

Pas terrible parce que la résistance du canal du FET n'est pas linéaire,
elle varie avec la tension drain-source, donc avec la tension de sortie
de l'ampli-op.

Il vaut mieux utiliser un montage non-inverseur et ajouter le FET en
parallèle avec la résistance (à l'extrême, remplacer la résistance) qui
va de l'entrée - de l'AOP vers la masse. Il faut calculer la
contre-réaction de telle sorte que le gain à Vgs=0 soit assez grand (par
exemple 20 ou 50), ainsi la tension drain-source du FET reste toujours
très petite. Quand Vgs ira vers des valeurs négatives (pour un FET canal
N qui est le plus courant dans cet usage), Rds augmentera et le gain de
l'ampli ainsi constitué diminuera (jusqu'à devenir unitaire une fois le
canal du FET complètement pincé). Il n'est pas interdit de placer une
résistance en série avec le FET, si la variation de gain qu'on souhaite
obtenir est faible.

Si on veut gagner en linéarité on peut mettre deux FET complémentaires
en anti-parallèle, mais il faut deux tensions de commande au lieu
d'une... il vaut mieux utiliser d'autres techniques, genre cellule
multiplicatrice de Gilbert.

de J.F. FOURCADIER :
--------------------

Voir par exemple :
http://www.arrl.org/tis/info/pdf/9711036.pdf

de jean francois chevalier :
----------------------------

> http://users.ece.gatech.edu/~mleach/
> cliquer sur  : "A FET Audio Peak Limiter" de ce site

C'est sans doute très bien, mais peut-être un peu compliqué pour le
besoin de Florent.

> (par ailleurs très interessant)

Ouaich... c'est grâce à des montages comme
http://users.ece.gatech.edu/~mleach/papers/fmlimiter.pdf (et on a encore
fait pire en numérique) que la radio sonne comme une casserolle, et que
les inventeurs de la FM se retournent dans leurs tombes.

> http://www.epanorama.net/links/audiocircuits.html

http://freespace.virgin.net/ljmayes.mal/comp/comp.htm
Il y a une große astuße de linéarisation avec R1,R2 et R3 que je ne
comprends pas bien mais qui est sûrement intéressante à creuser.

> Un fet n'est pas facile à utiliser dans la contre réaction mais avec une
> photorésistance si :

Oui, ça marche très bien, on peut mettre une simple petite ampoule en
face. Bien entendu on ne peut pas régler les constantes de temps !

J'ai aussi fait un petit compresseur en utilisant la variation de
résistance du filament de l'ampoule. J'ai vu des vieux schémas de
compresseurs/expanseurs utilisant des ponts avec deux types d'ampoules,
à filament de carbonet et filament métallique, qui ont des coefficients
de température opposés !

Sinon, le SL6270 (Plessey) était bien pratique pour faire des amplis de
micro avec compresseur (pas de très bonne qualité audio mais bien assez
pour de la sono), mais ce composant semble avoir disparu.