Transistor bipolaire statique - sur le site de Claude Lahache

Introduction : Les modes de fonctionnement du transistor bipolaire.
Dans tous les cas, le transistor bipolaire est commandé par le courant I
B
.
- Le régime linéaire. Le courant collecteur est proportionnel au courant de base : I
C
= βI
B
.
Ce mode de fonctionnement est utilisé pour réaliser des sources de tension ou de courant, ainsi que des
étages amplificateurs divers.
- Le régime de commutation. Le transistor se trouve dans l’état bloqué (jonctions BE et BC bloquées, c’est à
dire I
B
= 0) ou dans l’état saturé (jonctions BE et BC passantes, soit I
B
> I
BMINI
).
Ce mode de fonctionnement permet de réaliser un interrupteur à courant unidirectionnel à l’aide d’un
transistor.
Ce chapitre ne concerne que le fonctionnement du transistor bipolaire en régime linéaire et avec des courants
continus : Nous analysons ici quelques exemples de réalisation de sources de tension et de courant ; nous
continuons par l’analyse de la polarisation du transistor dans les étages amplificateurs les plus courants.
1 . Réalisation de sources de tension constante.
1.1 Rappel : Régulation par diode Zéner.
Une diode zéner peut conduire en direct, ou en inverse
(mode « zéner »)
On exploite la conduction en inverse pour laquelle la
tension aux bornes de la diode dépend assez peu de
l’intensité du courant qui la traverse.
Dans l’étage de la figure de droite, la diode zéner
conduit en inverse :
- Si la tension d’entrée U
e
est supérieure à U
Z
- Si la valeur de la charge R
U
est suffisamment
grande
Tant que ces 2 conditions sont réunies, la tension U
S
aux bornes de la charge est égale à U
Z
et dépend donc
assez peu de la valeur de U
e
(régulation « amont ») et de celle de la charge R
U
(régulation « aval »)
1.2 Alimentation stabilisée à transistor parallèle.
Le principe de base est représenté ci-contre :
Le fonctionnement satisfaisant de ce système
nécessite que la diode régule en zéner et que le
transistor fonctionne en régime linéaire.
Dans ces conditions, la tension de sortie
s’écrit : U
S
= U
Z
+ V
BE
, avec V
BE
≈ 0,7V
R
Ru
Ue Us Dz
Ie
Is
Iz
R
Ru
R
’
Ie
Is
Ue
Us
Dz
Iz
Ic
Tr
0,7V U
Z
I
Z
>0 I
D
>0
Conduction directe Conduction inverse

1.3 Alimentation stabilisée à transistor série.
Dans cette structure, le fonctionnement correct
correspond à un transistor en régime linéaire et
une diode zéner conductrice en inverse.
Dans ces conditions, U
S
= U
Z
–V
BE
≈ U
Z
– 0,7V
2 . Sources de courant.
On utilise ici aussi une diode zéner qui travaille
en conduction inverse pour fixer le courant collecteur
d’un transistor :
Si U
e
> U
Z
alors V
BM
= U
Z
= V
BE
+ R
E
I
E
D’où I
C
≈
E
BEZ
E
R
VU
I− =
L’intensité I
C
est ainsi indépendante de la charge R
U
(et de la valeur de U
e
)
I
C
est fixée par la valeur de R
E
et par le choix de la
diode zéner.
Remarque : Miroirs de courant.
Ces montages ont pour objectif la production d’un générateur de courant I
2
commandé par un autre courant (I
1
).
1
er
montage
Tr
1
et Tr
2
sont identiques (diffusés sur le même substrat)
V
BE1
= V
BE2
 I
B1
≈ I
B2
avec β >> 1, I
1
≈ β
1
I
B1
et I
2
≈ β
2
I
B2
d’où:
1
2
1
2
I
I
β
β
≈
Montage bien adapté aux CI
2
ème
montage
I
R1
= I
1
– I
B2
≈ I
1
I
R2
= I
2
+ I
B2
≈ I
2
V
BE1
+ R
1
I
1
= V
BE2
+ R
2
I
2
avec V
BE1
≈ V
BE2
;
d’où
2
1
1
2
R
R
I
I≈
Le fonctionnement ne dépend pas des β des 2 transistors ; on peut
utiliser des transistors discrets et l’utilisateur choisit R
1
et R
2
.
Ie
Ue
R
Ru
Is
Us
Ic Tr
Dz
Iz
I
Ie
Ue
Is
Us
Ru
R
Tr
I
Iz
Dz
RE
Ic
B
M
E
C
Tr1
Tr2
I1 I2
IB1 IB2
> 0,6V
R1 R2
Tr1 Tr2
I1 I2
IB1 IB2
> 0,6V

3 . Etage Darlington
Le montage Darlington est utilisé pour obtenir un transistor équivalent à très grand gain. Il peut être réalisé avec 2
transistors de même type ou avec 2 transistors complémentaires.
Dans les étages ci-dessous, le transistor T
R1
(« driver ») est caractérisé par 
1
et le transistor T
R2
par 
2
Exemple du montage 1 : Soit I
B
= I
B1
le courant de base du transistor équivalent ;
Le courant de collecteur de ce transistor est I
C
= I
C1
+I
C2
= 
1
I
B1
+ 
2
I
B2
= 
1
I
B1
+ 
2
(
1
+ 1)I
B1
Soit finalement : I
C
= (
1
+ 
2
+ 
1 2
)I
B
= 
EQ
.I
B
;
Le « gain » 
EQ
du transistor équivalent est bien plus grand que 
1
ou 
2
.
3 . Polarisation des étages amplificateurs.
Schéma électrique de principe
Les générateurs de Thévenin {V
BB
, R
B
} et {V
CC
, R
C
}
sont choisis pour fixer un point de fonctionnement
au transistor : On parle de point de repos du transistor.
Les valeurs des courants et des tensions relatives au
transistor polarisé sont nommées coordonnées de
repos du transistor.
On distingue différentes classes de polarisation du
transistor, selon la position de son point de repos.
RB
RC
I
B
I
C
I
E
V
BE
V
CE
V
BB
V
CC
Tr2
Tr1
IB1
IB2=IC1
IC2
2
Tr2
Tr1
IB1
IB2=IC1
IC2
3
Tr1
Tr2
IB1 IC2
IB2=IE1
IC1
1
E
C
B
I
B
V
BE
I
C
V
CE
0
Droite de
charge
statique
Droite
d’attaque
statique
Caractéristique
de transfert en
charge

3.1 Polarisations en classe A.
Le transistor fonctionne en régime linéaire, soit I
C
= I
B
.
Idéalement, en classe A, le point de repos du transistor est localisé au milieu de la droite de charge.
Dans un même lot de transistors, le  est sujet à une très forte dispersion ; de plus,  varie notablement avec la
température du transistor : Il y a donc lieu de choisir un dispositif de polarisation qui fixera un point de repos
indépendant de , ceci afin d’assurer l’interchangeabilité du composant sans nuire aux propriétés de l’étage
amplificateur projeté.
- Polarisation par la base.
B
BEcc
B
RVV
I
−
=
−
β=
B
BEcc
C
RVV
I
V
CE
= V
CC
- R
C
I
C
- Polarisation par l’émetteur.
V
CC
= R
E
I
E
+ V
BE
+ R
B
I
B
I
E
≈ I
C
et I
C
= βI
B
β
+
−
≈≈
B
E
BEcc
EC
R
R
VV
II
V
CE
≈ 2V
CC
– (R
C
+ R
E
)I
C
I
C
peut être rendu indépendant de  par le choix
β
>>
B
E
R
R
.
- Polarisation avec rétroaction au collecteur.
V
CC
≈ V
BE
+ R
B
I
B
+ R
C
I
C
β
+
−
≈
B
C
BEcc
C
R
R
VV
I
V
CE
≈ V
CC
- R
C
I
C
Ici, I
C
devient indépendant de  pour β
>>
B
C
R
R
RC RB
IB
IC
VBE
VCE
VCC
RC
IB
IC
VBE
VCE
VCC
RE
VCC
RB
IE
RC
IB
IC
VBE
VCE
VCC
RB

- Polarisation par pont
.
R
1
et R
2
sont choisies de telle sorte que I
B
soit faible
devant I
1
;
En remplaçant le diviseur {R
1
; R
2
} par son modèle
de Thévenin, il vient :
BEEEB
21
21
cc
21
1
VIRI
RR RR
V
RR R+= +
−
+
avec IC ≈ IE = βIB
21
21
E
BECC
21
1
C
RR
RR1
R
VV
RR
R
I
+
⋅
β
+
−
+
≈
et V
CE
= V
CC
– (R
C
+ R
E
)I
C
I
C
ne dépend pas de  si
21
21
E
RR
RR
.
1
R+β >>
3.2 Polarisation en classe B.
En classe B, le transistor est polarisé à courants de base et de collecteur nuls : Il est bloqué.
Transistor NPN Transistor PNP Etage « push-pull »
Avantage de ce type de polarisation : Le transistor ne consomme aucune puissance au repos ; ceci est
particulièrement important dans le cas des amplificateurs de puissance.
Afin d’améliorer certains défauts de la polarisation en classe B,
il existe une polarisation en classe AB
On donne à droite l’exemple d’un étage push-pull en classe AB :
Les résistances R sont choisies de telle sorte que les transistors
soient à la limite de conduction, mais sont encore bloqués, soit
VBE ≈ 0,6V, avec IB = IC = 0.
RU
Vcc
T1 RU
Vcc
T2
RU
Vcc
Vcc
T2
T1
RC
IB
IC
VBE
VCE VCC
RE
IE
R2
R1
I1
RU
Vcc
Vcc
T2
T1
R
R
D
1
D
2