CHAPITRE 5 A l Analyse d ttransistors des i t BJT • Avec permission de Prentice Hall 1 Modeles des transistors BJT • Un modèle est un circuit équivalent qui représente les caractéristiques AC du transistor. • Le modèle utilise des éléments du circuit qui rapprochent le comporteent du transistor. • Les modèles les plus repandus du transistor en petits signaux AC sont: – Modèle re – Modèle hybride equivalent 2 Le modèle re du transistor • Les L BJTs BJT sontt des d composants t controlés t lé en courant; t par conséquent é t le modèle re utilise une diode et une source de courant pour dupliquer le comportement du transistor. • Un inconvénient du modèle est sa sensitivité au niveau DC. Ce modèle est concu pour des conditions spécifiques du circuit. 3 Configuration a base commune I c = αI e re = 26 mV Ie Impédance d’entrée: Z i = re Impédance de sortie: Z o ≅ ∞Ω Gain en tension: AV = αR L R L ≅ re re Gain en courant: A i = − α ≅ −1 4 Configuration a base commune I c = αI e re = 26 mV Ie Impédance d’entrée: Z i = re Impédance de sortie: Z o ≅ ∞Ω Gain en tension: AV = αR L R L ≅ re re Gain en courant: A i = − α ≅ −1 5 Configuration à émétteur commun Impédance d’entrée: Z i = β re Impédance de sortie: Z o = ro ≅ ∞ Ω Gain en tension: AV = − RL re Gain en courant: A i = β ro = ∞ 6 Configuration à collecteur commun Impédance d’entrée: Z i = ( β + 1) re Impédance de sortie: Z o = re || R E Gain en tension: AV = RE R E + re Gain en courant: Ai = β +1 7 Le Modèle équivalent hybride Les paramètres hybrides suivants sont utilisés avec le transistor BJT. Ces paramètres se trouvent dans la fiche des spécifications p du transistor. • • • • hi = résistance d’entrée hr = rapport inverse de tensions (Vi/Vo) ≅ 0 hf = rapport direct de courants (Io/Ii) ho = conductance de sortie 8 Modèle Simplifié des Paramètres h • • hi = résistance d d’entrée entrée hf = rapport direct de courants (Io/Ii) 9 Modèle re vs. Paramètre h Emétteur commun h ie = β re h fe = β ac Base commune h ib = re h fb = − α ≅ −1 10 Le Modèle hybride en π Le modèle hybride en π est très utile pour l’analyse des applications du transistor dans les hautes fréquences. Pour la zone des fréquences basses le modèle hybride en π ressemble le modèle des paramètres re, etnous pouvons utiliser celui celui-ci. ci 11 Configuration à polarisation fixe et émetteur commun co u • • • • • • Le signal d’entrée est appliqué à la base La sortie est par le collecteur L’impédance d’entrée est haute L’impédance de sortie est basse Haut gain en tension et en courant Décalage de phase de 180° 12 Configuration à polarisation fixe et emétteur commun co u AC équivalent Modèle re 13 Calculs à polarisation fixe et émétteur commun Impédance d’entrée: Z i = R B || β re Z i ≅ β re R E ≥ 10β re Impédance de sortie: Z o = R C || rO Z o ≅ R C ro ≥ 10R C Gain en tension: Av = Vo (R || r ) =− C o Vi re Av = − RC ro ≥ 10R C re Gain en courant: I β R B ro Ai = o = I i (ro + R C )(R B + β re ) A i ≅ β ro ≥ 10R C , R B ≥ 10β re Gain en courant à partir du gain en tension: Ai = −A v Zi RC 14 Polarisation par pont de base à émétteur commun co u Dans le modèle re il faut determiner β, re, et ro. 15 Calculs pour la polarisation par pont de base et é étt émétteur commun Impédance d’entrée: R ′ = R 1 || R 2 Z i = R ′ || β re Impédance de sortie: Z o = R C || ro Z o ≅ R C ro ≥ 10R C Gain en tension: Av = Vo − R C || ro = Vi re Av = Vo R ≅ − C ro ≥ 10R C Vi re Gain en courant: β R ′ro I Ai = o = I i (ro + R C )(R ′ + β re ) I βR ′ Ai = o ≅ r ≥ 10R C I i R ′ + β re o I A i = o ≅ β ro ≥ 10R C , R ′ ≥ 10β re Ii Gain en courant à partir du gain en tension: Z A i = −A v i RC 16 Configuration à polarisation fixe et émméteur commun 17 Calculs des impédances Impédance d’entrée: Z i = R B || Z b Z b = β re + (β + 1)R E Z b ≅ β(re + R E ) Z b ≅ βR E Impédance de sortie: Zo = R C 18 Calcul du Gain Gain en tension: Av = Vo βR C =− Vi Zb Av = Vo RC =− Vi re + R E Z b = β((re + R E ) Av = Vo R ≅ − C Z b ≅ βR E Vi RE Gain en courant: I βR B Ai = o = Ii R B + Zb Gain en courant à partir du courant en gain: Ai = −A v Zi RC 19 Configuration suiveur d’émétteur • • • Aussi appelée configuration à collecteur commun. L’entrée L entrée ss’applique applique à la base et la sortie est par ll’émétteur émétteur. Il n’y a pas décalage de phase entre entrée et sortie 20 Calculs d’impédance Impédance d’entrée: Z i = R B || Z b Z b = β re + (β + 1)R E Z b ≅ β(re + R E ) Z b ≅ βR E Impédance de sortie: Z o = R E || re Z o ≅ re R E >> re 21 Calcul du gain g Gain en tension: Vo RE = Vi R E + re V A v = o ≅ 1 R E >> re , R E + re ≅ R E Vi Av = Gain en courant: Ai ≅ − βR B R B + Zb Gain en courant à partir du gain en tension: Ai = −A v Zi RE 22 Configuration à base commune • • • • • • • L’entrée est appliqué à la base. La sortie est prise du collecteur. Impédance de base pétite. Impédance de sortie haute. haute Gain en courant moins de l’unité. Très haut gain en tension. Pas de décalage de phase entre entrée et sortie. 23 Calculs Impédance d’entrée: Z i = R E || re Impédance de sortie: Zo = R C Gain en tension: Av = Vo αR C R C = ≅ Vi re re Gain en courant: I A i = o = − α ≅ −1 Ii 24 Configuration à émétteur commun à retroaction • • • • C’est une variante de la configuration à émétteur commun et configuration fixe L’entrée est appliquée à la base La sortie s’applique s applique au collecteur Il y a un décalage de phase de 180° entre entrée et sortie 25 Calculs Impédance d’entrée: Zi = re 1 RC + β RF Impédance de sortie: Z o ≅ R C || R F Gain en tension: Av = Vo R =− C Vi re Gain en courant: Io βR F = Ii R F + βR C I RF Ai = o ≅ Ii RC Ai = 26 Configuration par retroaction de collecteur • C’est une variante de la configuration g à émétteur commun et configuration fixe • L’entrée est appliquée à la base • La sortie s’applique au collecteur • Il y a un décalage de phase de 180° entre l’entrée et la sortie 27 Calculs Impédance d’entrée: Zi = re 1 RC + β RF Impédance de sortie: Z o ≅ R C || R F Gain en tension: Av = Vo R =− C Vi re Gain en courant: Io βR F = Ii R F + βR C I RF Ai = o ≅ RC I Ai = i 28 Système à deux ports Cette aproche: • Réduit le système à deux ports • Fournit une vision “Thévenin” en sortie • Il facilite l’impact de la charge variable Avec Vi à 0 V: Z Th = Z o = R o La tension à terminal ouvert est: E Th = A vNL Vi avec AvNL étant le gain en tension. 29 Effet de la charge sur le gain Le modèle L dèl peutt être êt appliqué li é a tout amplificateur controllé par tension. L’ajout d’une charge réduit le gain: Av = Vo RL A vNL = Vi RL + Ro Ai = −A v Zi RL 30 Effet de l’impédance source sur le gain La fraction du signal entrant dans l’amplificateur est: Vi = R i Vs Ri + Rs La résistance interne de la source réduit le gain. A vs = Vo Ri A vNL = Vs R i + R s 31 Effet combiné Impact p de RL: Vo R L A vNL = Vi RL + Ro R Ai = −A v i RL Av = Impact de RL et de RS: Vo Ri RL = A vNL Vs R i + R s R L + R o R + Ri A iis = − A vs s RL A vs = 32 Système en cascade • • • • • La sortie d’un amplificateur est l’entrée de l’amplificateur suivant Le gain total est determiné par le produit des gains des étages induviduels. Les circuits de polarisation DC sont isolés par les condensaters de couplage couplage. Les calculs DC sont idépendants pour chaque étage. Les calculs du gain et et d’impédance sont dépendants 33 Amplificateurs RR-C BJT en couplage Impédance d’entrée, première étage Z i = R 1 || R 2 || β re Impédance de sortie, deuxième étage: Zo = R C Gain en tension: A v1 = R C || R 1 || R 2 || β re re A V2 = RC re A v = A v1 A v 2 34 Connexion en Cascode Cet exemple est une combinaison CE CE–CB. CB This arrangement provides high input impedance but a low voltage gain. The low voltage gain of the input stage reduces the Miller input capacitance capacitance, making this combination suitable for highfrequency applications. 35 Le circuit Darlington Le circuit Darlington g fournit un tres ahut gain— le produit des gains individuels: βD = β1β2 Par conséquant le circuit comporte une haute impédance d’entrée. 36 Polarisation des circuite Darlington Courant de base: VCC − VBE R B + β DR E Courant d’émetteur: IB = I E = (β D + 1)I B ≅ β D I B Tension d’émetteur: VE = I E R E Tension de base: VB = VE + VBE 37 Circuits miroir de courant Génèrent un courant constant dans les circuits intégrés. 38 Circuits sources de courant Ces circuits C i it peuventt se construiree t i avec des d FET FETs, BJTs, BJT ou par une combinaison. IE ≅ IC I ≅ I E = V − Z R V BE E more… 39 Circuits sources de courant VGS = 0V ID = IDSS = 10 mA 40 Configuration á polarisation fixe Impédance d’entrée: Z i = R B || h ie Impédance de sortie: Z o = R C || 1 / h oe Gain en tension: Av = Vo h (R || 1 / h o e ) = − fe C Vi h ie Gain en courant: I A i = o ≅ h fe Ii Z i = R B || h ie 41 Configuration par pont diviseur de tension Impédance d’entrée: Z i = R ′ || h ie Impédance de sortie: Zo ≅ R C Gain en tension: tension h (R || 1/h oe ) A v = − fe C h ie Gain en courant: Ai = − h fe R ′ R ′ + h ie 42 Configuration suiveur d’émetteur Impédance d;entrée: Z b = h fe R E Z i = R o || Z b Impédance de sortie: h Z o ≅ R E || ie h fe Z b = h fe R E Z i = R o || Z b Gain en tension: Av = Vo RE = Vi R E + h ie / h fe Gain en courant: h R A i = fe B R B + Zb Z Ai = −A v i RE 43 Configuration Base commune Impédance d’entrée: Z i = R E || h ib Impédance de sortie: Zo = RC Gain en tension: Av = Vo h R = − fb C Vi h ib Gain en courant: I A i = o = h fb ≅ −1 Ii 44