Electronique Analogique - 3ème partie - Le transistor
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IUT Louis Pasteur – Mesures Physiques Electronique Analogique 2ème semestre – 3ème partie Damien JACOB 08-09 Le transistor bipolaire I. Description et symboles Effet transistor : effet physique découvert en 1949 (IBM) Un transistor est constitué de 2 jonctions ܲܰ accolées. On a donc 2 types de transistors : PNP NPN La flèche permet de repérer l’émetteur et de donner le sens passant de la jonction. II. Effet transistor 1. Existence L’effet transistor existe si 2 conditions sont vérifiées simultanément : • La jonction Base – Emetteur est polarisée dans le sens direct, • La jonction Collecteur – Base est polarisée dans le sens inverse. On peut contrôler le sens du courant dans un transistor à l’aide d’un courant auxiliaire : Contrôle de ܫ à l’aide de ܫ : ࡵ = ࢼࡵ : amplification en courant ߚ : coefficient d’amplification ELANA – part3 Page 2 2. Mise en équation Le transistor est • un nœud de courant : • une maille de tension : ܫா = ܫ + ܫ = ܫ + ܫ ≈ ܫ ߚ ܸா = ܸ + ܸா La jonction Base – Emetteur est polarisée dans le sens direct et est donc équivalente à une diode. → ܸா = 0,6 à 0,7 ܸ III. Polarisation 1. Introduction Le transistor fonctionne si l’effet transistor existe, c'est-à-dire si la jonction Base – Emetteur est polarisée dans le sens direct et si la jonction Base – Collecteur est polarisée dans le sens inverse. Il est donc nécessaire d’employer une source de tension continue pour obtenir les conditions de polarisation. ܰܲܰ → ܸ > ܸ > ܸா Inconvénient : on ne contrôle pas la valeur des courants. → On distingue différents montages de polarisation. a. Polarisation par montage de base Il faut calculer ܴ et ܴ de façon à avoir ܸ > ܸ . ELANA – part3 Page 3 b. Polarisation par rebouclage des résistances On a automatiquement ܸ > ܸ c. Polarisation automatique par pont de base Le pont de base consiste en la mise en place d’un pont diviseur de tension sur la base par le biais de ܴଵ et ܴଶ . 2. Polarisation par point de repos ( ≡ point de polarisation) Le point de polarisation est un état du transistor déterminé par les alimentations continues de polarisation et les résistances ൫ܫ , ܫ , ܸா , ܸா ൯. : maille d’entrée du transistor • Dans la maille : • Dans la maille : ELANA – part3 : maille de sortie du transistor ܧଶ = ܴ ܫ + ܸா ܧଶ − ܸா ܫ = ܴ = droite de charge statique : ܫ = ݂ሺܸா ሻ ܧଵ = ܴ ܫ + ܸா ܧଵ − ܸா ܫ = ܴ = droite de charge statique : ܫ = ݂ሺܸா ሻ Page 4 Exemple : ܧଵ = ܧଶ = ܸ = 15 ܸ Comment choisir ܴ pour que le point de polarisation ܲ soit au milieu de la droite de charge statique ? ܴ = 3 ݇Ω ൝ β = 50 ܸ − ܸா ܫ = ܴ → La représentation graphique de la fonction ܫ = ݂ሺܸா ሻ est une droite (droite de charge statique). On peut tracer cette droite à l’aide de 2 points : • ܫ = 0 → ܸா = ܸ • ܸா = 0 → ܫ = ோ ܸ − ܸா ܸ = = 2,5 ݉ܣ ܴ 2ܴ Le transistor étant polarisé, on a l’existence de l’effet transistor : ܫ = ߚܫ On a donc : ܫ 2,5. 10ିଷ ܫ = = = 50 ߤܣ ߚ 50 ܫ = ܫ = ܧଶ − ܸா ܴ → ܴ = ܧଶ − ܸா 15 − 0,6 14,4 = = . 10ିହ ܫ 50. 10ି 5 ܴ ≈ 288 Ω On prendra pour ܴ une résistance de ૠ ષ. Exemple : polarisation automatique par pont de base ܸ = 15 ܸ ൝ ܴ = 3 ݇Ω β = 50 ᇱ ܫ = ܫ + ܫ → ܫᇱ = ܫ − ܫ Si ܫ ≫ ܫ , alors on peut utiliser les règles de calcul dans un pont diviseur entre ܴଵ et ܴଶ . → ܫᇱ ≈ ܫ → le courant ܫ passe dans ܴଵ et ܴଶ On s’impose comme condition ܫ ≫ ܫ , on ܫ prendra pour cela > ܲܫ10 . ܤ De plus, on souhaite que le point de polarisation ܲ soit placé au milieu de la droite de charge statique. ELANA – part3 Page 5 Droite de charge statique : ܸ = ܴ ܫ + ܸா ܫ = ܸ = 2,5 ܣ 2ܴ → Objectif : déterminer ܴଵ et ܴଶ pour obtenir ces valeurs de polarisation. ܫ = ߚܫ → ܫ = ܸ − ܸா ܴ ܸ = = 7,5 ܸ 2 ܫ = ܸா ܫ 2,5. 10ିଷ = = 50 ߤܣ ߚ 50 Pour fixer les valeurs de ܴଵ et ܴଶ , on se fixe un relation entre ܫ et ܫ . Prenons par exemple ܫ = 100ܫ , on a alors : ܫ = 100 × 50. 10ି = 5 ݉ܣ ܫᇱ ܸ = ሺܴଵ + ܴଶ ሻܫ ܫ ≫ ܫ = ܫ − ܫ → → ܫ ′ = ܫ ܴଵ + ܴଶ = ܸ 15 = = 3 ݇Ω ܫ 5. 10ିଷ ܸ = ܴଶ ܫ = ܸா Lorsque le transistor est polarisé, on a : ܸா = ܸா = ܥ௧ = 0,6 ܸ Et finalement : ܴଶ ܫ = ܸா → ܴଶ = ܸா 0,6 = = 120 Ω ܫ 5. 10ିଷ ܴଵ = 3000 − ܴଶ = 3000 − 120 = 2880 Ω Donc, pour avoir ܫ = 2,5 ݉ ܣ, il faut ܫ = 50 ߤ ܣet ܫ = 5 ݉ ܣ. C’est donc la condition entre ܫ et ܫ qui fixe les valeurs de ܴଵ et ܴଶ . En effet, si ܫ = 20ܫ , alors ܫ = 1 ݉ܣ → ܴଵ + ܴଶ = 15 ݇Ω ܴ = 14400 Ω → ൜ ଵ ܴଶ = 600 Ω Il faut toutefois éviter que ܫ soit trop grand pour éviter d’importantes pertes par effet Joule dans ܴଵ et ܴଶ . ELANA – part3 Page 6 IV. Les différents états du transistor 1. Caractéristique ࡵ = ࢌሺࡵ ሻ La droite de charge statique donne ܫ = ݂ሺܸா ሻ . ܸ − ܸா ܫ = ܴ ܸ ܴ Malgré l’effet transistor ܫ = ߚܫ , le montage impose un courant maximum, dit courant de saturation : ܸ ܫ ௦௧ = ܴ • Etat : ܫ = 0 et ܫ = 0 → Le transistor est bloqué • Etat : proportionnalité entre ܫ et ܫ → régime linéaire • Etat : ܫ = ܥ௧ = ܫ ௦௧ → le transistor est saturé ܫ ௌ : courant de juste saturation ܫ ܫ ௌ = ௦௧ ߚ ܫ ௫ = 2. Le régime linéaire Le transistor est en régime linéaire si l’effet transistor est vérifié, c'est-à-dire si la jonction Base – Emetteur est polarisée dans le sens direct et si la jonction Base – Collecteur est polarisée dans le sens inverse. On a alors : ܫ = ߚܫ 3. Le régime de commutation Si le transistor n’est pas en régime linéaire, alors soit : • ࡵ = : le transistor est bloqué si la jonction Base – Emetteur est polarisée en inverse. On a alors ܸா < 0,6 ܸ et ܸா = ܸ • ࡵ = ࡵ ࢙ࢇ࢚ : le transistor est saturé si la jonction Base – Emetteur est polarisée dans le sens direct. On a alors ܸா > 0,6 ܸ et ܫ ௦௧ = ELANA – part3 ோ Page 7 Exemple : ܸ = 15 ܸ ൝ ܴ = 3 ݇Ω ߚ = 100 Calculer la valeur de ܴ pour saturer le transistor. ܸ = ܴ ܫ + ܸா → ܫ ௦௧ = ܸ ܴ ܫ = ܸ − ܸா ܴ ܸ = ܴ ܫ + ܸா Pour saturer correctement le transistor, il faut ܫ > ܫௌ . Or : ܫ ܸ ܫௌ = ௦௧ = ߚ ܴ ߚ ܸ − ܸா ܸ ܫ = > ܫௌ = ܴ ܴ ߚ Avec ܸா ≪ ܸ , on a : ܸ ܸ > → ܴ < ߚܴ ܴ ܴ ߚ ܴ < 100 × 3000 → ܴ < 3. 10ହ Ω Il faut ࡾ < 300 ݇ષ pour saturer le transistor. En général, on prend ܫ = 3 ݑ4 ܫௌ Exemple : Quelle tension ܸ faut-il appliquer à l’entrée de ce transistor pour le bloquer ? Il suffit que ܸ < 0,6 ܸ pour bloquer le transistor. En général, on prend ܸ ≤ 0 ܸ . ELANA – part3 Page 8 V. Schémas équivalent du transistor 1. En régime continu ൜ Avec ܫఘ ≪ ܫ ܸா = ܴܫ + ܸா ܫ = ߚܫ + ܫఘ Logiciel de simulation → matrice hybride ܸா = ℎଵଵ ܫ + ℎଵଶ ܸா ܫ = ℎଶଵ ܫ + ℎଶଶ ܸா ℎଵଵ = ߙ ℎଶଵ = ߚ ℎଵଶ ܸா = ܸா → ℎଵଶ = ℎଶଶ ܸா = ܫఘ → ℎଶଶ ℎ ܸா ൨ = ଵଵ ܫ ℎଶଵ ܸா ܸா ܫఘ 1 = = ܸா ߩ ℎଵଶ ܫ ൨. ൨ ℎଶଶ ܸா En général, en régime continu, il n’est pas nécessaire d’utiliser le schéma équivalent du transistor. 2. En régime alternatif En général, on considère que ߩ = ∞ (circuit ouvert) ELANA – part3 Schéma obtenu finalement Page 9 3. Etude d’un montage complet a. Présentation Superposition de 2 régimes de fonctionnement : • Régime continu : polarisation du transistor • Régime alternatif : signal à traiter (amplifier) Pour l’étude de ce montage, nous utiliserons le théorème de superposition. Nous étudierons le montage selon ses 2 régimes de fonctionnement pris séparément. b. Etude du montage en régime continu (polarisation) • • Annuler toutes les sources alternatives : remplacement des générateurs de courant alternatif par un circuit ouvert et des générateurs de tension alternative par un fil. Ouvrir et supprimer toutes les branches qui contiennent un condensateur Le schéma résultant s’appelle le schéma équivalent du montage en régime continu. Cf exemple ELANA – part3 Page 10 c. Etude du schéma en régime alternatif (régime de petits signaux) • • • • Annuler les sources continues Remplacer les condensateurs de couplage et de découplage par un fil → On obtient un premier schéma équivalent du montage en régime alternatif ሺሻ « Redistribuer » les composants (réorganiser le schéma) Remplacer le transistor par son schéma équivalent → On obtient le schéma équivalent final du montage en régime alternatif ሺሻ Condensateur de couplage : • En régime continu : ܼ = ∞ (circuit ouvert) En régime alternatif : ܼ = 0 (fil) • En série entre 2 parties du montage Condensateur de découplage : • En régime continu : ܼ = ∞ (circuit ouvert) En régime alternatif : ܼ = 0 (fil) • En parallèle avec un élément pour le court-circuiter en régime alternatif ELANA – part3 Page 11 VI. Montages fondamentaux en régime de petits signaux 1. Montage émetteur commun a. Emetteur découplé Emetteur commun : • Tension d’entrée appliquée sur la base • Tension de sortie prise sur le collecteur • En régime sinusoïdal, l’émetteur est relié à la masse (commune à l’entrée et à la sortie du montage). • • Etude en régime continu : étude de la polarisation ܶ Etude en régime alternatif : déterminer le schéma équivalent du montage en régime alternatif : o Annuler les sources continues o Remplacer les condensateurs de couplage et de découplage par un court-circuit o Remplacer le transistor par son schéma équivalent en régime alternatif ൜ ܸ௦ ܣۓ = ܸ ۖ But : ۔ ۖ ە • • → ܼ = ܼ௦ ܸ ݅ ൜ ݅ = ݅ଵ + ݅ଶ + ݅ ݅ = ߚ݅ ܸ = ܴଵ ݅ଵ = ܴଶ ݅ଶ = ݅ݎ ܸ௦ = −ܴ ݅ = −ܴ ߚ݅ ݅ ܿ ݊ݑ݉݉à ݈ ᇱ ݁݊ݎݐé݁ ݁ ݐà ݈ܽ ݁݅ݐݎݏ → ܸ = ݂ሺ݅ ሻ = ݅ݎ ൜ ܸ௦ = ݃ሺ݅ ሻ = ܴ ߚ݅ → ܣ = − ߚܴ ݎ ܣ < 0 : montage inverseur ܣ dépend de ߚ et de ݎqui sont des paramètres intrinsèques au transistor, sur lesquels on ne peut pas agir. ELANA – part3 Page 12 Ordre de grandeur de ࢂ : ߚ ≈ 100 Ω ≈ ݎ1000 Ω ܴ ≈ 1000 Ω ܣ = −100 L’amplification est importante mais n’est pas maîtrisable du fait des paramètres intrinsèques. ܸ ݅ ܸ ܸ ܸ ݅ = ݅ଵ + ݅ଶ + ݅ = + + ܴଵ ܴଶ ݎ 1 ܼ = = ܴଵ ∥ ܴଶ ∥ ݎ → ܼ ݂ܾ݈ܽ݅݁ 1 1 1 +ܴ +ݎ ܴଵ ଶ ܼ௦ = ܴ ܼ = Résumé : ൞ ܣ = − ߚܴ → ݃ܽ݉ ݊݊ ݏ݅ܽ݉ ݁݀݊ܽݎî݈ܾ݁ܽݏ݅ݎݐ ݎ ܼ = ܴଵ ∥ ܴଶ ∥ ݎ → ݂ܾ݈ܽ݅݁ ܼ௦ = ܴ → ݉݁݊݊݁ݕ b. Emetteur non-découplé ELANA – part3 ܸ = ݅ଵ ܴଵ = ݅ଶ ܴଶ = ݅ ݎ+ ሺ݅ + ݅ ሻܴ ቐ = ݅ ሺ ݎ+ ሺ1 + ߚሻܴ ሻ ܸ௦ = −ܴ ߚ݅ Page 13 ܣ = • ܸ௦ −ܴ ߚ݅ −ܴ ߚ = = ܸ ݅ ሺ ݎ+ ሺ1 + ߚሻܴ ሻ ݎ+ ሺ1 + ߚሻܴ ܣ < 0 : montage inverseur ≈ ݎ1000 Ω Si ߚ ≫ 1 , alors ߚ + 1 ≈ ߚ β ≈ 100 ܴ ≈ 100 Ω ߚܴ ܴ =− ߚܴா ܴா → ܣ est peu élevée mais est parfaitement contrôlable par le choix des résistances ܴ et ܴா . ܼ = Résumé : ۓ ܸ ݅ ܸ ܸ ܸ + + ܴଵ ܴଶ ݎ+ ሺ1 + ߚሻܴ 1 1 1 1 = + + ܼ ܴଵ ܴଶ ݎ+ ሺ1 + ߚሻܴ ݅ = ݅ଵ + ݅ଶ + ݅ = ܼ = ܴଵ ∥ ܴଶ ∥ ݎ+ ሺ1 + ߚሻܴ = ܴଵ ∥ ܴଶ ∥ ߚܴா ܣ = − ܼ۔ = ܴଵ ∥ ܴଶ ∥ ߚܴா ە ELANA – part3 → ܣ ≈ − ܴ → ݂ܾ݈ܽ݅݁ ݉ܽ݅ݎݐ݊ܿ ݏô݈ܾ݈ܽ݁ ܴா → ݏ ݐݑ݁ ݊ᇱ ܼܽ ݎ݅ݒܽ ݎݑݎ݁݃݊ܽݎݎ ݃݁݀݊ܽݎ ܼ௦ = ܴ → ݉݁݊݊݁ݕ Page 14
