Le transistor bipolaire Présentation générale • Transistor bipolaire : élément actif à 3 accès (Base (B), Collecteur (C), Emetteur (E)) constitué de 3 couches semiconductrices NPN et PNP. Transistor NPN C C IC > 0 IC > 0 N IB > 0 B IB > 0 P VCE > 0 B VCE > 0 VBE > 0 IE > 0 N VBE > 0 E E Transistor PNP C C IC < 0 IC < 0 P IB < 0 B N IB < 0 VCE < 0 B VCE < 0 VBE < 0 IE < 0 P VBE < 0 E E Les tensions de polarisation (VBE et VCE) et les courants (IB et IC) sont des grandeurs continues données avec leurs signes respectifs (>0 ou <0) pour un fonctionnement normal Fonctionnement du transistor – Effet amplificateur de courant • Cas du transistor NPN B N E + - P - + + - N C L’émetteur (E) est fortement dopé. Son rôle est d’injecter des électrons dans la base. La base (B) est faiblement dopée et très mince. Elle transmet au collecteur la plupart des électrons venant de l’émetteur. Le collecteur (C) recueille les électrons qui lui viennent de la base d’où son nom. Fonctionnement du transistor – Effet amplificateur de courant • Cas du transistor NPN B N E + - Jonction émetteur P - + + - N C Jonction collecteur Jonction émetteur polarisée en directe pour créer un champ externe opposé au champ interne . Si , les électrons majoritaires au niveau de l’émetteur peuvent passer dans la base. La base est faiblement dopée et très mince donc très peu d’électrons se recombinent avec des trous. Le courant de base est très faible. Jonction collecteur polarisée en inverse - Le champ externe dans le même sens que le champ interne . est Les électrons qui n’ont pas été recombinés avec les trous au niveau de la base peuvent passer dans le collecteur Polarisation du transistor NPN Polarisation base commune B VBE > 0 VCB > 0 P N N E C Polarisation émetteur commun B VBE > 0 N P Avec VCE > VBE car VCB = VCE – VBE > 0 N E C VCE > 0 Relations fondamentales – Les courants Effet amplificateur de courant 1 Réseau des caractéristiques statiques du transistor Le transistor comporte trois accès il est caractérisé par 6 grandeurs électriques : 3 courants IB, IC et IE 3 tensions VBE, VCE, VCB Mais et 4 relations indépendantes sont nécessaires pour le caractériser VCE = cste IC IB = cste IB VCE VCE = cste VBE Polarisation du transistor – Droites de charge statiques Objectif de la polarisation : Fixer les valeurs des tensions VBE, VCE et des courants IB, IC pour imposer la localisation des points de fonctionnement dans le réseau E>0 RC RB IC IB Exemple : polarisation directe de la base et du collecteur par deux résistances RB et RC VCE VBE IE Droite de charge statique de sortie ∆ : tracé dans le réseau de caractéristique statique IC = f(VCE) Droite de charge statique d’entrée ∆’ : tracé dans le réseau de caractéristique statique IB = f(VBE) Polarisation du transistor – Point de fonctionnement Le point de fonctionnement Q dans le réseau d’entrée IB = g(VBE) est situé à l’intersection de la droite de charge ∆’ et de la caractéristique Le point de fonctionnement P dans le réseau de sortie IC = f(VCE) est situé à l’intersection de la droite de charge ∆ et d’une caractéristique IB = cste E/RC IC IC0 IB E/RB P IB0 Droite de charge statique de sortie ∆ IB0 VCE0 Q Droite de charge statique d’entrée ∆’ VBE0 VBE E VCE Transistor bloqué – transistor saturé E/RC IC Point de saturation VCE = VCEsat IC ≈ E/RC IC0 P IB0 Point de blocage IB ≈ 0 IC ≈ 0 VCEsat VCE0 E VCE La partie de la droite de charge statique située entre les points de blocage et de saturation définit la zone active % &# '(# ! !"#$ % Au point de saturation, le transistor idéal est équivalent à un interrupteur fermé Au point de blocage, le transistor idéal est équivalent à un interrupteur ouvert Autres exemples de circuits de polarisation E>0 E>0 RC R1 RB R2 RC RE Diviseur de courant Contre-réaction au collecteur RC VCC RB RE Polarisation d’émetteur VEE Amplificateur élémentaire à transistor bipolaire • Montage émetteur commun Lorsque le transistor est polarisé dans la région active, une tension alternative peut lui être appliquée de la jonction émetteur pour produire des fluctuations du courant de collecteur Les accès d’entrée et de sortie sont 1 et 2 Les capacités C1 et C2 sont des capacités de découplage E>0 RC RB C 1 C2 C1 B Rg 2 RL E Analyse du circuit : application du théorème de superposition • Etude en statique (en régime continu) La source sinusoïdale est court-circuitée Les capacités de découplage présentent une impédance infinie Schéma électrique en continu E>0 RC RB IC IB VCE VBE IE Les circuits de polarisations fixent les valeurs des tensions VBE, VCE et des courants IB, IC (voir étude précédente) Analyse du circuit : application du théorème de superposition • Etude dynamique (en régime sinusoïdal) La source continue est court-circuitée Les capacités de découplage présentent une impédance nulle à la fréquence de fonctionnement Schéma électrique en régime sinusoïdal iC C i1 B vCE E Rg RB i2 RC RL ) +, +, . +- *+ / Analyse du circuit : tension composite de sortie • La tension de sortie est donc un signal composite, somme de la composante continue 0 et de la composante alternative ) 1 ) 0 • La droite de charge dynamique ∆’’ est la droite passant par le point 2 de fonctionnement P dans le réseau (IC , VCE) et de pente + 33 + * , +, . ++, +- IC ∆’’ : droite de charge dynamique E/RC IC0 P IB0 ∆ : droite de charge statique VCE0 E VCE - Zone de fonctionnement de l’amplificateur IC IC ∆’’ : droite de charge dynamique IC0 P ∆’’ : droite de charge dynamique IC0 IB0 VCE0 VCE P IB0 VCE0 vCE t Fonctionnement non linéaire Signal écrêté VCE vCE t Fonctionnement linéaire Schéma électrique sinusoïdal basses fréquences du transistor en fonctionnement linéaire • Le transistor peut être considéré comme un quadripôle iC iB iC iB vBE vCE vCE vBE • Pour des raisons liées à la mesure, le quadripôle est décrit en utilisant les paramètres hybrides 5 4 677 687 678 5 688 5 avec 5 9 9 5 9 9 Ces grandeurs représentent de petites variations autour du point de fonctionnement Détermination graphique des paramètres hij autour du point de fonctionnement E/RC IC IC0 P IB0 ∆ IB E/RB IB0 VCE0 ∆’ Q E VCE VBE0 VBE :22 :2C :C2 :CC ;<=> @ ;?= ;< -> A0 = ;<=> @ ;?= < ->B ;<=> ;<=> @ = @ ;<-> ;? A0 ;<-> ? = =B ;?@ ;?= ;< -> A0 = ;?@ ;?= < ->B ;?;?@ = @ ;<-> ;? A0 ;<-> ? = =B résistance différentielle de la diode d’entrée = pente de la caractéristique IB = f(VBE) gain en tension ≈ 0 gain en courant = pente de la caractéristique IC = g(IB) admittance = pente de la caractéristique IC = h(VCE) Schéma électrique équivalent alternatif BF • Schéma équivalent général iB h11 vBE • iC 1 / h22 v CE h21 iB h12 vCE Schéma équivalent simplifié :2C 0 et ρ 2 FGG →∞ iB vBE iC h11 h21 iB vCE ! Caractéristiques électriques de l’amplificateur en fonctionnement alternatif iC C i1 iB B RC E Rg v1 Gain en tension GV RL J v2 vCE vBE RB i2 *K 677 L L Gain en courant GI Schéma électrique de l’amplificateur i1 iB B C J *K RB Rg v1 vBE h11 β iB v2 vCE R C E L Résistance d’entrée Re 677 677 i2 iC 677 RL Résistance de sortie Rs & Gains en puissance d’un quadripôle • Définitions Zg i2(t) i1(t) eg(t) Quadripôle v1(t) ZL v2(t) Gain en puissance JM * 7 N 8 7 N 8 8 7 ∗ ∗ 8 7 P' &&# " Q!'( à # "6#($ P' &&# " (# S# & T'#S( Mô Gain transducique JV * 7 N 8 ∗ 8 8 8 $ W $ P' &&# " Q!'( P' &&# " S &M! à # "6#($ S # &!'(" référence Transistor bipolaire en hautes fréquences (HF) – Schéma de GIACOLLETO • Quand f β et apparition d’un déphasage entre les courants d’entrée et de sortie introduction de capacités parasites dans le schéma équivalent car ces dernières ne peuvent plus être assimilées à des circuits ouverts CB’C B iB vBE RBB’ RB’C B’ RB’E iC C gm vB’E vB’E RCE vCE CB’E E B’ est une base fictive interne au transistor Remarque : Les constructeurs ne donnent jamais les valeurs de ces éléments Fin
