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Transistor-bipolaire1

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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
;[email protected]
;?= ;<
-> A0
=
;[email protected]
;?= <
->B
;?;[email protected]
=
@
;<-> ;? 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
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(#
S# & T'#S( Mô
Gain transducique
JV
*
7
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8
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8 8
8
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W $
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P' &&# " S &M!
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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
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