Electronique analogique Année universitaire 2020-2021 2éme année CP Pr. S. CHABAA 1 Chapitre : TRANSISTOR BIPOLAIRE 2 I - Introduction Le Transistor est l’élément “clef” de l’électronique, il peut: amplifier un signal : amplificateur de tension, courant, puissance,... utilisé en source de courant interrupteur commandé (mémoire binaire) essentiel en électronique numérique. Il existe soit en composant discret soit en circuit intégré. On distingue le transistor bipolaire et le transistor à effet de champ. Ils agissent, en 1ère approximation, en tant que source de courant commandé: 3 II – Transistor bipolaire II – 1 - Structure et fonctionnement Un transistor bipolaire est un semi-conducteur formé de deux jonctions PN, montées en tête bêche. On dispose donc de deux types de transistors qui sont complémentaires : • un transistor NPN (courants et tensions sont positifs) • un transistor PNP (courants et tensions sont négatifs). Leur étude est conduite strictement de la même façon et les propriétés de l'un valent pour l'autre : Un transistor est constitué de trois zones semi-conductrices différentes, l’émetteur E, la base B et le collecteur C, qui se distinguent par la nature du dopage. 4 II – Transistor bipolaire II – 1 - Structure et fonctionnement Les deux « jonctions PN » (ou diodes) émetteur/base et base/collecteur se partagent la région centrale : la « base ». Le couplage entre les jonctions est à l’origine de l’ « effet transistor »: le courant dans l’une des diodes (généralement dans la jonction base/émetteur) détermine le courant dans la seconde. Attention: le transistor n’est pas identique à deux diodes placées en tête à queue. Remarque: le transistor n’est pas symétrique à cause de la différence du taux de dopage (l’émetteur est toujours plus fortement dopé que le collecteur). 5 II – Transistor bipolaire II – 1 - Structure et fonctionnement 6 II–1 –1- Symboles et sens des courants et tensions NPN PNP La flèche de l’émetteur représente le sens réel de circulation du courant dans le transistor. Équations Fondamentales: IE = IB+IC , VCE = VCB +VBE et VEC = VEB + VBC 7 II – 1 – 2 - Montages de Base Le transistor est relié au réseau extérieur à travers ses 3 bornes (émetteur, base et collecteur). Afin de pouvoir considérer le transistor comme un quadripôle, il faut mettre une de ses bornes en commun entre l’entrée et la sortie. Par conséquent, il existe trois configurations possibles : 8 II – 1 – 3 - Régimes (ou modes) de fonctionnement Chacune des jonctions JEB et JBC peut être polarisée de 2 façon (direct – inverse). Selon la polarisation des jonctions JEB et JBC on a 4 régimes: •Mode (ou régime) Actif: JEB en directe; JBC en inverse. Pour un NPN: VBE ≥ 0,7V, VCB ≥-0,5V. Ce mode est très utilisé en amplification •Mode (ou régime) Saturé: JEB en directe; JBC en directe •Mode (ou régime) Bloqué: JEB en inverse; JBC en inverse. Ces deux régimes sont utilisés en commutation •Mode (ou régime) inverse: JEB en inverse; JBC en directe. Ce régime n’est jamais utilisé 9 II – 1 – 3 - Régimes (ou modes) de fonctionnement Le transistor permet donc de remplir deux tâches différentes : •L’amplification (régime linéaire) : il permet de commander un courant de forte amplitude (iC) par un courant de faible amplitude (iB). •Commutation (interrupteur électronique) : le transistor est soit saturé (interrupteur fermé) soit bloqué (interrupteur ouvert) selon la valeur de iB. 10 II – 1 – 4 - Principe de fonctionnement Effet transistor Soit un transistor NPN en mode actif (la jonction base-émetteur est polarisée en direct et la jonction base-collecteur est polarisée en inverse) comme le montre la figure suivante : 11 II – 1 – 4 - Principe de fonctionnement Si la tension est suffisante alors la jonction BE est passante et on favorise le passage des majoritaires à travers la jonction. Il y a donc injection des électrons de l’émetteur vers la base et des trous de la base vers l’émetteur. Or la base est par construction peu dopée et de très faible épaisseur (quelque µm), en plus, il règne un champ électrique intense entre la base et le collecteur (jonction BC polarisée en inverse). En conséquence, nombreux électrons injectés dans la base par l’émetteur ne s’y recombinent pas avec les trous et se retrouvent happés par le collecteur (i.e. la majorité des électrons injectés par l’émetteur E dans la base B arrivent au collecteur). 12 II – 1 – 4 - Principe de fonctionnement 13 II – 2 - Caractéristiques statiques du transistor L’état du transistor est déterminé par les différentes grandeurs électriques (IE, IB, IC, VBE, VCB, VCE), lesquelles sont liées par la loi de conservation du courant (IE = IB+IC) et du potentiel électrique (VCB+VBE = VCE). Les caractéristiques électriques du transistor sont décrites sous formes de courbes qui précisent l’interdépendance entre les différentes grandeurs, imposé par le transistor. Plusieurs représentations sont possibles. 14 II – 2 - Caractéristiques statiques du transistor 15 II–2–1- Circuit de mesure des caractéristiques statiques. Nous allons utiliser un transistor NPN monté en EC 16 II – 2 – 2 - Caractéristiques principales Caractéristique d’Entrée: Effet Early: Si VCE=VCB+VBE augmente, (VBE=cte), VCB polarise B-C en inverse augmente la zone désertée augmente la largeur effective W de la base B diminue. Conséquence: α augmente et IB diminue modulation de W connue sous le nom: Effet Early, L’effet de VCE sur la caractéristique d’entrée est négligeable. Conséquence : est équivalente à la caractéristique d’une diode 17 II – 2 – 2 - Caractéristiques principales Caractéristiques de sortie: On a plusieurs courbes appelé réseau de caractéristiques De ces caractéristiques on peut déduire les caractéristiques de transfert : 18 II – 3 - Polarisation d’un Transistor Polariser un transistor, c'est placer les composants nécessaires pour fixer le point de fonctionnement P définit par les courants et les tensions entrée-sortie. Pour un transistor monté en émetteur commun P est définit par (IB0, VBE0, IC0, VCE0). On peut déterminer le point de fonctionnement (point de repos) graphiquement, pour cela on utilise les caractéristiques imposées par la structure du transistor et les droites de charge entrée-sortie fixées par l’utilisateur. 19 II – 3 – 1 - Point de fonctionnement Nous allons déterminer IB0, IC0, VBE0, VCE0 dans le montage suivant. Le choix des RC, RB, VCC et VB détermine le mode de fonctionnement du transistor. 20 II – 3 – 1 - Point de fonctionnement 21 II – 3 – 1 - Point de fonctionnement Le point de fonctionnement est l’intersection de ces droites avec les caractéristiques du transistor 22 II – 3 – 2 - Zones de fonctionnement On distingue 2 régimes de fonctionnement directement fixés par le réglage du point de polarisation : 23 II – 3 – 2 - Zones de fonctionnement Fonctionnement en mode actif (ou linéaire) utilisé en Amplification : JBE passante, JBC bloquée. P est choisi dans la partie linéaire de la caractéristique . Un signal placé à l'entrée du transistor va se retrouver à la sortie avec une amplitude plus grande mais en conservant sa forme. Si le signal est déformé, on dit qu'il y a distorsion. 24 II – 3 – 2 - Zones de fonctionnement Fonctionnement en commutation utilisé en électronique numérique: Fonctionnement en Saturation: JBE et JBC passantes Le courant IC est pratiquement indépendant de IB, le transistor saturé se comporte comme un interrupteur fermé entre collecteur et émetteur. Condition de saturation : on s’arrange pour avoir: . Généralement, on prend : Conséquence : . 25 II – 3 – 2 - Zones de fonctionnement Fonctionnement en Blocage: JBE et JBC bloquées P est choisi sur l’axe VCE. Un transistor bloqué correspond à un interrupteur ouvert. Condition de blocage : les deux jonctions sont polarisées en inverse Conséquence: 26 Schémas Equivalents du transistor en Statique 27 II – 3 – 2 - Zones de fonctionnement Remarque : On peut calculer le point de Fonctionnement sur le circuit précédent on prend : ,VBB=1v,VBE=0,7 On a bien : ~ 0,2 <VCE0 < VCC cohérent avec le mode actif du transistor Si on remplace RB par 3kΩ Ce résultat est incompatible avec le mode actif. Car IB0 augmente atteint la limite de la zone du mode actif Le transistor est saturé et la relation IC = bIB n’est plus valable P 28 II – 4 - Circuits de polarisation Le but de la Polarisation est de fixer le point de repos statique du transistor. Le choix dépend de l’application désirée. Ce point doit appartenir au domaine de fonctionnement du transistor (IC < Imax, VCE <Vmax,..) Caractéristiques du circuit de polarisation: •sensibilité due à la dispersion de fabrication (incertitude sur β ) •stabilité thermique (coef de température T° des différents paramètres: VBE, β,…). •Les courants inverses augmentent avec T, ils doublent tous les 10°C, alors IC = βIB+ICB0 augmente • VEB diminue avec T° •Réciproquement : si VEB est maintenue fixe, IE (et donc IC) augmente avec T donc risque d’emballement thermique: T I C Puissance dissipée T 29 II – 4 - Circuits de polarisation 30 II–4–1- Polarisation par une résistance sur la base Le montage de polarisation le plus simple est donné par la figure suivante : 31 II–4–1- Polarisation par une résistance sur la base le courant IC0 est choisi suivant l’application et variera entre une dizaine de µA (application très faible bruit) et une dizaine de mA (meilleurs performances en HF) VCE0 est souvent choisie égale à : , pour garantir une excursion maximale du signal amplifié la résistance RC est alors déduite à partir de la relation : Le courant IB0 est alors imposé par le gain en courant du transistor : La résistance RB est alors déterminée à partir de la relation avec : 32 II–4–1- Polarisation par une résistance sur la base Inconvénient : pour un transistor au silicium, β passe de 55 à 25°C à 100 à 175°C. La tension VBE diminue d'environ 2,2 mV par °C. Ainsi, si β varie (changement de transistor ou variation due à la température), le courant IC0 varie fortement: ce qui déplace le point de fonctionnement et on peut se retrouver dans la zone de saturation ou blocage du transistor et la fonction amplification n’est plus assurée. On a recours alors au montage de polarisation par pont de base. Conséquence: Dβ DIC DVCE Le point de repos dépend fortement de β Circuit de polarisation peu utilisé 33 II – 4 – 2 - Polarisation par pont sur la base « polarisation à courant (émetteur) constant » C’est le montage de polarisation le plus couramment utilisé. Il fixe le courant émetteur IE et c’est IB qui dépend de b. Dans ce montage, la base est polarisée à l’aide du pont (RB1, RB2), dont le rôle est de fixer la valeur de VBE0, et comme cette tension est voisine de 0.7V, on est obligé de mettre la résistance RE. 34 II – 4 – 2 - Polarisation par pont sur la base Règles pour la conception du montage : Avantages: si IC augmente avec la température VRE augmente VBE diminue car IC diminue Le montage s’auto-stabilise. augmente IB diminue La résistance RE est un stabilisateur de température 35 II – 4 – 3 - Polarisation par réaction de collecteur Le point de fonctionnement reste sensible à β Propriété intéressante du montage : le transistor ne peut rentrer en saturation puisque VCE ne peut être inférieur à 0.7V Cas particulier : Le transistor se comporte comme une diode. 36 II – 4 – 3 - Polarisation par réaction de collecteur Transistor source de courant : “quelque soit” RC tant que le transistor est en mode actif. Domaine de fonctionnement : Pour RC supérieure à RCmax le transistor est saturé Pas de limite inférieure. 37 Fin Chapitre 38
