Royaume du Maroc OFFICE DE LA FORMATION PROFESSIONNELLE ET DE LA PROMOTION DU TRAVAIL MODULE 4 Circuits Électroniques Résumé de Théorie Télécharger tous les modules de toutes les filières de l'OFPPT sur le site dédié à la formation professionnelle au Maroc : www.marocetude.com Pour cela visiter notre site www.marocetude.com et choisissez la rubrique : MODULES ISTA Première Année Programme de Formation des Techniciens Spécialisés en Électronique DIRECTION DE LA RECHERCHE ET INGENIERIE DE LA FORMATION Septembre 1995 TABLE DES MATIÈRES 10. POLARISATION D'UN TRANSISTOR 10-1 10.1 Introduction 10-1 10.2 La polarisation d'un transistor 10.2.1 Principe 10.2.2 Polarisation d'un transistor par courant de base 10.2.3 Polarisation en h 10-3 10-3 10-4 10-6 10.3 Exercices 10-9 Résumé de Théorie Circuits Électroniques 10. Polarisation d'un transistor 10.1 Introduction Voici un amplificateur très simple à transistor (Figure 10-1). Il comporte un réseau de résistances, permettant de polariser le transistor et des condensateurs permettant de coupler l'amplificateur à un autre, véhiculant le signal alternatif. Entrée Ucc = 15V RC 10k Sortie + R1 100k + C1 1µF C2 1µF R2 10k Rc (charge) RE 1k Figure 10-1 Cet amplificateur a un gain de -10, une impédance d'entrée d'environ 8,3k et une impédance de sortie de 10k(On verra plus loin comment on calcule ces valeurs). La Figure 10-2 représente le diagramme fonctionnel d'un tel amplificateur. Z sortie Entrée Sortie Z entrée AV x Uentrée Figure 10-2 En fait, n'importe quel type d'amplificateur peut être représenté par ce diagramme. Il contient des données importantes. L'impédance d'entrée (Z entrée) est la charge que cet amplificateur va représenter pour la source de signal ou l'étage amplificateur précédant. L'impédance de sortie (Z sortie) représente la résistance interne équivalente (Rth) présente à la sortie. Ces deux impédances, Z entrée et Z sortie, influencent la performance générale de l'amplificateur lorsque plusieurs étages de ce type sont reliés ensemble; l'impédance de sortie de l'un avec l'impédance d'entrée de l'autre créent un diviseur de tension indésirable. Polarisation d’un transistor page 10-1 OFPPT/TECCART Résumé de Théorie Circuits Électroniques On quantifie l'effet de ce diviseur de tension par un facteur qu'on appelle le gain d'interface. Il consiste à calculer le diviseur de tension résultant. 2k 10k 10k Rc Av1 = -10 8,3k Av int. #1 Av int.#2 Av ampli.#1 10k Av2 = -10 8,3k Av int #3 Av ampli.#2 Figure 10-3 La Figure 10-3 montre deux étages d'amplification semblables à la Figure 10-1. La source de signal à amplifier se trouve à la gauche et comporte une résistance interne de 2k. Cette résistance et l'impédance d'entrée du premier étage créent un diviseur de tension. Av int #1 = 8,3k / (2k + 8,3k) = 0,806 Le même phénomène se produit entre les deux étages et entre le dernier étage et la résistance de charge (Rc). Av int #2 = 8,3k / (10k + 8,3k) = 0,454 Av int #3 = 10k / (10k + 10k) = 0,5 Le gain total du système se trouve à être le produit de tous les gains ensemble. Av total = Av int #1 x Av1 x Av int #2 x Av2 x Av int #3 = 0,806 x -10 x 0,454 x -10 x 0,5 = 18,3 Ce résultat se retrouve loin de l'espérance de Av1 x Av2 = -10 x -10 = 100! Il est donc souhaité de maintenir les impédances de sortie le plus bas possible et les impédances d'entrée le plus haut possible afin de minimiser l'effet du gain d'interface. Ceci vous fait apprécier les caractéristiques des amplificateurs opérationnels. Cependant, ceux-ci sont cependant composés de transistors. Il existe donc une façon de faire pour remédier à ces inconvénients. Voyons comment on réalise un amplificateur transistorisé simple. Polarisation d’un transistor page 10-2 OFPPT/TECCART Résumé de Théorie Circuits Électroniques 10.2 La polarisation d'un transistor 10.2.1 Principe Afin de pouvoir traiter un signal alternatif, c'est à dire de faire varier un courant, il est nécessaire que le transistor soit préalablement polarisé convenablement. Il faut donc qu'un courant (CC) soit déjà présent dans celui-ci et qu'il ne soit ni saturé ni bloqué. En fait, l'idéal est qu'il soit dans l'état intermédiaire, au centre, entre ces deux extrêmes. La règle de base est que la tension continu (ou de repos appelée UCEQ, Q du latin "quies") soit la moitié de la tension d'alimentation (UCC). En reprenant l'exemple de la Figure 10-1 on y trouve en continu une tension UCEQ de 7,5V. Le circuit de la Figure 10-4 représente uniquement le circuit CC de polarisation. Ucc = 15V RC 10k ICQ + UCEQ RE 1k Figure 10-4 Les deux extrêmes mentionnés précédemment sont calculés comme suit: IC saturation = Ucc / (RC + RE) = 15V / (10k + 1k) = 1,36mA C'est le courant maximum possible dans le transistor. Le transistor est considéré comme étant un court-circuit entre son collecteur et son émetteur. UCE coupure = Ucc = 15V C'est la tension maximum possible aux bornes du transistor. Le transistor est un circuit ouvert et toute la tension d'alimentation (Ucc) se retrouve à ses bornes. La situation intermédiaire désirée, ou idéale, se trouve donc à être en plein centre: UCEQ = Ucc / 2 et ICQ = ICsat / 2. Dans ce cas-ci: UCEQ = Ucc / 2 = 7,5V ICQ = ICsat / 2 = 1,36mA / 2 = 682µA. Polarisation d’un transistor page 10-3 OFPPT/TECCART Résumé de Théorie Circuits Électroniques 10.2.2 Polarisation d'un transistor par courant de base La pire des façons de polariser un transistor est en tentant de contrôler le courant de base. La raison de sa médiocrité vient du fait que ce modèle est directement dépendant du gain en courant ß du transistor. Entrée Ucc = 15V RC 10k + Sortie C2 RB 2M + C1 ß = 100 VBE = 0,7V Figure 10-5 Dans le circuit de la Figure 10-5 on remarque l'absence d'une résistance d'émetteur. Tout est contrôlé par le courant de base. Il faut premièrement trouver IB et le reste des calculs est assez simple. IB = URB / RB = (15V - 0,7V) / 2M = 7,15µA ICQ = ß x IB = 100 x 7,15µA = 715µA URC = 715µA x 10k -= 7,15V UC = UCEQ = 15V - 7,15 = 7,85V Tout ceci est vrai, mais à la condition que ß vaille bien 100... Polarisation d’un transistor page 10-4 OFPPT/TECCART Résumé de Théorie Circuits Électroniques On augmente la stabilité en faisant l'ajout d'une résistance à l'émetteur comme à la Figure 10-6. Ucc = 15V RB 2,2M RC 10k + + Entrée C1 Sortie C2 ß = 100 VBE = 0,7V RE 1k Figure 10-6 La résistance d'émetteur apporte un élément de contre-réaction au système. Un courant de collecteur plus élevé, causé par un ß supérieur, créera une tension aussi plus élevée aux bornes de RE. Par boucle de tension, RB aura moins de tension à ses bornes et par conséquence le courant de base sera aussi moindre. Le courant de base ayant diminué le courant de collecteur fera de même. Le calcul du courant de l'émetteur est moins simple que dans le circuit de la Figure 10-5. Examiner la boucle de Kirchhoff suivante. Ucc = URE + UBE + URB Ucc = IE x RE + UBE + IB x RB Ucc = IE x RE + UBE + IE / (ß+1) x RB IE = (Ucc - UBE) / (RE + RB / (ß+1)) À la Figure 10-6 le courant d'émetteur vaut donc: IE = (15V - 0,7V) / (1k + 2,2M / (100 + 1)) = 628µA Ensuite: IC = 628µA x 100 / (100 + 1) = 621µA UE = 628µA x 1k = 628mV UC = 15V - 621µA x 10k = 8,79V UCEQ = 8,79V - 628mV = 8,16V UB = 628mV + 0,7V = 1,33V La tension de collecteur par rapport à commun est alors: UC = 15V - 682µA x 10k = 8,2V ICsat = 15V / (10k + 1k) = 1,36mA UCEcoup = Ucc = 15V Polarisation d’un transistor page 10-5 OFPPT/TECCART Résumé de Théorie Circuits Électroniques 10.2.3 Polarisation en h La polarisation par courant de base, même avec une résistance à l'émetteur, reste cependant une configuration peu fiable. La raison vient toujours du fait que le ß tient un rôle trop important. La polarisation en H contient un diviseur de tension à la base permettant de contrôler la polarisation à l'aide d'une tension plutôt que d'un courant. Revenons à Figure 10-1. En faisant la transformation du circuit de polarisation vu de la base du transistor en son équivalent de Thévenin, on obtient le circuit de la Figure 10-7. Uth = Ubb = 15V x 10k / (100k + 10k) = 1,36V Rth = Rbb = 100k // 10k = 9,09k Ucc = 15V RC 10k Rbb ß = 100 9,09k Ubb 1,36V RE 1k Figure 10-7 Examiner la boucle en tension suivante: Ubb = URE + UBE + URbb Ubb = IE x RE + UBE + IB x Rbb Ubb = IE x RE + UBE + IE / (ß+1) x Rbb IE = (Ubb - UBE) / (RE + Rbb / (ß+1)) Le terme Rbb / (ß+1) est petit comparé à RE; il peut même être négligé. Ceci revient à dire qu'on suppose qu'aucun courant ne circule dans Rbb, ou si on veut, que le courant de base est négligé ou nul. On affirme alors que la tension de base vaut Ubb. À titre d'exemple, à partir du circuit de la Figure 10-1, voici un calcul précis de toutes les tensions et de tous les courants, sans négliger, et ensuite un autre calcul en supposant un courant de base nul. Polarisation d’un transistor page 10-6 OFPPT/TECCART Résumé de Théorie Circuits Électroniques Calcul précis (ß = 100): IE = (1,36V - 0,7V) / (1k + 9,09k / (100+1)) = 605µA ICQ = 605µA x 100 / (100 + 1) = 600µA UE = 605µA x 1k = 605mV UC = 15V - 600µA x 10k = 9V UCEQ = 9V - 605mV = 8,4V UB = 605mV + 0,7V = 1,31V Calcul approximatif: UB = 1,36V UE = 1,36V - 0,7V = 660mV IE = ICQ = 660mV / 1k = 660µA UC = 15V - 660µA x 10k = 8,4V UCEQ = 8,4V - 660mV = 7,74V Par l'approche approximative on est en mesure d'estimer rapidement les tensions et les courants qu'on devrait normalement retrouver dans un circuit lorsqu'on tente de corriger une dysfonctionnement. Polarisation d’un transistor page 10-7 OFPPT/TECCART Résumé de Théorie Circuits Électroniques # 1 - Exemple: R1 240k Ucc = 20V RC 22k + Entrée + C1 5µF R2 22k Sortie C2 5µF RE 2,2k VBE = 0,7V ß = 150 Figure 10-8 Questions: Faire premièrement tous les calculs, de a) à e), en utilisant l'approximation et ensuite recommencer le travail, mais en calculant précisément. a) UB = ? b) UE = ? c) ICQ = ? d) UC = ? e) UCEQ = ? Solution approximative: a) UB = 20V x 22k / (22k + 240k) = 1,68V (diviseur de tension) b) UE = UB - UBE = 1,68V - 0,7V = 979mV c) ICQ = IE = UE / RE = 979mV / 2,2k = 445µA d) UC = Ucc - URC = 20V - 445µA x 22k = 10,21V e) UCEQ = UC - UE = 10,21V - 979mV = 9,23V Solution précise: c) Ubb = 20V x 22k / (22k + 240k) = 1,68V Rbb = 22k // 240k = 20,2k IE = (1,68V - 0,7V) / (2,2k + 20,2k / (150 + 1)) = 420µA ICQ = 420µA x 150 / (150 + 1) = 417µA b) UE = 420µA x 2,2k = 924mV a) UB = 924mV + 0,7V = 1,62V d) UC = 20V - 417µA x 22k = 10,8V e) UCEQ = 10,8V - 924mv = 9,9V Polarisation d’un transistor page 10-8 OFPPT/TECCART Résumé de Théorie Circuits Électroniques 10.3 Exercices # 1 - Faire le diagramme fonctionnel d'un amplificateur inverseur ayant un gain de 20, une impédance d'entrée de 20k et une impédance de sortie de 2k. # 2 - Trouver Av int#1, Av int#2, Av total et es. 1k 600R Rc 200mV rms 20k + 10k Av = -12 es _ Av int. #1 Av int.#2 # 3 - RB = 20M, ß=300 et RC = 33k. UC = ? Ucc = 20V RB RC + Entrée + C1 Sortie C2 UBE = 0,6V # 4 - Au #3, RB = 200k, RC = 2k et ß = 200. UC = ? # 5 - Au #3, RC = 10k, UC = 15V et ß = 100. RB = ? # 6 - Ubb = 15V, RC = 10k, RE = 1k, ß = 100 et Rbb = 820k. Que valent ICsat et UCE coup? RC Rbb UBE = 0,6V Ucc = 30V Ubb RE Polarisation d’un transistor page 10-9 OFPPT/TECCART Résumé de Théorie Circuits Électroniques # 7 - Au #6, UCEQ = ? et ICQ = ? (Calcul précis) # 8 - ICsat = ? et UCEcoup = ? Ucc = 50V RC 10k RB 2,4M + Entrée + C1 Sortie C2 ß = 100 VBE = 0,6V RE 2k # 9 - Au #8, calculer IE, IC, UC, UE et UCE. # 10 - UCEQ = ? (Calcul précis) Entrée R1 680k + R2 68k Ucc = 20V RC 33k + Sortie UBE = 0,6V ß = 200 RE 3,3k # 11 - ICQ =? et UCEQ = ? (Calcul approximatif) R1 22k + Entrée Ucc = 12V RC 10k + Sortie UBE = 0,6V R2 2k Polarisation d’un transistor RE 620R page 10-10 OFPPT/TECCART