TP 3: Transistors - Département de physique nucléaire et

Travaux Pratiques Avanc´ es (TPA) d’Electronique
Ann´ ee 2015-16
TP 3: Transistors
Sergio Gonzalez Sevilla*, Antonio Miucci
D´ epartement de Physique Nucl ´ eaire et Corpusculaire (DPNC)
Universit´ e de Gen` eve (Facult ´ e des Sciences, Section de Physique)
*Sergio[email protected]
1. Transistor ` a jonction bipolaire
1.1 Transistor 2N3904
Testez d’abord le bon fonctionnement d’un transistor 2N3904
`
a l’aide du multim
`
etre. Mesurez la r
´
esistance
de chacune des 3 connexions possibles dans les deux directions.
1. la jonction base-´ emetteur devrait se comporter comme une diode ;
2. la jonction base-collecteur devrait se comporter comme une diode ;
3. la jonction collecteur-´ emetteur ne devrait pas ˆ etre conductrice dans aucune direction.
V
´
erifiez l’analogie avec deux jonctions PN de la figure 1a. Si ce n’est pas le cas, votre BJT est probablement
endommag´ e, refilez-le ` a Christian !
B
C
E
(a)
B
C
E
(b)
FIGURE 1.
(a) Analogie des bornes base (B), collecteur (C) et
´
emetteur (E) d’un transistor
`
a jonction bipolaire (BJT
pour “Bipolar Junction Transistor”) dop
´
e NPN avec deux diodes “dos
`
a dos”. (b) Symbole graphique d’un transis-
tor NPN. La fl` eche pointe vers l’´ emetteur (sens conventionnel du courant, oppos´ e au courant ´ electronique).
On souligne que la figure 1a repr
´
esente simplement une analogie avec un transistor bipolaire, conv
´
eniente d’un
point de vue pratique pour le labo. No croyez pas que le montage dos
`
a dos de deux diodes discr
`
etes forme un
transistor. Dans un vrai transistor, la base (faiblement dop
´
ee) est situ
´
ee entre l’emetteur (fortement dop
´
e) et le
collecteur. Une diode ayant deux r
´
egions dop
´
ees, un montage dos
`
a dos de deux diodes discr
`
etes donne quatre
r´ egions dop´ ees au lieu de trois, et ne correspond donc pas ` a une base ´ etroite entre un ´ emetteur et un collecteur.
1.2 Circuit interrupteur simple
1. Montez le circuit de la figure 2avec une LED en s
´
erie au collecteur. Remplacez l’interrupteur par un bout
de fil que vous brancherez et d´ ebrancherez.
2. Avec Vcc =9V , mesurez les tensions aux bornes des r
´
esistances lorsque l’interrupteur est ferm
´
e et ouvert,
et calculez les courants IBet ICcorrespondants.

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3. Le facteur de transport αd’un BJT (“effet transistor”) et le gain en courant βsont donn´ es par :
α=IC
IE
,β=α
1−α
En utilisant la loi des noeuds, montrez que :
β=IC
IB
Calculez le gain (β) de votre circuit.
4. En augmentant Vcc depuis 0 V, mesurez
`
a quelle valeur la diode s’allume. Mesurez les tensions aux bornes
des r
´
esistances et d
´
eduisez-en VBE . V
´
erifiez votre calcul en mesurant directement aux bornes du transistor.
5. Mesurez VCE lorsque le transistor est sous tension, et expliquez votre r´ esultat.
6. Sur le m
ˆ
eme montage, mettez la LED en s
´
erie
`
a l’
´
emetteur (fig. 3a), puis en parall
`
ele avec CE (fig. 3b), et
expliquez ce que vous observez.
RB=10kΩ
RC=470Ω
LED
IC
B
C
E
IE
Vcc
IB
FIGURE 2. Circuit interrupteur simple.
10kΩ
470Ω
B
C
E
Vcc
(a) LED en s´ erie avec l’´ emetteur.
10kΩ
470Ω
B
C
E
Vcc
(b) LED en parall` ele avec avec collecteur-em´ etteur.
FIGURE 3. Circuit interrupteur simple : variations.
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1.3 Caract´ eristiques
Les courbes ( V , I ) et les droites de charge des transistors sont obtenues en appliquant du courant continu,
mais en pratique, les transistors sont habituellement utilis
´
es en courant alternatif. Le montage de la figure 4
permet de mesurer les caract
´
eristiques du BJT (courbe ( V , I ) et VBE ) et du circuit lui-m
ˆ
eme (droite de charge).
En l’absence de AC et aliment
´
e par un courant continu VCC , un circuit BJT aura une valeur sp
´
ecifique de IC , VCE
pour un VBB (ou IB ) donn
´
e ; il s’agit du point de fonctionnement (ou Q-point), qui se trouve
`
a l’intersection de la
droite de charge du circuit avec la courbe (V,I) du transistor.
VBB
RB
IBB
C
E
IE
RE
VCC
RC
IC
FIGURE 4. Circuit BJT en configuration ´ emetteur-commun. RB=1MΩ,RC=1 kΩet RE=330Ω.
1. Puissance maximale
Prenez note des valeurs maximales Vmax
CE
, Imax
C
et Pmax
D
sp
´
ecifi
´
es par le fabriquant. Sur un graphique du
courant IC en fonction de la diff
´
erence de potentiel VCE , montrez Imax
C
et Vmax
CE
, et tracez la puissance
maximale Pmax
D
qui apparaitra comme une hyperbole sur votre graphique. Celle-ci vous indique la dissi-
pation maximale que le transistor peut soutenir, veillez ` a ne pas d´ epasser ces limites (le transistor doit
fonctionner en dessous de la courbe).
2. Polarisation base-´ emetteur
(a) Mettez les tensions VBB et VCC ` a 0 V. Augmentez doucement VBB de 0
`
a 1 V et mesurez la courbe
caract
´
eristique ( VBE , IB ) de la r
´
egion base-
´
emetteur (BE). Identifiez les zones de blocage et passante.
D´ eterminez ` a partir de quelle tension le transistor devient passant, et expliquez votre r´ esultat.
(b) Ecrivez la loi de la maille VBB et ajoutez
`
a la courbe ( VBE , IB ) les droites d’attaque pour VBB = 0.6, 1
et 5 V. La droite d’attaque consiste ` a tracer une droite de Imax
B`
aVmax
BE pour un VBB donn´
e.
(c) D
´
eterminez le point de fonctionnement VBEP correspondant au croisement entre la droite d’attaque
et la courbe (VBE ,IB). Quelles valeurs de VBB vous semble appropri´ ees pour ce transistor ?
3. Droite de charge
(a) Appliquez VBB =6 V et mesurez IC en fonction de VCE . Prenez plusieurs points entre 0 et 1 V. Faites
deux graphiques montrant votre courbe ( V , I ), un pour les zones de blocage et de saturation, l’autre
comprenant aussi la zone lin´ eaire.
(b) R
´
ep
´
eter ces mesures avec VBB =2 V et 10 V. Ajoutez les courbes ( V , I ) aux graphiques pr
´
ec
´
edents.
(c) Ecrivez la loi de la maille VCC , et ajoutez au graphique des courbes ( V , I ) les droites de charge
pour VCC = 1, 2 et 6 V. D
´
eterminez le point de fonctionnement de votre BJT pour ces 3 circuits, en
sp´ ecifiant quel VBB est le plus appropri´ e.
4. Gain en courant
(a) Mesurez le gain en courant β pour les trois valeurs de VBB trouv
´
ees pr
´
ec
´
edemment pour des valeurs
ad´ equates de VCC.
(b) Refaites cette mesure avec RE=0Ω et 10 k Ω . Quel est l’effet d’ajouter la charge RE` a l’
´
emetteur ?
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2. Transistor ` a effet de champ
Le transistor
`
a effet de champ
`
a jonction est un exemple de transistor unipolaire (i.e., qui ne d
´
epend que d’un
seul type de porteur de charge, trous ou ´ electrons).
(a)
G
D
S
(b)
FIGURE 5. (a) Transistor
`
a effet de champ MOSFET BS170KL et ses 3
´
electrodes vues du dessus :Grille (G), Drain
(D) et Source (S). (b) Symbole du composant.
Note : les MOSFETS ne sont pas con c¸ us pour
ˆ
etre op
´
er
´
es en cou-
rant continu pendant de longues p
´
eriodes ; veuillez
´
eteindre les
alimentations entre les mesures ou en cas d’h´ esitation.
1. Branchez l’alimentation qui servira
`
a fournir un potentiel au MOSFET BS170KL en court-circuit et
ajustez la limite de courant ` a 300 mA.
2. Sur un graphique ( VDS , ID ), tracez Vmax
DS
, Imax
D
, ainsi que l’hyperbole Pmax
D
. Veillez
`
a ne pas d
´
epasser ces
limites.
3. Montez le circuit de la figure 6avec un MOSFET BS170KL. Assurez-vous que l’alimentation soit
´
eteinte
lorsque vous le branchez, et que les ´ electrodes soient bien celles que vous croyez.
4. Sans alimenter la Grille ( VGS =0 ), augmentez VDD de 0
`
a quelques volts, et mesurez VDS . Expliquez vos
observations.
5. Alimentez le circuit avec VDD =5 V, et augmentez doucement VGS jusqu’
`
a ce que VD>0 . Notez la tension
de seuil du transistor VT
GS.
6. Pour 3 valeurs de VGS entre VT
GS
et 3V, produisez les courbes ( VDS , ID ) en augmentant VDD doucement.
Prenez note de VGS , VDD , VDS et VD que vous convertirez en ID . Identifiez les zones dites ohmique (“triodic”
en anglais) et de pincement (“saturation” en anglais,
`
a ne pas confondre avec la zone de saturation du
BJT).
G
D
S
VDD
RD=560Ω
Vin
FIGURE 6. MOSFET BS170KL en configuration d’amplificateur. Vin =VGS.
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3. Paire de Darlington
1. Montez le circuit de la figure 7avec deux transistors BJT et VCC =9 V. Observez le comportement du
circuit lorsque vous touchez les deux fils avec vos doigts et expliquez ce qui se passe.
2. Avec l’interrupteur ferm
´
e (i.e. remplacez vos doigts par un fil), en variant VCC d
´
eterminez la tension de
seuil ` a laquelle la diode s’allume et expliquez ce que vous trouvez.
3. Mettez les collecteurs au m
ˆ
eme potentiel (9 V) (i.e. enlevez RC et la LED), et mettez une charge RE=470Ω
entre le 2e ´ emetteur et la masse. D´ eterminez VE2par rapport ` aVB1, et montrez que :
Zout Zin et βdarlington =β1·β2
B
C
E
TR1
B
C
E
TR2
100kΩVCC
Rc=470Ω
touchez entre
ces contacts
FIGURE 7. Paire de Darlington avec deux transistors BJT.
4. BJT en courant alternatif
Les transistors sont des composants fonctionnant en courant continu, et ne peuvent tol
´
erer des courants et
des tensions qui s’inversent. Afin de les utiliser avec des sources de courant alternatif, le signal d’entr
´
ee doit
ˆ
etre
d´ ecal´ e (“offset”) pour garder le transistor en mode actif pendant toute la dur´ ee du cycle du signal.
RE
CbVout
R1
R2
Vin
VBB
FIGURE 8. Circuit BJT ` a collecteur commun (´ emetteur-suiveur). Vout est mesur´ e aux bornes de la r´ esistance RE.
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