Transistor bipolaire statique - sur le site de Claude Lahache

Introduction : Les modes de fonctionnement du transistor bipolaire.
Dans tous les cas, le transistor bipolaire est commandé par le courant IB.
-
Le régime linéaire. Le courant collecteur est proportionnel au courant de base : IC = βIB .
Ce mode de fonctionnement est utilisé pour réaliser des sources de tension ou de courant, ainsi que des
étages amplificateurs divers.
-
Le régime de commutation. Le transistor se trouve dans l’état bloqué (jonctions BE et BC bloquées, c’est à
dire IB = 0) ou dans l’état saturé (jonctions BE et BC passantes, soit IB > IBMINI).
Ce mode de fonctionnement permet de réaliser un interrupteur à courant unidirectionnel à l’aide d’un
transistor.
Ce chapitre ne concerne que le fonctionnement du transistor bipolaire en régime linéaire et avec des courants
continus : Nous analysons ici quelques exemples de réalisation de sources de tension et de courant ; nous
continuons par l’analyse de la polarisation du transistor dans les étages amplificateurs les plus courants.
1 . Réalisation de sources de tension constante.
1.1 Rappel : Régulation par diode Zéner.
Conduction directe
ID>0
Une diode zéner peut conduire en direct, ou en inverse
(mode « zéner »)
On exploite la conduction en inverse pour laquelle la
tension aux bornes de la diode dépend assez peu de
l’intensité du courant qui la traverse.
IZ>0
0,7V
UZ
R
Ie
Dans l’étage de la figure de droite, la diode zéner
conduit en inverse :
- Si la tension d’entrée Ue est supérieure à UZ
- Si la valeur de la charge RU est suffisamment
grande
Conduction inverse
Ue
Is
Dz
Us
Ru
Iz
Tant que ces 2 conditions sont réunies, la tension US
aux bornes de la charge est égale à UZ et dépend donc
assez peu de la valeur de Ue (régulation « amont ») et de celle de la charge RU (régulation « aval »)
1.2 Alimentation stabilisée à transistor parallèle.
Le principe de base est représenté ci-contre :
Le fonctionnement satisfaisant de ce système
nécessite que la diode régule en zéner et que le
transistor fonctionne en régime linéaire.
Dans ces conditions, la tension de sortie
s’écrit : US = UZ + VBE, avec VBE ≈ 0,7V
Ie
R
Is
Dz
Ue
Iz
R’
Ic
Tr
Ru
Us
1.3 Alimentation stabilisée à transistor série.
Ie
Dans cette structure, le fonctionnement correct
correspond à un transistor en régime linéaire et
une diode zéner conductrice en inverse.
Dans ces conditions, US = UZ –VBE ≈ UZ – 0,7V
Tr
Ic
I
Is
R
Ue
Iz
Us
Ru
Dz
2 . Sources de courant.
Is
Ie
On utilise ici aussi une diode zéner qui travaille
en conduction inverse pour fixer le courant collecteur
d’un transistor :
I
R
Si Ue > UZ alors VBM = UZ = VBE + REIE
D’où IC ≈ I E =
Ru
Us
C
Ue
U Z − VBE
RE
B
Tr
Iz
E
Dz
L’intensité IC est ainsi indépendante de la charge RU
(et de la valeur de Ue)
IC est fixée par la valeur de RE et par le choix de la
diode zéner.
Ic
RE
M
Remarque : Miroirs de courant.
Ces montages ont pour objectif la production d’un générateur de courant I2 commandé par un autre courant (I1).
1er montage
Tr1 et Tr2 sont identiques (diffusés sur le même substrat)
VBE1 = VBE2
IB1 ≈ IB2
avec β >> 1, I1 ≈ β1IB1 et I2 ≈ β2IB2
β
d’où: I2 ≈ 2
I1
β1
I1
Tr1
I2
IB1
IB2
Tr2
> 0,6V
Montage bien adapté aux CI
2ème montage
IR1 = I1 – IB2 ≈ I1
IR2 = I2 + IB2 ≈ I2
I1
Tr1
I2
IB1
IB2
Tr2
VBE1 + R1I1 = VBE2 + R2I2 avec VBE1 ≈ VBE2 ;
d’où I2 ≈ R1
I1
R2
Le fonctionnement ne dépend pas des β des 2 transistors ; on peut
utiliser des transistors discrets et l’utilisateur choisit R1 et R2.
R1
R2
> 0,6V
3 . Etage Darlington
Le montage Darlington est utilisé pour obtenir un transistor équivalent à très grand gain. Il peut être réalisé avec 2
transistors de même type ou avec 2 transistors complémentaires.
Dans les étages ci-dessous, le transistor TR1 (« driver ») est caractérisé par
IC1
IB1
B
IB2=IE1
et le transistor TR2 par
2
C
IC2
Tr1
1
IB1
Tr1
IB2=IC1
Tr2
1
IB2=IC1
IC2
IB1
Tr1
Tr2
2
E
1
+ 1)IB1
RC
3 . Polarisation des étages amplificateurs.
IC
Schéma électrique de principe
Les générateurs de Thévenin {VBB, RB} et {VCC, RC}
sont choisis pour fixer un point de fonctionnement
au transistor : On parle de point de repos du transistor.
RB
IB
VCE
VBB
Les valeurs des courants et des tensions relatives au
transistor polarisé sont nommées coordonnées de
repos du transistor.
VBE
VCC
IE
On distingue différentes classes de polarisation du
transistor, selon la position de son point de repos.
IC
Droite de
charge
statique
VCE
IB
Droite
d’attaque
statique
IC2
3
Exemple du montage 1 : Soit IB = IB1 le courant de base du transistor équivalent ;
Le courant de collecteur de ce transistor est IC = IC1 +IC2 = 1IB1 + 2IB2 = 1IB1 + 2(
Soit finalement : IC = ( 1 + 2 + 1 2)IB = EQ.IB ;
Le « gain » EQ du transistor équivalent est bien plus grand que 1 ou 2.
Caractéristique
de transfert en
charge
Tr2
0
VBE
3.1 Polarisations en classe A.
Le transistor fonctionne en régime linéaire, soit IC = IB.
Idéalement, en classe A, le point de repos du transistor est localisé au milieu de la droite de charge.
Dans un même lot de transistors, le est sujet à une très forte dispersion ; de plus, varie notablement avec la
température du transistor : Il y a donc lieu de choisir un dispositif de polarisation qui fixera un point de repos
indépendant de , ceci afin d’assurer l’interchangeabilité du composant sans nuire aux propriétés de l’étage
amplificateur projeté.
-
Polarisation par la base.
IB = Vcc − VBE
RB
RB
IC = β Vcc − VBE
RB
IB
IC
Polarisation par l’émetteur.
VCC = REIE + VBE + RBIB
RC
IE ≈ IC et IC = βIB
RB
IC ≈ IE ≈ Vcc − VBE
RE + RB
β
IB
VBE
VCE
IE
RE
IC peut être rendu indépendant de
par le choix R E >>
VCC
IC
VCE ≈ 2VCC – (RC + RE)IC
-
VCC
VCE
VBE
VCE = VCC - RCIC
-
RC
VCC
RB
.
β
Polarisation avec rétroaction au collecteur.
VCC ≈ VBE + RBIB + RCIC
IC ≈ Vcc − VBE
RC + RB
β
RC
RB
VCE ≈ VCC - RCIC
Ici, IC devient indépendant de
IB
pour R C >>
RB
β
VBE
VCC
IC
VCE
-
Polarisation par pont.
R1 et R2 sont choisies de telle sorte que IB soit faible
devant I1 ;
En remplaçant le diviseur {R1 ; R2} par son modèle
de Thévenin, il vient :
R1
V − R1R 2 I = R EIE + VBE
R1 + R 2 cc R1 + R 2 B
avec IC ≈ IE = βIB
R2
RC
IB
I1
R1
VCC − VBE
R1 + R 2
IC ≈
1 RR
RE + ⋅ 1 2
β R1 + R 2
VBE
IC
VCE
VCC
IE
R1
RE
et VCE = VCC – (RC + RE)IC
IC ne dépend pas de
si R E >>
1 R1R 2
.
β R1 + R 2
3.2 Polarisation en classe B.
En classe B, le transistor est polarisé à courants de base et de collecteur nuls : Il est bloqué.
Transistor NPN
Transistor PNP
T1
Etage « push-pull »
Vcc
T1
RU
RU
Vcc
RU
Vcc
T2
T2
Vcc
Avantage de ce type de polarisation : Le transistor ne consomme aucune puissance au repos ; ceci est
particulièrement important dans le cas des amplificateurs de puissance.
Afin d’améliorer certains défauts de la polarisation en classe B,
il existe une polarisation en classe AB
On donne à droite l’exemple d’un étage push-pull en classe AB :
R
Les résistances R sont choisies de telle sorte que les transistors
soient à la limite de conduction, mais sont encore bloqués, soit
VBE ≈ 0,6V, avec IB = IC = 0.
Vcc
T1
D1
RU
D2
T2
R
Vcc
3.3 Polarisation en classe C.
En classe C, le transistor est polarisé dans l’état bloqué,
avec VBE ≤ 0V
Ce type de polarisation est utilisé dans certains amplificateurs
de puissance fonctionnant à fréquence fixe. (Étages terminaux
d’émetteurs)
RC
0
0
VCC
VCE
VBE<0
3.4 Autres classes de polarisation.
Il en existe de nombreuses ; parmi elles, nous citons la classe D qui consiste à utiliser le transistor dans les états
bloqué et saturé, avec un rapport cyclique de fonctionnement variable ; cette classe se rencontre dans les
amplificateurs à découpage.
2 variantes des classes A et B consistent en les classes G et H, mises au point dans les années 1970 par certains
fabricants d’amplificateurs audio haute fidélité.
Voir ci-contre le principe d’une polarisation en classe G :
Les éléments du circuits sont dimensionnés de telle sorte
que les transistors T1 et T2 fonctionnent en classe A et que
T’1 et T’2 fonctionnent en classe B.
V’CC
T’1
T1
VCC
RU
VCC
T2
T’2
V’CC