Université Mohammed Khider Œ Biskra

Université Mohammed Khider – Biskra
Sciences et Techniques
Electronique fondamental
Bekhouche K.
A.U. : 2010/2011
LE TRANSISTOR BIPOLAIRE (BJT)
1- Définition :
Le transistor bipolaire est une source de courant commandée en courant. Un transistor sert à amplifier le courant,
dans ce cas il fonctionne en régime linéaire. Un transistor peut être utilisé comme un interrupteur commandé, on
dit alors qu’il fonctionne en commutation. Il existe en composant discret, ou intégré dans des circuits intégrés
(CI). On distingue deux types de transistors bipolaires :
- Transistor bipolaire NPN
- Transistor bipolaire PNP
IC
IC
VCE
IB
IB
VBE
IE
VEB
E
VEC
IE
E
2-Réseau de caractéristiques et polarisation :
Le fonctionnement du transistor se résume à l’aide de son réseau de caractéristiques. pour un NPN :
- La caractéristique d’entrée : iB = f(vBE)
- La caractéristique de transfert : iC = f (iB) à vCE constante
- La caractéristique de sortie : vCE = f (iC) à iB constant
IB
3- Relations fondamentales (résumé)
a) Zone linéaire:
Le transistor est alors, le plus souvent, utilisé dans un montage amplificateur.
α
= gain en courant en émetteur commun
1− α
I
1
I E = IC + I B = IC + C = IC
β α
VBE = 0.6 à 0.7 V (silicium)
I C = βI B avec β =
b) Zone de saturation:
I C < βI B
VCE = VCEsat
VCEsat est de l’ordre de 0,3 à 0,4V.
En pratique, on prendra donc VCEsat ≈ 0V.
VBEsat = 0.6 à 0.7 V (silicium)
c) Zone de blocage:
I B = 0 ⇒ IC = 0 ⇒ I E = 0
VBE < 0.7 ou 0.6 V
En pratique, il est préférable de prendre VBE < 0
4- Transistor en commutation.
Exemple de structure :
Si Ve = 0 le transistor est bloqué.
Le transistor est saturé si I C < βI b , c’est à dire si
VCC β(Ve − Vbe )
<
RC
Rb
Exemple de commande de relais :
Relais
R
Le transistor permet de commander le relais en tout ou rien à partir du signal Ve. Le relais R comprend entre ses
bornes un bobinage que l’on peut assimiler à une inductance L en série avec une résistance r. La diode D est une
diode de roue libre qui assure la continuité du courant dans l’inductance du relais au blocage du transistor. Sans la
diode D une surtension destructrice pour le transistor se produirait.
5- Transistor en amplification.
Le transistor est un composant unidirectionnel, pour amplifier des signaux sinusoïdaux il faut donc ajouter une
composante continue appelée « polarisation » à chaque grandeur qui sollicite le transistor. Alors la tension à
l’entrée de transistor est vE = V0 + ve où ve est le signal à amplifier et V0 la composante continue. Il faut dans tous
les cas pour un transistor NPN V0 > 0. Donc la composante continue V0 doit être plus grande que l’amplitude de
ve. En régime linéaire le principe de superposition est applicable, on distinguera donc l’étude de la polarisation et
de l’amplification des signaux.
5-1- Polarisation de transistor : Etude en statique
Dans la structure 1 : Polarisation par une résistance de base
I C0 =
β(VCC − Vbe0 )
et Vce0 = VCC − R C I C0
R1
La droite de charge statique s’écrit: I C = f (VCE ) ⇒ I C = −
VCC
RC
IC0
1
V
VCE + CC
RC
RC
IC
Q : point de repos
VCE0
VCC
VCE
Le point de repos Q(I C0 , Vce0 ) dépend beaucoup de β. Mais β varie d’un transistor à l’autre bien que la référence
soit la même et pour un même transistor en fonction de la température. Ce montage très simple est difficilement
utilisable.
Dans la structure 2 : Polarisation par pont (diviseur de tension)
Le pont R1, R2 sur Vcc peut être remplacé par son modèle de Thévenin;
où
R2
VCC
R1 + R 2
= R b = R 1//R 2
VTh = Vb =
R Th
Donc : I C0 =
β(Vb − Vbe0 )
1 

et Vce0 = VCC −  R C + R e I C0 , α ≈ 1
(R b + (β + 1)R e )
α 

En choisissant Rb faible devant (β+1)Re alors I C0 =
Vb − Vbe0
devient pratiquement insensible à β. Dans la
Re
structure 2, le point de repos Q(I C0 , Vce0 ) est donc stable en température et l’interchangeabilité des transistors est
possible.
La droite de charge statique s’écrit: I C = f (VCE ) ⇒ I C = −
Si β>>1 : I C = −
1
 1
R C + 1 + R E
 β
VCE +
VCC
 1
R C + 1 + R E
 β
1
VCC
VCE +
RC + RE
RC + RE
VCC
RC + RE
IC
Q : point de repos
IC0
VCC
VCE0
VCE
5-2- Schéma équivalent alternatif petits signaux du transistor : Paramètres hybrides
Le transistor est considéré comme un quadripôle ; il a deux bornes d'entrée et deux bornes de sortie (une patte sera
alors commune à l'entrée et à la sortie) et va être défini par 4 signaux : courant et tension d'entrée, courant et
tension de sortie. Pour le montage émetteur commun : il s'agit du courant IB et de la tension VBE pour l'entrée, du
courant IC et de la tension VCE pour la sortie.
En fait, ces signaux se décomposent en deux parties : les tensions et courants continus de polarisation (régime
statique) notés IBo, VBEo, ICo, et VCEo, et les petites variations alternatives (régime dynamique) autour du point de
repos qui sont respectivement ib, vbe, ic, et vce.
Autour d'un point de polarisation, les relations entre les faibles variations sont décrites par :
v be = h11i b + h12 v ce

i c = h 21i b + h 22 v ce
Ces relations décrivent les lois électriques du schéma ci dessous qu'on appelle schéma équivalent pour
les variations ou schéma équivalent en dynamique du transistor.
ic
ib
vbe
h11
h21ib
h12vce
vce
1/h22
• h11 est l'impédance d'entrée du transistor.
• h21 (β) est le gain du transistor.
• h12 est un terme de réaction interne. Sa valeur est très faible, il sera le plus souvent négligé.
• 1/h22 est l'impédance de sortie du transistor.
5-3- Montages de base :
Montage émetteur commun : Polarisation par pont de base
+VCC
Rch
On fera les calculs dans l'ordre suivant :
a) En statique (ve=0):
• On fixe le courant collecteur de repos ICo .
• On fixe le potentiel d'émetteur VEo (au maximum à E/3).
VE0
I C0
•
On calcule alors la résistance RE par la formule : R E =
•
On se fixe la tension collecteur émetteur VCEo : en général, on la prendra égale à la moitié de la
tension disponible qui est égale à E - VEo.
•
On en déduit la résistance Rc : R C =
•
On fixe le courant du pont de base (on prendra une valeur moyenne pour le β du transistor, cette
E - VE0 − VCE0
I C0
valeur n'étant pas critique ici) : I P0 = 10I B0 = 10
I C0
β
•
On calcule Rb2 (en règle générale, on prendra VBEo égal à 0,7V) : R b2 =
•
On en déduit Rb1 : R b1 =
VE0 + VBE0
I P0
E
− R b2
I P0
Le point de repos Q(IC0,VCE0) du montage étant déterminé, on va passer au comportement en alternatif.
b) En dynamique :
Si on applique les règles (on court-circuite les sources de tension continues et on ouvre les sources de courant
continues), on obtient le schéma équivalent en alternatif ci-dessous. Pour simplifier l’étude, on néglige les
impédances des condensateurs (on court-circuite les condensateurs).
.
b-1) Droite de charge dynamique :
La droite de charge dynamique s’écrit : i c = f (v ce )
On distingue deux cas :
1
v ce
RC
1
v ce
Amplificateur en charge : i c = −
R C // R ch
Amplificateur à vide (Rch→∞): i c = −
IC
Droite de charge dynamique à vide (Rch→∞)
ic
Droite de charge dynamique en charge
Q
IC0
vce
VCE0
VCE
b-2) Gain en tension :
Le gain en tension Av est le rapport entre les tensions de sortie et d'entrée : A V =
vs
ve
Le gain en tension peut être défini de deux manières : Le gain à vide, c'est à dire sans charge connectée en sortie
du montage (Rch→∞) et le gain en charge, avec la charge connectée.
ve = h11ib

Le gain à vide : v s = − RC ic
i = h v + h i
22 s
21 b
c
⇒
Le gain en charge est donnée par : A v = −
Av =
vs
h 21R C
−
.
v e h11 (1 + h 22 R C )
h 21 (R C //R ch )
h11 (1 + h 22 (R C //R ch ))
b-3) Impédance d’entrée :
Ensuite, il faut regarder en quoi le montage peut s'interfacer avec la source d'entrée sans la perturber ; il doit rester
le plus neutre possible vis à vis de cette source, surtout s'il s'agit d'un capteur de mesure. La grandeur
représentative est l'impédance d'entrée Ze : Ze =
v e = (R b1//R b2 //h11 )i e ⇒
ve
ie
is =0
Ze = R b1//R b2 //h11
b-4) Impédance de sortie :
Même chose vis à vis de la charge branchée en sortie du montage, qui va utiliser le signal amplifié : il va falloir
regarder dans quelle mesure l'étage à transistor n'est pas perturbé par cette charge. La grandeur représentative est
l'impédance de sortie Zs : Zs =
v s = RC (i s − ic )

ic = h22v s + h21ib
v = 0 ⇒ i = 0
b
 e
⇒
vs
is
ve =0
−1
Z s = RC // h22
b-5) Schéma équivalent d’un amplificateur:
En entrée, on y trouve l'impédance Ze (on néglige la réaction de la sortie sur l'entrée). En sortie, on a un générateur
de tension commandé (la tension de sortie est égale à la tension d'entrée multipliée par le gain Av de l'étage à vide)
avec sa résistance interne qui sera la résistance de sortie de l'étage Zs.