Chap 5.- Analyse des transistors BJT

CHAPITRE 5
A l
Analyse
d ttransistors
des
i t
BJT
•
Avec permission de Prentice Hall
1
Modeles des transistors BJT
•
Un modèle est un circuit équivalent qui représente les
caractéristiques AC du transistor.
•
Le modèle utilise des éléments du circuit qui rapprochent
le comporteent du transistor.
•
Les modèles les plus repandus du transistor en petits
signaux AC sont:
– Modèle re
– Modèle hybride equivalent
2
Le modèle re du transistor
• Les
L BJTs
BJT sontt des
d composants
t controlés
t lé en courant;
t par conséquent
é
t
le modèle re utilise une diode et une source de courant pour dupliquer
le comportement du transistor.
• Un inconvénient du modèle est sa sensitivité au niveau DC. Ce
modèle est concu pour des conditions spécifiques du circuit.
3
Configuration a base commune
I c = αI e
re =
26 mV
Ie
Impédance d’entrée:
Z i = re
Impédance de sortie:
Z o ≅ ∞Ω
Gain en tension:
AV =
αR L R L
≅
re
re
Gain en courant:
A i = − α ≅ −1
4
Configuration a base commune
I c = αI e
re =
26 mV
Ie
Impédance d’entrée:
Z i = re
Impédance de sortie:
Z o ≅ ∞Ω
Gain en tension:
AV =
αR L R L
≅
re
re
Gain en courant:
A i = − α ≅ −1
5
Configuration à émétteur commun
Impédance d’entrée:
Z i = β re
Impédance de sortie:
Z o = ro ≅ ∞ Ω
Gain en tension:
AV = −
RL
re
Gain en courant:
A i = β ro = ∞
6
Configuration à collecteur commun
Impédance d’entrée:
Z i = ( β + 1) re
Impédance de sortie:
Z o = re || R E
Gain en tension:
AV =
RE
R E + re
Gain en courant:
Ai = β +1
7
Le Modèle équivalent hybride
Les paramètres hybrides suivants sont utilisés avec le
transistor BJT. Ces paramètres se trouvent dans la fiche
des spécifications
p
du transistor.
•
•
•
•
hi = résistance d’entrée
hr = rapport inverse de tensions (Vi/Vo) ≅ 0
hf = rapport direct de courants (Io/Ii)
ho = conductance de sortie
8
Modèle Simplifié des Paramètres h
•
•
hi = résistance d
d’entrée
entrée
hf = rapport direct de courants (Io/Ii)
9
Modèle re vs. Paramètre h
Emétteur commun
h ie = β re
h fe = β ac
Base commune
h ib = re
h fb = − α ≅ −1
10
Le Modèle hybride en π
Le modèle hybride en π est très utile pour l’analyse des
applications du transistor dans les hautes fréquences.
Pour la zone des fréquences basses le modèle hybride
en π ressemble le modèle des paramètres re, etnous
pouvons utiliser celui
celui-ci.
ci
11
Configuration à polarisation fixe et émetteur
commun
co
u
•
•
•
•
•
•
Le signal d’entrée est appliqué à la
base
La sortie est par le collecteur
L’impédance d’entrée est haute
L’impédance de sortie est basse
Haut gain en tension et en courant
Décalage de phase de 180°
12
Configuration à polarisation fixe et emétteur
commun
co
u
AC équivalent
Modèle re
13
Calculs à polarisation fixe et émétteur
commun
Impédance d’entrée:
Z i = R B || β re
Z i ≅ β re R E ≥ 10β re
Impédance de sortie:
Z o = R C || rO
Z o ≅ R C ro ≥ 10R C
Gain en tension:
Av =
Vo
(R || r )
=− C o
Vi
re
Av = −
RC
ro ≥ 10R C
re
Gain en courant:
I
β R B ro
Ai = o =
I i (ro + R C )(R B + β re )
A i ≅ β ro ≥ 10R C , R B ≥ 10β re
Gain en courant à partir du gain en
tension:
Ai = −A v
Zi
RC
14
Polarisation par pont de base à émétteur
commun
co
u
Dans le modèle re il faut determiner β, re, et ro.
15
Calculs pour la polarisation par pont de base et
é étt
émétteur
commun
Impédance d’entrée:
R ′ = R 1 || R 2
Z i = R ′ || β re
Impédance de sortie:
Z o = R C || ro
Z o ≅ R C ro ≥ 10R C
Gain en tension:
Av =
Vo − R C || ro
=
Vi
re
Av =
Vo
R
≅ − C ro ≥ 10R C
Vi
re
Gain en courant:
β R ′ro
I
Ai = o =
I i (ro + R C )(R ′ + β re )
I
βR ′
Ai = o ≅
r ≥ 10R C
I i R ′ + β re o
I
A i = o ≅ β ro ≥ 10R C , R ′ ≥ 10β re
Ii
Gain en courant à partir du gain en
tension:
Z
A i = −A v i
RC
16
Configuration à polarisation fixe et
émméteur commun
17
Calculs des impédances
Impédance d’entrée:
Z i = R B || Z b
Z b = β re + (β + 1)R E
Z b ≅ β(re + R E )
Z b ≅ βR E
Impédance de sortie:
Zo = R C
18
Calcul du Gain
Gain en tension:
Av =
Vo
βR C
=−
Vi
Zb
Av =
Vo
RC
=−
Vi
re + R E Z b = β((re + R E )
Av =
Vo
R
≅ − C Z b ≅ βR E
Vi
RE
Gain en courant:
I
βR B
Ai = o =
Ii
R B + Zb
Gain en courant à partir du courant en gain:
Ai = −A v
Zi
RC
19
Configuration suiveur d’émétteur
•
•
•
Aussi appelée configuration à collecteur commun.
L’entrée
L
entrée ss’applique
applique à la base et la sortie est par ll’émétteur
émétteur.
Il n’y a pas décalage de phase entre entrée et sortie
20
Calculs d’impédance
Impédance d’entrée:
Z i = R B || Z b
Z b = β re + (β + 1)R E
Z b ≅ β(re + R E )
Z b ≅ βR E
Impédance de sortie:
Z o = R E || re
Z o ≅ re R E >> re
21
Calcul du gain
g
Gain en tension:
Vo
RE
=
Vi
R E + re
V
A v = o ≅ 1 R E >> re , R E + re ≅ R E
Vi
Av =
Gain en courant:
Ai ≅ −
βR B
R B + Zb
Gain en courant à partir du gain en tension:
Ai = −A v
Zi
RE
22
Configuration à base commune
•
•
•
•
•
•
•
L’entrée est appliqué à la base.
La sortie est prise du collecteur.
Impédance de base pétite.
Impédance de sortie haute.
haute
Gain en courant moins de l’unité.
Très haut gain en tension.
Pas de décalage de phase entre
entrée et sortie.
23
Calculs
Impédance d’entrée:
Z i = R E || re
Impédance de sortie:
Zo = R C
Gain en tension:
Av =
Vo αR C R C
=
≅
Vi
re
re
Gain en courant:
I
A i = o = − α ≅ −1
Ii
24
Configuration à émétteur commun à
retroaction
•
•
•
•
C’est une variante de la configuration à émétteur commun et
configuration fixe
L’entrée est appliquée à la base
La sortie s’applique
s applique au collecteur
Il y a un décalage de phase de 180° entre entrée et sortie
25
Calculs
Impédance d’entrée:
Zi =
re
1 RC
+
β RF
Impédance de sortie:
Z o ≅ R C || R F
Gain en tension:
Av =
Vo
R
=− C
Vi
re
Gain en courant:
Io
βR F
=
Ii
R F + βR C
I
RF
Ai = o ≅
Ii
RC
Ai =
26
Configuration par retroaction de collecteur
•
C’est une variante de la
configuration
g
à émétteur commun
et configuration fixe
• L’entrée est appliquée à la base
• La sortie s’applique au
collecteur
• Il y a un décalage de phase de
180° entre l’entrée et la sortie
27
Calculs
Impédance d’entrée:
Zi =
re
1 RC
+
β RF
Impédance de sortie:
Z o ≅ R C || R F
Gain en tension:
Av =
Vo
R
=− C
Vi
re
Gain en courant:
Io
βR F
=
Ii
R F + βR C
I
RF
Ai = o ≅
RC
I
Ai =
i
28
Système à deux ports
Cette aproche:
• Réduit le système à deux ports
• Fournit une vision “Thévenin” en sortie
• Il facilite l’impact de la charge variable
Avec Vi à 0 V:
Z Th = Z o = R o
La tension à terminal
ouvert est:
E Th = A vNL Vi
avec AvNL étant le
gain en tension.
29
Effet de la charge sur le gain
Le modèle
L
dèl peutt être
êt appliqué
li é
a tout amplificateur controllé
par tension.
L’ajout d’une charge réduit
le gain:
Av =
Vo
RL
A vNL
=
Vi
RL + Ro
Ai = −A v
Zi
RL
30
Effet de l’impédance source sur le gain
La fraction du signal
entrant dans
l’amplificateur est:
Vi =
R i Vs
Ri + Rs
La résistance interne de la source réduit le gain.
A vs =
Vo
Ri
A vNL
=
Vs R i + R s
31
Effet combiné
Impact
p
de RL:
Vo R L A vNL
=
Vi
RL + Ro
R
Ai = −A v i
RL
Av =
Impact de RL et de RS:
Vo
Ri
RL
=
A vNL
Vs R i + R s R L + R o
R + Ri
A iis = − A vs s
RL
A vs =
32
Système en cascade
•
•
•
•
•
La sortie d’un amplificateur est l’entrée de l’amplificateur
suivant
Le gain total est determiné par le produit des gains des étages
induviduels.
Les circuits de polarisation DC sont isolés par les condensaters
de couplage
couplage.
Les calculs DC sont idépendants pour chaque étage.
Les calculs du gain et et d’impédance sont dépendants
33
Amplificateurs RR-C BJT en couplage
Impédance d’entrée, première étage
Z i = R 1 || R 2 || β re
Impédance de sortie, deuxième étage:
Zo = R C
Gain en tension:
A v1 =
R C || R 1 || R 2 || β re
re
A V2 =
RC
re
A v = A v1 A v 2
34
Connexion en Cascode
Cet exemple est une
combinaison CE
CE–CB.
CB This
arrangement provides high
input impedance but a low
voltage gain.
The low voltage gain of the
input stage reduces the Miller
input capacitance
capacitance, making this
combination suitable for highfrequency applications.
35
Le circuit Darlington
Le circuit Darlington
g
fournit un tres ahut
gain— le produit des gains individuels:
βD = β1β2
Par conséquant le circuit comporte une
haute impédance d’entrée.
36
Polarisation des circuite Darlington
Courant de base:
VCC − VBE
R B + β DR E
Courant d’émetteur:
IB =
I E = (β D + 1)I B ≅ β D I B
Tension d’émetteur:
VE = I E R E
Tension de base:
VB = VE + VBE
37
Circuits miroir de courant
Génèrent un courant
constant dans les circuits
intégrés.
38
Circuits sources de courant
Ces circuits
C
i it peuventt se construiree
t i
avec des
d FET
FETs, BJTs,
BJT ou
par une combinaison.
IE ≅ IC
I
≅
I
E
=
V
−
Z
R
V
BE
E
more…
39
Circuits sources de courant
VGS = 0V
ID = IDSS = 10 mA
40
Configuration á polarisation fixe
Impédance d’entrée:
Z i = R B || h ie
Impédance de sortie:
Z o = R C || 1 / h oe
Gain en tension:
Av =
Vo
h (R || 1 / h o e )
= − fe C
Vi
h ie
Gain en courant:
I
A i = o ≅ h fe
Ii
Z i = R B || h ie
41
Configuration par pont diviseur de tension
Impédance d’entrée:
Z i = R ′ || h ie
Impédance de sortie:
Zo ≅ R C
Gain en tension:
tension
h (R || 1/h oe )
A v = − fe C
h ie
Gain en courant:
Ai = −
h fe R ′
R ′ + h ie
42
Configuration suiveur d’émetteur
Impédance d;entrée:
Z b = h fe R E
Z i = R o || Z b
Impédance de sortie:
h
Z o ≅ R E || ie
h fe
Z b = h fe R E
Z i = R o || Z b
Gain en tension:
Av =
Vo
RE
=
Vi
R E + h ie / h fe
Gain en courant:
h R
A i = fe B
R B + Zb
Z
Ai = −A v i
RE
43
Configuration Base commune
Impédance d’entrée:
Z i = R E || h ib
Impédance de sortie:
Zo = RC
Gain en tension:
Av =
Vo
h R
= − fb C
Vi
h ib
Gain en courant:
I
A i = o = h fb ≅ −1
Ii
44