Polarisation des transistors bipolaires
publicité
E. TISSERAND Université de Nancy Les transistors bipolaires Commutation et polarisation I - Caractéristiques des transistors bipolaires 1) Présentation Un transistor bipolaire est une triode constituée par l’association série de deux diodes PN en sens inverse. Le point de jonction des diodes est appelé base, les deux autres électrodes sont respectivement l’émetteur et le collecteur. Il existe deux modèles de transistors bipolaires : Le modèle NPN dans lequel les diodes ont en commun une zone semi-conductrice de type P. C IC C C N B P N VCE IB B B VBE E E E Constitution interne et symbole d’un transistor bipolaire NPN Le modèle PNP dans lequel les diodes ont en commun une zone semi-conductrice de type N. E E P B E VEB VEC B N P IB B C C IC C Constitution interne et symbole d’un transistor bipolaire PNP Note : la flèche dans le symbole fournit trois indications importantes : Le type de transistor NPN ou PNP ; La position de l’émetteur ; Le sens de circulation du courant I E de l’émetteur et donc celui des courants IB et IC Quatre grandeurs suffisent à définir l’état électrique d’un transistor bipolaire Type NPN Grandeurs d’entrée I B , VBE Grandeurs de sortie I C , VCE Type PNP I B , VEB I C , VEC Propriété fondamentale du transistor bipolaire Le courant de base IB permet de rendre conducteur l’espace collecteur-émetteur 1 2) Caractéristiques d’entrée et de sortie d’un transistor NPN a) Caractéristique d’entrée dans le plan (I B ; VBE ) Le quadrant 1 du graphe donné en figure suivante représente la courbe caractéristique d’entrée d’un transistor NPN. On reconnaît la caractéristique d’une diode : celle de l’espace base-émetteur. Elle est en pratique indépendante des grandeurs de sortie du transistor. b) Caractéristique de sortie dans le plan (VCE , I C ) à I B = Cste Elle est représentée dans le quadrant 3 Nous constatons que : Pour une tension VCE > VCESat le courant de collecteur IC est en grande partie proportionnelle au courant de base I B Pour une faible tension VCE < VCESat le courant IC dépend en grande partie de VCE c) Caractéristique dans le plan (I B , I C ) Elle est représentée dans le quadrant 2 Pour VCE > VCESat nous avons : I C = βI B d) Caractéristique dans le plan (VCE , VBE ) Elle est représentée dans le quadrant 4 Pour VCE > VCESat nous avons : VBE (VCE ) ≈ C ste IC à IB4 Quadrant 2 Quadrant 3 à IB3 à IB2 à IB1 IB VCEsat VCE VBE0 Quadrant 1 Quadrant 4 VBE Caractéristiques statiques d’un transistor NPN E. TISSERAND Université de Nancy 3) Caractéristiques d’entrée et de sortie d’un transistor PNP On relève le même type de caractéristiques que précédemment mais en considérant cette fois-ci les grandeurs I B ; VEB ; VEC ; I C avec le sens indiqué sur la figure du transistor PNP ( ) II - Transistor bipolaire en commutation 1) Régime de commutation - Définition Dans le montage donné en figure ci-après, le transistor est commandé par la tension d’entrée VE qui présente deux états notés respectivement 0 et 1. Il s’agit d’une commande binaire de type tout ou rien au cours de laquelle le transistor est en commutation. En régime de commutation, le transistor présente deux modes de fonctionnement : en mode rien : aucun courant ne circule dans la charge R C , le transistor est dit bloqué, la tension VCE est maximale c'est-à-dire égale à VCC . VCC . Le transistor est dit saturé et la RC en mode tout : le courant IC est maximal, proche de tension VCE est minimale c'est-à-dire proche de 0. VCC RC C IC VCE RB IB B VE VBE E Transistor NPN en commutation – Montage de base 2) Mise en commutation La résistance de charge R C du circuit est considérée fixe. Le courant de collecteur est donné par l’égalité : IC = VCC − VCE RC Cette équation correspond à la droite de charge du plan (IC , VCE ) . IC VCC RC Q1 Q0 0 VCESat VCE VCC Droite de charge du circuit 3 Pour le mode rien, le courant IC doit être nul. Il suffit pour cela que la tension VE soit inférieure au seuil de conduction VBE 0 (0,7 V) de la jonction base-émetteur. Pour plus de simplicité on fixera le niveau bas de VE à 0. Le point de fonctionnement correspond au point Q 0 de la droite de charge. Pour le mode tout, le courant collecteur est maximal et vaut : I CSat = VCC − VCESat RC Le point de fonctionnement correspondant est Q1 En pratique VCESat est faible (0,2 V) et on peut considérer I CSat ≈ VCC RC Ce point n’est atteint que si le courant I B est supérieur à la valeur I CSat V ≈ CC β βR C I BSat = (1) Pour un lot de transistor de même type, le paramètre β varie fortement, on retiendra la valeur β min i fournit par le constructeur. Le courant I B est limité par R B selon la relation IB = VE − VBE 0 VE − 0,6 ≈ RB RB (2) où VE correspond ici au niveau haut de la tension d’entrée La valeur R est déterminée de manière à ce que la condition I B > I BSat soit respectée Tableau résumé On note I CSat = I VCC − VCESat et I BSat = CSat β min RC Régime de commutation Transistor bloqué Transistor saturé IB = 0 ⇒ IC = 0 I B > I BSat ⇒ I C = I CSat < β I B VCC 0 < I B < I BSat ⇒ I C = β I B VCC RC RC IC=0 IB=0 RB Régime linéaire VCE = VCC VE=0 VCC IC ≈ RB IB VE 0 RC IC=0 IC ≈ VCC RC VCE ≈ 0 t IC C IB B VCC RC VCE = VCC ICQ VCE ≈ 0 VBE iC(t) IC VCC RC E IB IBQ 0 iB(t) t E. TISSERAND Université de Nancy III - Polarisation des T. bipolaires en zone linéaire Nous considérons ici la polarisation du transistor NPN dans sa zone linéaire. L’état de repos du transistor est caractérisé par les 4 grandeurs statiques : I BQ , VBEQ , I CQ , VCEQ Les valeurs de ces points sont fixées par les paramètres extérieurs au transistor, ce sont l' (les) alimentation(s) et les résistances de polarisation. 1) Montage fondamental à deux sources de tension Détermination des résistances en fonction des grandeurs de repos ( I BQ , VBEQ , I CQ , VCEQ ) souhaitées VCC RC ICQ RB IBQ VBB RB = VCEQ VBEQ RC = VBB IB I BQ VCC − VCEQ I CQ avec I CQ = βI BQ (D) ICQ VBEQ (∆) avec VBEQ ≈ 0,7 V IC VCC RC IBQ RB VBB − VBEQ (IBQ) VBB VCEsat VBE (∆) Droite d’attaque : VBE = − R B I B + VBB VCC VCEQ (D) Droite de charge : IC =− VCE VCE VCC + RC RC 2) Polarisation par résistance de base Détermination des résistances en fonction des grandeurs de repos ( I BQ , VBEQ , I CQ , VCEQ ) souhaitées VCC RB RC ICQ IBQ RB = VCEQ VBEQ RC = 5 VCEQ − VBEQ I BQ VCC − VCEQ I CQ + I BQ avec VBEQ ≈ 0,7 V avec I CQ = βI BQ
