10. Polarisation d`un transistor

Cours 10
Polarisation d'un transistor
TABLE DES MATIÈRES
10. POLARISATION D'UN TRANSISTOR
10-1
10.1 Introduction
10-1
10.2 La polarisation d'un transistor
10.2.1 Principe
10.2.2 Polarisation d'un transistor par courant de base
10.2.3 Polarisation en h
10-3
10-3
10-4
10-6
10. Polarisation d'un transistor
10.1 Introduction
Voici un amplificateur très simple à transistor (Figure 10-1). Il comporte un réseau de
résistances, permettant de polariser le transistor et des condensateurs permettant de
coupler l'amplificateur à un autre, véhiculant le signal alternatif.
Entrée
Ucc = 15V
RC
10k
Sortie
+
R1
100k
+
C1
1µF
C2
1µF
R2
10k
Rc
(charge)
RE
1k
Figure 10-1
Cet amplificateur a un gain de -10, une impédance d'entrée d'environ 8,3k et une
impédance de sortie de 10k(On verra plus loin comment on calcule ces valeurs). La
Figure 10-2 représente le diagramme fonctionnel d'un tel amplificateur.
Z sortie
Entrée
Sortie
Z entrée
AV x Uentrée
Figure 10-2
En fait, n'importe quel type d'amplificateur peut être représenté par ce diagramme. Il
contient des données importantes. L'impédance d'entrée (Z entrée) est la charge que cet
amplificateur va représenter pour la source de signal ou l'étage amplificateur précédant.
L'impédance de sortie (Z sortie) représente la résistance interne équivalente (Rth)
présente à la sortie. Ces deux impédances, Z entrée et Z sortie, influencent la performance
générale de l'amplificateur lorsque plusieurs étages de ce type sont reliés ensemble;
l'impédance de sortie de l'un avec l'impédance d'entrée de l'autre créent un diviseur de
tension indésirable.
Polarisation d’un transistor
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On quantifie l'effet de ce diviseur de tension par un facteur qu'on appelle le gain
d'interface. Il consiste à calculer le diviseur de tension résultant.
2k
10k
10k
Rc
Av1 = -10
8,3k
Av int. #1
Av int.#2
Av ampli.#1
10k
Av2 = -10
8,3k
Av int #3
Av ampli.#2
Figure 10-3
La Figure 10-3 montre deux étages d'amplification semblables à la Figure 10-1. La source
de signal à amplifier se trouve à la gauche et comporte une résistance interne de 2k.
Cette résistance et l'impédance d'entrée du premier étage créent un diviseur de tension.
Av int #1 = 8,3k / (2k + 8,3k) = 0,806
Le même phénomène se produit entre les deux étages et entre le dernier étage et la
résistance de charge (Rc).
Av int #2 = 8,3k / (10k + 8,3k) = 0,454
Av int #3 = 10k / (10k + 10k) = 0,5
Le gain total du système se trouve à être le produit de tous les gains ensemble.
Av total = Av int #1 x Av1 x Av int #2 x Av2 x Av int #3
= 0,806 x -10 x 0,454 x -10 x 0,5 = 18,3
Ce résultat se retrouve loin de l'espérance de Av1 x Av2 = -10 x -10 = 100! Il est donc
souhaité de maintenir les impédances de sortie le plus bas possible et les impédances
d'entrée le plus haut possible afin de minimiser l'effet du gain d'interface. Ceci vous fait
apprécier les caractéristiques des amplificateurs opérationnels. Cependant, ceux-ci sont
cependant composés de transistors. Il existe donc une façon de faire pour remédier à ces
inconvénients. Voyons comment on réalise un amplificateur transistorisé simple.
Polarisation d’un transistor
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10.2 La polarisation d'un transistor
10.2.1 Principe
Afin de pouvoir traiter un signal alternatif, c'est à dire de faire varier un courant, il est
nécessaire que le transistor soit préalablement polarisé convenablement. Il faut donc
qu'un courant (CC) soit déjà présent dans celui-ci et qu'il ne soit ni saturé ni bloqué. En
fait, l'idéal est qu'il soit dans l'état intermédiaire, au centre, entre ces deux extrêmes. La
règle de base est que la tension continu (ou de repos appelée UCEQ, Q du latin "quies")
soit la moitié de la tension d'alimentation (UCC).
En reprenant l'exemple de la Figure 10-1 on y trouve en continu une tension UCEQ de
7,5V. Le circuit de la Figure 10-4 représente uniquement le circuit CC de polarisation.
Ucc = 15V
RC
10k
ICQ
+
UCEQ
RE
1k
Figure 10-4
Les deux extrêmes mentionnés précédemment sont calculés comme suit:
IC saturation = Ucc / (RC + RE) = 15V / (10k + 1k) = 1,36mA
C'est le courant maximum possible dans le transistor. Le transistor est considéré comme
étant un court-circuit entre son collecteur et son émetteur.
UCE coupure = Ucc = 15V
C'est la tension maximum possible aux bornes du transistor. Le transistor est un circuit
ouvert et toute la tension d'alimentation (Ucc) se retrouve à ses bornes.
La situation intermédiaire désirée, ou idéale, se trouve donc à être en plein centre:
UCEQ = Ucc / 2 et
ICQ = ICsat / 2. Dans ce cas-ci:
UCEQ = Ucc / 2 = 7,5V
ICQ = ICsat / 2 = 1,36mA / 2 = 682µA.
Polarisation d’un transistor
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10.2.2 Polarisation d'un transistor par courant de base
La pire des façons de polariser un transistor est en tentant de contrôler le courant de base.
La raison de sa médiocrité vient du fait que ce modèle est directement dépendant du gain
en courant ß du transistor.
Entrée
Ucc = 15V
RC
10k
+
Sortie
C2
RB
2M
+
C1
ß = 100
VBE = 0,7V
Figure 10-5
Dans le circuit de la Figure 10-5 on remarque l'absence d'une résistance d'émetteur. Tout
est contrôlé par le courant de base. Il faut premièrement trouver IB et le reste des calculs
est assez simple.
IB = URB / RB = (15V - 0,7V) / 2M = 7,15µA
ICQ = ß x IB = 100 x 7,15µA = 715µA
URC = 715µA x 10k -= 7,15V
UC = UCEQ = 15V - 7,15 = 7,85V
Tout ceci est vrai, mais à la condition que ß vaille bien 100...
Polarisation d’un transistor
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On augmente la stabilité en faisant l'ajout d'une résistance à l'émetteur comme à la Figure
10-6.
Ucc = 15V
RB
2,2M
RC
10k
+
+
Entrée
C1
Sortie
C2
ß = 100
VBE = 0,7V
RE
1k
Figure 10-6
La résistance d'émetteur apporte un élément de contre-réaction au système. Un courant de
collecteur plus élevé, causé par un ß supérieur, créera une tension aussi plus élevée aux
bornes de RE. Par boucle de tension, RB aura moins de tension à ses bornes et par
conséquence le courant de base sera aussi moindre. Le courant de base ayant diminué le
courant de collecteur fera de même.
Le calcul du courant de l'émetteur est moins simple que dans le circuit de la Figure 10-5.
Examiner la boucle de Kirchhoff suivante.
Ucc = URE + UBE + URB
Ucc = IE x RE + UBE + IB x RB
Ucc = IE x RE + UBE + IE / (ß+1) x RB
IE = (Ucc - UBE) / (RE + RB / (ß+1))
À la Figure 10-6 le courant d'émetteur vaut donc:
IE = (15V - 0,7V) / (1k + 2,2M / (100 + 1)) = 628µA
Ensuite:
IC = 628µA x 100 / (100 + 1) = 621µA
UE = 628µA x 1k = 628mV
UC = 15V - 621µA x 10k = 8,79V
UCEQ = 8,79V - 628mV = 8,16V
UB = 628mV + 0,7V = 1,33V
La tension de collecteur par rapport à commun est alors:
UC = 15V - 682µA x 10k = 8,2V
ICsat = 15V / (10k + 1k) = 1,36mA
UCEcoup = Ucc = 15V
Polarisation d’un transistor
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10.2.3 Polarisation en h
La polarisation par courant de base, même avec une résistance à l'émetteur, reste
cependant une configuration peu fiable. La raison vient toujours du fait que le ß tient un
rôle trop important. La polarisation en H contient un diviseur de tension à la base
permettant de contrôler la polarisation à l'aide d'une tension plutôt que d'un courant.
Revenons à Figure 10-1. En faisant la transformation du circuit de polarisation vu de la
base du transistor en son équivalent de Thévenin, on obtient le circuit de la Figure 10-7.
Uth = Ubb = 15V x 10k / (100k + 10k) = 1,36V
Rth = Rbb = 100k // 10k = 9,09k
Ucc = 15V
RC
10k
Rbb
ß = 100
9,09k
Ubb
1,36V
RE
1k
Figure 10-7
Examiner la boucle en tension suivante:
Ubb = URE + UBE + URbb
Ubb = IE x RE + UBE + IB x Rbb
Ubb = IE x RE + UBE + IE / (ß+1) x Rbb
IE = (Ubb - UBE) / (RE + Rbb / (ß+1))
Le terme Rbb / (ß+1) est petit comparé à RE; il peut même être négligé. Ceci revient à dire
qu'on suppose qu'aucun courant ne circule dans Rbb, ou si on veut, que le courant de base
est négligé ou nul. On affirme alors que la tension de base vaut Ubb.
À titre d'exemple, à partir du circuit de la Figure 10-1, voici un calcul précis de toutes les
tensions et de tous les courants, sans négliger, et ensuite un autre calcul en supposant un
courant de base nul.
Polarisation d’un transistor
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Calcul précis (ß = 100):
IE = (1,36V - 0,7V) / (1k + 9,09k / (100+1)) = 605µA
ICQ = 605µA x 100 / (100 + 1) = 600µA
UE = 605µA x 1k = 605mV
UC = 15V - 600µA x 10k = 9V
UCEQ = 9V - 605mV = 8,4V
UB = 605mV + 0,7V = 1,31V
Calcul approximatif:
UB = 1,36V
UE = 1,36V - 0,7V = 660mV
IE = ICQ = 660mV / 1k = 660µA
UC = 15V - 660µA x 10k = 8,4V
UCEQ = 8,4V - 660mV = 7,74V
Par l'approche approximative on est en mesure d'estimer rapidement les tensions et les
courants qu'on devrait normalement retrouver dans un circuit lorsqu'on tente de corriger
une dysfonctionnement.
Polarisation d’un transistor
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# 1 - Exemple:
R1
240k
Ucc = 20V
RC
22k
+
Entrée
+
C1
5µF
R2
22k
Sortie
C2
5µF
RE
2,2k
VBE = 0,7V
ß = 150
Figure 10-8
Questions:
Faire premièrement tous les calculs, de a) à e), en utilisant l'approximation et ensuite
recommencer le travail, mais en calculant précisément.
a) UB = ?
b) UE = ?
c) ICQ = ?
d) UC = ?
e) UCEQ = ?
Solution approximative:
a) UB = 20V x 22k / (22k + 240k) = 1,68V (diviseur de tension)
b) UE = UB - UBE = 1,68V - 0,7V = 979mV
c) ICQ = IE = UE / RE = 979mV / 2,2k = 445µA
d) UC = Ucc - URC = 20V - 445µA x 22k = 10,21V
e) UCEQ = UC - UE = 10,21V - 979mV = 9,23V
Solution précise:
c) Ubb = 20V x 22k / (22k + 240k) = 1,68V
Rbb = 22k // 240k = 20,2k
IE = (1,68V - 0,7V) / (2,2k + 20,2k / (150 + 1)) = 420µA
ICQ = 420µA x 150 / (150 + 1) = 417µA
b) UE = 420µA x 2,2k = 924mV
a) UB = 924mV + 0,7V = 1,62V
d) UC = 20V - 417µA x 22k = 10,8V
e) UCEQ = 10,8V - 924mv = 9,9V
Polarisation d’un transistor
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