Chapitre 3 :��Transistors en régime statique

Le transistor en électronique

Ses applications :

• Amplifier un signal : amplificateur de tension, de courant, de puissance

​

• Être utilisé comme une source de courant

• Agir comme un interrupteur commandé : essentiel pour l’électronique numérique et l’électronique de puissance.

Ses formes :

• Composant discret.

• Circuit intégré :

Types de transistors :

• Transistor bipolaire : source de courant pilotée en courant

• Transistor à effet de champs (JFET ou MOSFET) : source de courant pilotée en tension.

Transistors bipolaires

T

Transistors bipolaires

Types de transistors bipolaires

• Une couche N fortement dopée constituant l’émetteur.
• Une couche P très mince et faiblement dopée constituant la base.
• Une couche N faiblement dopée constituant le collecteur.

• Une couche P fortement dopée constituant l’émetteur.
• Une couche N très mince et faiblement dopée constituant la base.
• Une couche P faiblement dopée constituant le collecteur.

NPN

PNP

Principe de fonctionnement d’un transistor bipolaire (NPN)

E

B

C

Principe de fonctionnement d’un transistor bipolaire (NPN)

Zone de charge d’espace et barrière de potentielle

E

B

C

Eeb

Ecb

Principe de fonctionnement d’un transistor bipolaire (NPN)

Zone de charge d’espace et barrière de potentielle

Principe de fonctionnement d’un transistor bipolaire (NPN)

Schéma équivalent en statique à l’équilibre

E

B

C

Eeb

Ecb

Principe de fonctionnement d’un transistor bipolaire (NPN)

Polarisation du transistor

E

B

C

Eeb

Ecb

5 V

0,6 V

E’eb

Ecb

Principe de fonctionnement d’un transistor bipolaire (NPN)

Polarisation du transistor

E

B

C

Eeb

Ecb

5 V

0,6 V

E’eb

Ecb

I_B

I_C

Polarisation du transistor

Principe de fonctionnement d’un transistor bipolaire (NPN)

Principe de fonctionnement d’un transistor bipolaire (NPN)

Polarisation du transistor

Polarisation du transistor

Principe de fonctionnement d’un transistor bipolaire (NPN)

Transistor bipolaire : Modèle d'Ebers-Moll (en régime linéaire)

C

Transistor NPN

Transistor PNP

Le générateur de courant n'existe que si le transistor est polarisé, et de telle sorte à avoir l'effet transistor

Transistor bipolaire : Relations fondamentales

• Courant de collecteur :

• Courant de base :

• Courant de l'émetteur :

Is : Courant de saturation inverse de la jonction émetteur - base .

β : Gain en courant du transistor, c'est une caractéristique du transistor.

β est très peut reproductible d’un composant à l’autre, ( 20 < β < 500 ).

(Effet transistor)

On peut voir le transistor comme un quadripôle. Comme c'est en réalité un tripôle, il faut mettre une de ses connexions en commun entre l’entrée et la sortie du quadripôle.

Transistor bipolaire : Montages de base

Trois montages sont possibles:

• Grandeur d'entrée :

VBE, IB

• Grandeur de sortie :

VCE, IC

• Grandeur d'entrée :

VBC, IB

• Grandeur de sortie :

VEC, IE

• Grandeur d'entrée :

VEB, IE

• Grandeur de sortie :

VCB, IC

Emetteur Commun

Collecteur Commun

Base Commune

Transistor bipolaire : Caractéristiques électriques

Caractéristique d'entrée

IB = f (VBE) pour VCE = cte

Caractéristique de transfert

IC = f (IB) pour VCE = cte

Caractéristique de sortie

IC = f (VCE) pour IB = cte

Diode constituée par la jonction Base-Emetteur

IC = β IB + ICE0

ICE0 : Courant de fuite

Zone 1 : IC dépend très peu de VCE pour IB donné générateur de courant avec une faible résistance interne.

Zone 2 : IC dépend beaucoup de VCE. C'est la zone de saturation. Lorsque VCE devient très faible, la jonction collecteur-base cesse d’être polarisée en inverse (VBC = VBE-VCE). On n'a plus un transistor mais l'équivalent de deux diodes en parallèle

Transistor bipolaire : Régimes de fonctionnement

Régimes de fonctionnement

Si IB = 0 (VBE ≤ 0)

Transistor bloqué,

Rien ne circule

Si IB > 0

Transistor en régime linéaire

IC = β IB (effet transistor).

Si IB > Icsat/β (V_CE = V_CEsat)

Transistor saturé

IC< β IB

Fonctionnement en commutation de blocage

Fonctionnement en amplification

Fonctionnement en commutation de saturation

P0

P1

P2

P3

P4

Blocage

Saturation

Amplification

V_CEsat

Transistor bipolaire : Polarisation par deux alimentations

Polarisation par deux alimentations

• Droite d'attaque IB = f (VBE) :

• Droite de charge IC = f (VCE) :

Objectif de la polarisation

• Fixer le point de fonctionnement
• Choisir le régime de fonctionnement

• Fonctionnement en Amplification (ou encore linéaire) (point P en A): IC = β IB.
• Fonctionnement en commutation de saturation (point P en S): IC < β IB.
• Fonctionnement en commutation de blocage ( point P en B): IC = 0.

Ce montage nécessite deux alimentations,

coûteux, encombré

Transistor bipolaire : Polarisation par résistance de base

• Droite d'attaque IB = f (VBE) :

• Droite de charge IC = f (VCE) :

Dans le régime linéaire (amplification) on :

Les dispersions de β sont grandes pour le même type du transistor. En plus, β dépend de la température.

Le point de fonctionnement est donc instable ce qui représente le principal inconvénient de ce montage.

Polarisation par résistance de base

Transistor bipolaire : Polarisation par pont de base

Thévinin

En choisissant

On a :

Le point de polarisation devient indépendant de β donc plus stable vis à vis la température l’interchangeabilité du transistor

Polarisation par pont de base

Qu’est-ce qu’un régime petits signaux?

Transistor bipolaire : régime dynamique

Transistor en régime linéaire : Régime petits signaux

Le régime petit signaux correspond à la linéarisation du fonctionnement du transistor autour de son point de polarisation.

Signal de sortie de même forme que le signal d’entrée

i_c= βi_b

Calcul de r_π :

À température ambiante (T = 300 K) , on a alors :

Transistor bipolaire : Modèle petit signaux (Basses et moyennes fréquences)

Modèle du transistor (Basses et moyennes fréquences)

Paramètres du modèle :

• Résistance Base-Emetteur

• Résistance Collecteur-Emetteur

• Gain en courant

Transistor bipolaire : Modèle petit signaux (Hautes fréquences)

Modèle du transistor (Hautes fréquences)

Cbe , Cbc et Cce  : Capacités parasites

Modèle de Giacoletto

Amplification petits signaux à l'aide d'un transistor bipolaire

Grâce aux modèles linéaires du transistor et au théorème de superposition, le calcul d'un amplificateur (devient très simple. Le calcul complet se décompose en cinq étapes successives :

1. Calcul du point de fonctionnement du circuit (IB0,VBE0, IC0, VCE0)

2. Calcul des paramètres du transistor à partir du courant de repos IC

3. Dessin du circuit petits signaux dans lequel on annule toutes les sources continues et on remplace le transistor par son modèle petits signaux.

4. Calcul des paramètres de l'amplificateur équivalent représenté par les impédances Ze, Zs et son gain en tension ou en courant Av ou Ai .

5.Présenter l’étage amplificateur comme un quadripôle.

Méthodologie du calcul

Fonctionnement du transistor bipolaire en amplification : Montages de base

On appelle montage à émetteur, base, collecteur commun, un montage dans lequel l’émetteur, resp. la base ou le collecteur sont reliés à la masse en petits signaux.

Montage classiques et utiles :

• Emetteur commun
• Montage collecteur commun
• Montage base commune

Montage à émetteur commun : polarisation

Polarisation

Les capacités sont

Assimilées à des interrupteurs ouverts

V_BE0 est égale à la tension seuil de la jonction Base-Emetteur.

Objectif : Détermination des valeurs des grandeurs de repos : I_B0, I_C0, V_BE0, V_CE0

1.Polarisation

Montage à émetteur commun : Schéma équivalent petit signaux du transistor

Objectif : Calcul des paramètres du transistor

Calcul de rπ :

On a :

À température ambiante (T = 300 K) , on a alors :

2. Schéma équivalent petit signaux du transistor

Montage à émetteur commun : Schéma équivalent petit signaux du montage

Schéma équivalent

En petit signaux

On court-circuite les capacités

3. Schéma équivalent petit signaux du montage

4. Calcul des paramètres de l’amplificateur

A/ Gain en tension à vide ( sans charge connectée à la sortie):

B/ Impédance d'entrée:

C/ Impédance de sortie:

Montage à émetteur commun : Schéma équivalent petit signaux du montage

D/ schéma équivalent de l'étage amplificateur

E/ Gain de l'étage en charge

F/ Bilan

Ce montage présente :

• Une bonne amplification en tension

• Une impédance d’entrée relativement faible ( presque égale à r_π)

• Une impédance de sortie assez élevée R_c

Ce montage est inexploitable seul, il faudra lui adjoindre des étages adaptateurs

d'impédance.

Montage à collecteur commun : polarisation

1.Polarisation

Objectif : Détermination des valeurs des grandeurs de repos : I_B0, I_C0, V_BE0, V_CE0

Polarisation

Les capacités sont

Assimilées à des interrupteurs ouverts

V_BE0 est égale à la tension seuil de la jonction Base-Bmetteur

Ve

Montage à collecteur commun : Schéma équivalent petit signaux du montage

Schéma équivalent

En petit signaux

On court-circuite les capacités

2. Schéma équivalent petit signaux du montage

3. Calcul des paramètres de l’amplificateur

A/ Gain en tension à vide:

B/ Impédance d'entrée:

Ve

Montage à collecteur commun : Schéma équivalent petit signaux du montage

C/ Impédance de sortie

D/ Bilan

Ce montage présente :

• Un gain en tension presque égale à 1

• Une impédance d’entrée élevée

• Une impédance de sortie faible

Vs

is

Vs

is

Il est évident que ce montage ne sert pas pour amplifier un signal, mais il est utilisé comme adaptateur d’impédance.

Situé en amont d’un vrai montage amplificateur, il permet d’augmenter son impédance d’entrée, situé en aval d’un vrai montage amplificateur, il permet de l’interfacer avec une faible charge, et ceci, sans modifier le gain en tension de l’étage.

Montage à base commune : Schéma équivalent petit signaux du montage

Schéma équivalent

En petit signaux

On court-circuite les capacités

1.Schéma équivalent petit signaux du montage

2. Calcul des paramètres de l’amplificateur

A/ Gain en tension à vide ( sans charge connectée à la sortie)

B/ Impédance d'entrée

C/ Impédance de sortie

Montage à collecteur commun : Schéma équivalent petit signaux du montage

D/ Bilan

Ce montage présente :

• Un gain en tension élevé

• Une impédance d’entrée faible

• Une impédance de sortie moyenne

En pratique, ce montage sera très peu utilisé, sauf en haute fréquence où il va présenter une bande passante supérieure à celle du montage émetteur commun.

Couplage entre étages

Exemple : Amplificateur avec

- gain en tension élevé

- impédance d’entrée élevée

- impédance de sortie faible

• Couplage capacitif

Exemple: amplificateur à trois étages CC - EC - CC

Utilisation de condensateurs de liaison, C_L

* Les points de fonctionnement des 3 étages sont indépendants (en statique C_L = circuit ouvert)

* Les paramètres dynamiques (gains, impédances) ne sont pas indépendants

ex: l’impédance d’entrée du 3^ième étage (= charge de l’étage E.C.) détermine le gain sur charge du 2^ième étage, etc.

Inconvénient: les condensateurs imposent une fréquence de coupure basse au montage.

comme

T₁

T₂

T₃

• Couplage direct

Pas de fréquence de coupure basse

Les circuits de polarisation des différents étages ne sont pas indépendants.

“Darlington”

T₁ ,T₂=PNP!!

• Analyse statique :

3V

V_CC polarise en directe les deux jonctions EB de T₁ et T₂

(transistors PNP)

V_CC= 30V

5k

27k

24k

680

2.4k

v_s

T₁

T₂

T₃

T₄

Mais attention….

3V

→ T₄ en mode saturé !!

0.6V

0.6V

refaisons le calcul avec V_BE=0.6V :

au lieu de 3V…

Amplification des dérives des composantes statiques

• Couplage par transformateur :