Structures matérielles des entrées sorties Généralités sur les transistors Marc Silanus – Génie Electronique – Lycée A. Benoit – Cours Victor Hugo – L’ISLE SUR LA SORGUE

Le référentiel de BTS SN Savoir S5.3. : Détecteurs / capteurs industriels : position, vitesse, accélération, … Conditionnement et traitement du signal : Amplification, Filtrage analogique et numérique, compression Adaptation de niveau et de puissance (BF et HF) Préactionneurs industriels compétences C3.6 : recenser les solutions existantes répondant au cahier des charges C4.1 : câbler et/ou intégrer un matériel C4.2 : adapter et/ou configurer un matériel 2

1- Introduction Les transistors sont des composants électronique utilisés comme interrupteur commandé, amplificateur, stabilisateur de tension, modulateur de signal... 3

1- Introduction Exemple : ici le transistor va remplir la même fonction qu’un relais mais de façon statique (sans pièce mobile) 4

1- Introduction Exemples : 5 Régulateur de tension Générateur de courant

1- Introduction Exemples : 6 Oscillateur (astable) Oscillateur à quartz

1- Introduction Exemples : 7 Amplificateur audio

1- Introduction Exemples : 8 Adaptation de puissance

1- Introduction Différents types de transistors 9

2- Transistors bipolaires 2-1 Définition d’un transistor bipolaire 10

2- Transistors bipolaires 2-2 Représentation 11

2- Transistors bipolaires 2-3 Fonctionnement du transistor NPN 12

2- Transistors bipolaires 2-3 Fonctionnement du transistor NPN 13

2- Transistors bipolaires 2-3 Fonctionnement du transistor 14 NPNPNP

2- Transistors bipolaires 2-4 Caractéristiques I B (V BE ) du transistor NPN 15

2- Transistors bipolaires 2-4 Caractéristiques I B (V BE ) du transistor PNP 16

2- Transistors bipolaires 2-4 Caractéristiques I C (V CE ) du transistor NPN 17

2- Transistors bipolaires 2-4 Caractéristiques d’un transistor NPN 18

2- Transistors bipolaires 2-4 Caractéristiques d’un transistor NPN : polarisation 19 Si VE = 0V => VS =? Si VE = 24V => VS =? La polarisation a pour rôle de placer le point de fonctionnement du transistor dans une zone où ses caractéristiques sont linéaires. Pour cela, on applique sur les trois électrodes du transistor des potentiels continus de valeurs convenables.

2- Transistors bipolaires 2-4 Caractéristiques d’un transistor NPN 20

2- Transistors bipolaires 2-4 Caractéristiques d’un transistor NPN 21 La loi des mailles dans la boucle de sortie :

2- Transistors bipolaires 2-4 Caractéristiques d’un transistor NPN 22 La loi des mailles dans la boucle de sortie :

2- Transistors bipolaires 2-5 Fonctions logiques 23

2- Transistors bipolaires 2-6 Paramètres h Pour caractériser complètement le fonctionnement d'un transistor, il faut déterminer 6 grandeurs : I C I B I E V BE V CE V BC Les relations : I E = I C + I B et V BE = V CE + V BC On considère le transistor comme un quadripôle. 24

2- Transistors bipolaires 2-6 Paramètres h Réseau d'entrée : i B = f(V BE ) avec V CE comme paramètre Réseau de sortie: i C = f(V CE ) avec i B comme paramètre Réseau de transfert en courant : i C = f(I B ) avec V CE comme paramètre Réseau de transfert en tension : V BE = f(V CE ) avec i B comme paramètre 25

2- Transistors bipolaires 2-6 Paramètres h v be = h ie i b + h re v ce i c = h fe i b + h oe v ce h ie input impedance (Ω) h re reverse voltage ratio (dimensionless) h fe forward current transfer ratio (dimensionless) h oe output admittance (Siemen) 26

2- Transistors bipolaires 2-6 Paramètres h v be = h ie i b + h re v ce i c = h fe i b + h oe v ce h ie input impedance (Ω) h re reverse voltage ratio (dimensionless) h fe forward current transfer ratio (dimensionless) h oe output admittance (Siemen) 27

2- Transistors bipolaires 2-6 Paramètres h 28 Typical h-parameter Values h-parameters are not constant and vary with both temperature and collector current. Typical values for 1mA collector currents are: h ie = 1000 Ω h re = 3 x h oe = 3 x S h fe = 250

2- Transistors bipolaires 2-7 Montages fondamentaux : Emetteur commun 29 Entrée sur la base Emetteur à la masse en ~ Sortie sur le collecteur Modèle grands signaux

2- Transistors bipolaires 2-7 Montages fondamentaux : Collecteur commun 30 Entrée sur la base Collecteur au + alim Sortie sur l’émetteur Modèle grands signaux

2- Transistors bipolaires 2-7 Montages fondamentaux : Base commune 31 Entrée sur l’émetteur Base à la masse en ~ Sortie sur le collecteur Modèle grands signaux

2- Transistors bipolaires 2-8 Utilisation en Amplification : Classe de fonctionnement 32 Selon la position du point de repos, on définit des classes de fonctionnement différentes. Classe A : Lors du fonctionnement, il n'y a ni saturation ni blocage. Le point de repos idéal est le point A situé au milieu de la droite de charge. Classe B : Le transistor est conducteur pendant exactement une demi-période. Le point de repos idéal est le point B tel que I C = 0 et V CE =E. Classe AB : En pratique, il est difficile d'obtenir un fonctionnement en classe B, c'est-à-dire avec un courant de repos rigoureusement nul. Il est plus simple de polariser le transistor en maintenant un léger courant collecteur au repos (point AB). Classe C : Dans cette classe de fonctionnement, le transistor est conducteur pendant moins d'une demi-période.

2- Transistors bipolaires 2-8 Utilisation en Amplification classe A : Principe 33

2- Transistors bipolaires 2-8 Utilisation en Amplification classe A : Le montage 34

2- Transistors bipolaires 2-8 Utilisation en Amplification classe A : Point de repos 35

2- Transistors bipolaires 2-8 Utilisation en Amplification classe A : Point de repos 36

2- Transistors bipolaires 2-8 Utilisation en Amplification classe A : Point de repos 37

2- Transistors bipolaires 2-8 Utilisation en Amplification classe A : Modèle petit signal 38

2- Transistors bipolaires 2-8 Utilisation en Amplification classe A : Modèle petit signal 39 Rapel : Typical values for 1mA collector currents are: h ie = 1000 Ω h re = 3 x h oe = 3 x S h fe = 250

2- Transistors bipolaires 2-8 Utilisation en Amplification classe A : Modèle petit signal 40

2- Transistors bipolaires 2-8 Utilisation en Amplification classe A : Comportement fréquentiel 41

2- Transistors bipolaires 2-8 Utilisation en Amplification classe A : Résistance d’émetteur 42

2- Transistors bipolaires 2-8 Utilisation en Amplification classe A : Résistance d’émetteur 43

2- Transistors bipolaires 2-8 Utilisation en Amplification classe A : Résistance d’émetteur 44

2- Transistors bipolaires 2-8 Utilisation en Amplification classe A : Résistance d’émetteur 45

2- Transistors bipolaires 2-8 Utilisation en Amplification classe B : Principe 46

2- Transistors bipolaires 2-8 Utilisation en Amplification classe B : Push-pull 47

2- Transistors bipolaires 2-8 Utilisation en Amplification classe B : Push-pull 48

2- Transistors bipolaires 2-8 Utilisation en Amplification classe B : Push-pull 49

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Régulateur de tension 50 Vcc = 15V, ß = 100, Vd = 5,1V, Is_max = 100mA Calculez Vs et la puissance dissipée par le transistor

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Générateur de courant 51 Vcc = 10V, Vd = 0.6V, Veb = 0.7V, ß = 200 et I = 0.02A Dimensionnez R1 et R2 et calculez puissance dissipée par le transistor

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Amplificateur de micro electret 52 Le micro crée de toutes petites variations qui se répercutent sur la base de T1 T1 amplifie ces variations, et les transmets sur la base de T2 par l'intermédiaire de C5. T2 amplifie de nouveau, mais est capable de délivrer suffisamment de courant pour alimenter un petit haut parleur.

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Amplificateur de micro electret 53 Identifiez la nature des montages à transistor des premier et deuxième étages. Comment appelle t’on les condensateurs C3, C4 et C5 ? Quel leur modèle en continue (fréquence nulle) et en alternatif (fréquence élevée) A quoi servent les condensateurs C1 et C2 ? Quel leur modèle en continue (fréquence nulle) et en alternatif (fréquence élevée)

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Amplificateur de micro electret 54 Calculez les points de fonctionnements et tracez les droites de charges des deux étages sachant qu’on cherche un fonctionnement en amplificateur de classe A

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Amplificateur de micro electret 55 Le modèle en petit signaux du montage est : Calculez les résistances équivalentes R B1, R E1, R C1, R B2, R E2, R C2

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Amplificateur de micro electret 56 Calculez la résistance de sortie équivalente R o2 du deuxième étage Calculez la résistance d’entrée équivalente R i2 du deuxième étage sachant que h ie = h fe.V.k/I c avec h fe =100 et V.k=25mV à 300K

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Amplificateur de micro electret 57 Calculez la résistance de sortie équivalente R o1 du premier étage Calculez la résistance d’entrée équivalente R i1 du premier étage sachant que h ie = h fe.V.k/I c avec h fe =100 et V.k=25mV à 300K

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Amplificateur de micro electret 58 Calculez le gain A v2 du deuxième étage : Calculez le gain A v1 du premier étage : Calculez le gain de l’amplificateur total :

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Amplificateur de micro electret 59 Comportement en fréquences

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Amplificateur de puissance 60

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Amplificateur de puissance 61 Les transistors T1 et T2 peuvent-ils être simultanément passants ?

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Amplificateur de puissance 62

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Amplificateur de puissance 63

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Amplificateur de puissance 64

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Amplificateur de puissance 65 ● Les transistors T1 et T2 fonctionnent-ils en régime saturé/bloqué ?

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Amplificateur de puissance 66

67

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Amplificateur de puissance 68

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Amplificateur de puissance 69

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Amplificateur de puissance 70 Déduire que la puissance électrique moyenne absorbée par la charge peut s'écrire :

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Amplificateur de puissance 71 La puissance moyenne fournie par l'alimentation [-Vcc;+Vcc] est donnée par : Le bilan de puissance au niveau de l'amplificateur de classe B peut s'effectuer comme suit :

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Amplificateur de puissance 72 Déterminer l'expression du rendement de l'amplificateur de classe B dans le cas où Vs(t) est sinusoïdale.

2- Transistors bipolaires 2-9 Exercices : Amplificateur de puissance 73 La tension de sortie Vs(t) est supposée en forme de créneau périodique. Calculez le rendement théorique de l’amplificateur :

2- Transistors bipolaires 2-10 Fonctionnement en commutation 74 Le transistor ne peut prendre que deux états : bloqué ou saturé Bloqué : V be = 0 ; I b = I c = I e = 0 ; V ce grand Saturé : V be = 0,7V ; I b > 0; I b ≥ I c / h fe V ce = 0,4V Bloqué : V be = 0 ; I b = I c = I e = 0 ; V ce grand Saturé : V be = - 0,7V ; I b > 0; I b ≥ I b / h fe V ce = -0,4V NPN PNP

2- Transistors bipolaires 2-10 Fonctionnement en commutation : Exemple But : commander un relais à l'aide d'une porte logique, d'une sortie de port parallèle,.... On ne peut pas brancher directement le relais sur une telle sortie, car il consomme trop de courant. Il faut donc mettre un transistor qui va servir d'interrupteur commandé électriquement. Problème : déterminer la valeur de R. Cette résistance est obligatoire. En effet, la jonction base - émetteur se comporte comme une diode. C'est à dire que Vbe_max = 0.7V environ. Sans cette résistance, on forcerait Vbe à 5V, ce qui aurait pour effet de griller le transistor et/ou la sortie de la porte logique.

2- Transistors bipolaires 2-10 Fonctionnement en commutation : Exemple T: ß = 200, V ce_sat = 0.2V, V be_sat = 0.7V, V ce_max = 45V REL 12V : Rrel = 310 Ohms D: diode de roue libre. R: ce qu'on cherche. Vcc = +12V Ve vaut 0 ou 5V

2- Transistors bipolaires 2-10 Fonctionnement en commutation : Exercice Etat de la LED si Ve = 0V; Ve = 5V; Ve = 12V LED Rouge (VF=2,2V, IF=20mA). Calculez R1 et R2

2- Transistors bipolaires 2-10 Fonctionnement en commutation : Exercice Pmax dissipée par T1 ou T2 : 625 mA Calculez le courant I cmax d’un transistor en saturation Lampe 12V,30W Calculez le courant I bmin pour saturer les transistors h fe =100 Dimensionnez R1 et C1 pour obtenir un allumage après 500ms.

3- Transistors MOS 3-1 Introduction 79

3- Transistors MOS 3-1 Introduction 80

3- Transistors MOS 3-1 Définition d’un transistor MOS 81 MOS : Metal Oxide Semiconductor Grille Metal ou Polysilicium

3- Transistors MOS 3-1 Définition d’un transistor MOS 82

3- Transistors MOS 3-1 Définition d’un transistor MOS 83

3- Transistors MOS 3-2 Principe de fonctionnement 84

3- Transistors MOS 3-3 Modes de fonctionnement : Les caractéristiques d’un canal N 85

3- Transistors MOS 3-3 Modes de fonctionnement : Bloqué 86

3- Transistors MOS 3-3 Modes de fonctionnement : Linéaire ou de conduction 87

3- Transistors MOS 3-3 Modes de fonctionnement : Saturé 88

3- Transistors MOS 3-1 Modes de fonctionnement : Saturé 89

3- Transistors MOS 3-3 Modes de fonctionnement : Résumé pour un canal N 90

3- Transistors MOS 3-3 Modes de fonctionnement : suivant le type 91

3- Transistors MOS 3-4 Transistor MOSFET 92 TRANSISTOR MOSFET (Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor). Transistor à effet de champ à grille isolée (l’isolant est l’oxyde de silicium). La diode (parfois zener) intégrée au transistor le protège contre les surtensions apparaissant dans les circuits inductifs lors de variation brutales de courant.

3- Transistors MOS 3-4 Transistor MOSFET : Régime linéaire 93 V GS ≥V th et v DS ≤v GS – V th Schéma équivalent en petits signaux Le transistor se comporte entre drain et source comme une résistance dépendant de V GS Si V GS >> V th et V DS résistance est minimale et appelée R DSon. C’est ce mode de fonctionnement qui sera utilisé en commutation.

3- Transistors MOS 3-4 Transistor MOSFET : Régime saturé 94 V GS ≥V th et v DS > v GS – V th Schéma équivalent en petits signaux La largeur du canal est modulée par les variations (petits signaux) de V GS. Le transistor se comporte comme un amplificateur de transconductance, i d =f(v GS ). Ce mode de fonctionnement est utilisé en microélectronique pour la réalisation des amplificateurs opérationnels. Le paramètre g m dépend fortement de la polarisation.

3- Transistors MOS 3-4 Transistor MOSFET :Puissance consommée 95 P=V DS.I d En régime linéaire : P=R DSon.I d ²

3- Transistors MOS 3-4 Transistor MOSFET : Exemple 96 Caluler RD pour avoir ID = 1A VDD = 5V, Vth = 2V

3- Transistors MOS 3-4 Transistor MOSFET : Exemple 97 Caluler RD pour avoir I D = 1A VDD = 5V, V th = 2V

3- Transistors MOS 3-4 Transistor MOSFET : Exercice 98 On a mesuré VDS = 6,42 V Quel le mode de fonctionnement du transistor ?

3- Transistors MOS 3-4 Transistor MOSFET : Exercice 99

3- Transistors MOS 3-4 Transistor MOSFET : Exercice 100 Quelle est la nature du transistor ? Déterminez les coordonnées du point de repos (I D,V DS,V GS ) On donne: V Th =-5V ; C 1 =0,33µF ; I D =6mA ; C 2 =1µF ; R G =20M  V DD =15V ; R D =R L =1K  ; R i =10K  Quel est le mode de fonctionnement du transistor

3- Transistors MOS 3-4 Transistor MOSFET : Exercice 101 Quelle est la nature du transistor ? Déterminez les coordonnées du point de repos (I D,V DS,V GS ) On donne: V Th =-5V ; C 1 =0,33µF ; I D =6mA ; C 2 =1µF ; R G =20M  V DD =15V ; R D =R L =1K  ; R i =10K  Quel est le mode de fonctionnement du transistor

3- Transistors MOS 3-4 Transistor MOSFET : Exercice 102 Le constructeur donne g m (Forward Transconductance) = 2,4 mS Donnez le schéma équivalent en alternatif. Calculez les résistance d’entrée et de sortie Calculez le gain de l’amplificateur à vide A 0 = V o / V GS

3- Transistors MOS 3-4 Transistor MOSFET : Exercice 103 Calculez le gain de l’amplificateur A = V o / V i En déduire V o si V i =0,01.sin(2  ft)

3- Transistors MOS 3-4 Transistor MOSFET : Exercice 104 Calculez les fréquences de coupure basses de cet amplificateur :

3- Transistors MOS 3-4 Transistor MOSFET : Exercice 105 Calculez les fréquences de coupure haute de cet amplificateur sachant que : C gs =5pF ; C gd =2pF ; C ds =1pF C e =C GD (1-A 0 )+C GS C s =C DS +C GD (1-1/A 0 )

3- Transistors MOS 3-4 Transistor MOSFET : Exercice 106 En déduire la bande passante.

3- Transistors MOS 3-4 Transistor MOSFET : Exercice 107 Tj=150 °C

3- Transistors MOS 3-4 Transistor MOSFET : Exercice 108 Pourquoi avoir utiliser ici une porte à collecteur ouvert pour U1. Utilité de la résistance R1 Quel niveau logique doit-on avoir en VE1 et Ve2 pour commander le moteur

3- Transistors MOS 3-4 Transistor MOSFET : Exercice 109 Calculez le courant dans le moteur en régime établi. Calculez le courant de pointe de démarrage du moteur

3- Transistors MOS 3-4 Transistor MOSFET : Exercice 110 Ce transistor est-il adapté pour l'usage voulu : ( tension et courant ) Ces transistors ont-ils besoin d'un dissipateur ?