Transistor bipolaire Rappels Transistor en Amplification linéaire

Rappels Théorie des quadripôles Amplification Symboles et conventions Équations des courants en mode actif Modèles équivalents statiques Caractéristiques graphiques

Quadripôles Un circuit électronique peut être vu comme un quadripôle Deux entrées Ve et Ie Deux sorties Vs et Is Contenant des dipôles actifs ou passif Cas particulier tripôle : une borne d’entrée commune avec une borne de sortie ( transistor) Ve Ie Vs quadripôle

Paramètres des quadripôles Définitions: tout quadripôle peut être représenté par deux équations: Équation de Ve et Ie en fonction de Vs et Is Équation de Ve et Vs en fonction de Ie et Is Etc. Ex: Vs=f(Ve,Ie) et Is=f(Ve,Ie) Vs= a Ve + b Ie Is = c Ve + d Ie a,b,c,d sont appelés paramètres du quadripôle

Paramètres statiques des quadripôles non linéaires Soit les équations du quadripôle Vs=f(Ve,Ie) et Is=g(Ve,Ie) On peut tracer le réseau de courbes du quadripôles Vs=f(Ve) à Ie cst et Vs=f(Ie) à Ve cst Is=g(Ve) à Ie cst et Is=g(Ie) à Ve cst En fixant Ve,Ie,Vs,Is par polarisation statique: Le quadruplet Ve0,Ie0,Vs0,IS0 définit: Le point de fonctionnement ou point de repos

Paramètres dynamiques des quadripôles non linéaires Au voisinage du point de repos pour une variation des valeurs statiques on a: De la forme : aij : tangentes au voisinage du point de repos Minuscules: variations des valeurs statiques

Types de paramètres Impédance Admittance Transférance Hybrides

Amplification Besoins: Acquisition de grandeurs physiques: Capteur: Capteurs de température, pression,humidité… Capteur: élément actif ou passif dont les caractéristiques varient avec la grandeur physique Variation faibles avec peu d’énergie V,mV, A,mA,  ,m  Nécessité: Amplification

Types d’amplification Amplification en tension Gain en tension : Amplification en courant Gain en courant: Amplification en puissance Gain en puissance: Gain souvent exprimé en Décibels Tension : 20 log|Av| Courant : 20 log|Ai| Puissance : 10 log|Ap|

Principales caractéristiques Linéarité: Le signal ne doit pas être déformé par la non linéarité de l’amplificateur Bande passante: L’amplification doit être constante sur tout le spectre du signal amplifié Tensions d’alimentations Rendement

Exemple amplificateur vs ve(t) vs(t) ie(t) is(t) vs vs Av ve

Non linéarité Le signal est déformé Vs Vs vi Ve Ve

Alimentations L’Alimentation apporte: L’énergie au système Permet de le polariser Simple Simple Double

Bande passante Tracée dans le diagramme de Bode à –3dB -3dB

Modèles amplificateurs tension courant transconductance transrésistance

Symboles et conventions (1) Il existe deux types de transistor PNP et NPN On dispose de trois terminaux connectés aux régions internes semi-conductrices: Collecteur Emetteur Base

Symboles et conventions (2) Symboles transistors PNP et NPN La flèche représente la jonction base émetteur PN pour le NPN, NP pour le PNP

Polarisation en mode actif Règles de fonctionnement en mode actif Jonction Base Émetteur polarisée en directe Jonction Base Collecteur polarisée en inverse IB,IC,IE sont respectivement les courants de base, collecteur et émetteur IB IE IC IE IC IB

Équations générales Lois fondamentales: On en déduit: Avec VBE+VCB=VCE IE=IC+IB IC=IB On en déduit: Avec IE IC IB

Équations Caractéristiques Courant collecteur Courant base Courant émetteur IE IC IB

Modèles grands signaux NPN En mode émetteur commun VBE IC IB IE VBE IC IB IE En mode actif : VBE et VCE positives

Modèles grands signaux PNP En mode émetteur commun VBE IB IC IE VBE IB IC IE En mode actif VBE et VCE négatives

Paramètres hybrides statiques du transistor En émetteur commun IB VBE IC VCE

Caractéristiques statiques Représentation graphiques des relations qui lient courants et tensions du transistor Découle des paramètres hybrides Courbes caractéristique du transistor Réseau de sortie IC=f(VCE) à IB constant Réseau de transfert en courant IC=f(IB) à VCE constant Réseau d’entrée IB=f(VBE) à VCE constant Réseau de transfert en tension VBE=f(VCE) à IB constant

Réseau de transfert en courant IC=f(IB) à VCE constant Courbes quasi linéaires, paramétrées par VCE

Réseau de sortie IC=f(VCE) à IB constant

Réseau d’entrée IB=f(VBE) à VCE constant Ces courbes sont pratiquement indépendantes de VCE, elles se confondent en une seule courbe caractéristique de la diode base-émetteur

Réseau de transfert en tension VBE=f(VCE) à IB constant Les variations de la tension de sortie VCE sont sans effet sur la tension d’entrée VBE: droites horizontales

Effets thermiques Tension de seuil IB=f(VBE,T) La tension décroît de 2mV par °C Amplification de courant BETA=f(IB,T)  augmente de 1% par °C Courant fuite collecteur base Double pour une élévation de 10°C

Courbe IC=F(VBE,T) IC=f((VBE) à T=20°C..50°C VBE décroît de 2mV/°C

Courbe IC=f(IB,T) BETA=f(IB,T) à T=-20°C…50°C BETA augmente de 1% par °C

Effet EARLY Interprétation graphique IC dépend linéairement de VCE VA tension d’Early  100V -VA Les coures IC=f(VCE) à IB constant se coupent toutes en un point VCE=-VA, tension d’Early EX: si IC=1mA, VA=100V => R0= 100K généralement négligeable

Effet EARLY Modèle grands signaux On a alors: ou avec ou IC IB IE VBE VCE I

Zones de fonctionnement Interprétation graphique REGION DE CLAQUAGE REGION DE SATURATION REGION ACTIVE REGION DE BLOCAGE

Mode de fonctionnement Déterminé par la connaissance de : IC,VCE dans le réseau IC=f(VCE) à IB constant (point de fonctionnement) Imposé par la polarisation du transistor: dans le réseau d’entrée IB=f(VBE) Intersection avec la droite de charge d’entrée dans le réseau de sortie IC=f(VCE) Intersection avec la droite de charge de sortie

Modes de fonctionnement usuels Deux modes d’utilisation courante Mode bloqué/saturé: Utilisation en logique (tout ou rien) Mode Actif Amplification grands signaux Amplification petits signaux

Polarisation statique But: imposer le point de fonctionnement Comment: Par ajout d ’éléments externes actifs ou passifs: Générateur de tension , de courant Résistances,inductances Diodes, transistors Etc Importante: Détermine les caractéristiques de l’ensemble

Polarisation principe Soit le montage suivant: Équations: d’où IB VCE VBE IC

Polarisation interprétation graphique réseau d’entrée VBB=0.8V RB=15K Exemple VBB=0.8Vet RB=15K avec VBE=0,6V=> IB=15uA

Polarisation interprétation graphique réseau de sortie VCC=4V RC=1K 2,42mA La droite de charge ci dessus est donnée pour une alimentation VCC =4V, une résistance de charge RC=1K Contraintes : point de fonctionnement dans la zone active, hors de l’hyperbole de dissipation thermique maximum Pmax=VCExIC 1,58V

Polarisation effets thermiques interprétation graphique réseau d’entrée On a d’où -1/RB Dans ce cas si T augmente de 10°C =>VBE diminue de de 20mV => IB augmente de 20mV/15K=1,3uA

Polarisation effets thermiques interprétation graphique réseau d’entrée On a d’où avec Dans l’exemple RB =15K ,IB =15uA, IC=2,42mA Pour T variant de 10°C =>/=10% et VBE=-20mV=>IC=17%=0.41mA=>IC=2,83mA RC= 1K, VCE0 =1,58 or VCE diminue de 0,41V => VCE=1,17V -1/RC

Polarisation effets thermiques synthèse Si T° augmente: VBE décroît et  croît IB augmente=>IC=.IB augmente d’autant plus =>T° augmente La point de polarisation varie donc avec T°C IC0 augmente et VCE0 diminue Le système risque l’emballement thermique: Saturation ou destruction Rappel :VBE décroît de 2mV par °C et  augmente de 1% par °C

Polarisation par résistance de base Équations de mailles: Avantage: Simple Inconvénients: mauvaise stabilisation en température, RB importante ex: VCC=12V,VBE=0,6V pour IB=15uA=>RB=760K

Polarisation par réaction d’émetteur Ajout d’une résistance d’émetteur On obtient: avec Soit: Avantage: Stabilisation du point de fonctionnement Si T°C augmente , IB et IC augmente =>RExIC augmente => VB augmente=>IB diminue Si RE >> RB => IC(VCC-VBE)/RE indépendant de  Dans ce cas RE n’est pas très supérieur à RB IB IE

Polarisation par réaction de collecteur Ajout d’une résistance collecteur base On obtient:

Polarisation par pont de base et résistance d’émetteur Polarisation la plus courante: Idem polarisation de base plus réaction d’émetteur En supposant IP>>IB=> VB constante Alors En considérant VBE constante IC indépendant de  IP IB IE VB Polarisation la plus utilisée

Polarisation par pont schéma équivalent En utilisant Thévenin

Transistor en Amplification Généralités Étude statique Droite de charge statique Point de fonctionnement Étude dynamique Modèle transistor petits signaux Droite de charge dynamique Montages de bases

Transistor bipolaire en amplification principe Soit le montage suivant: Droite de charge statique: vi=0 avec IB IC VCE vi

Point de fonctionnement statique Intersections dans les réseaux entrée/sortie IC VCE Q -1/RC -1/RB

Point de fonctionnement dynamique réseau d’entrée Une variation de Vi=> variation de VBB => Variation de IB IB Vi VBE

Point de fonctionnement dynamique réseau de sortie Une variation de IB => variation de IC => Variation de VCE VCE IC

Paramètres hybrides dynamiques du transistor En émetteur commun ib vbe ic vce

Paramètres hybrides remarques on a En dérivant on obtient: On en déduit:

Modèles petits signaux Deux modèles Avec h21=0, h21=

Principes des montages de base Émetteur commun: entrée base, sortie collecteur Collecteur commun: entrée base, sortie émetteur Base commune: entrée collecteur, sortie émetteur Ve Vs Ve Vs Ve Vs Émetteur commun Collecteur commun Base commune

Montage émetteur commun Régime statique : Polarisation par résistances Pont de base R1,R2 Contre réaction RE Alimentation VCC Régime dynamique : Condensateurs de liaisons C1 et C2 découplage émetteur CE Entrée: Ve sur base Sortie: Vs sur collecteur ve vs

Montage émetteur commun Étude statique En statique: les capacités ont une impédance infinie Polarisation classique: Droite de charge statique IP IB IE VB

Montage émetteur commun Étude dynamique En dynamique: Les impédances des condensateurs sont nulles court-circuits Les alimentations sont éteintes Les grandeurs variables tensions et courants : Restent actives (lettres minuscules) Pour obtenir le schéma dynamique: On applique les règles précédentes On remplace le transistor par son modèle petits signaux

Montage émetteur commun Schéma équivalent(1) On applique les règles: ve vs

Montage émetteur commun Schéma équivalent(2) On remplace le transistor par son modèle équivalent petits signaux simplifié: Avec h22,h12=0 sans oublier que ib ic ve vs B E C Remarque : h21ib = gm vbe

Montage émetteur commun paramètres de l’amplificateur A partir du schéma: On en déduit Le gain en tension L’impédance d’entrée Le gain en courant L’impédance de sortie Remarque Av= IC0/Vt Rc indépendant de 

Émetteur commun Droites de charges Statique et dynamique Q IC0 VCE0 Remarque :Vcc/RC+RE=IC0+VCE0/RC+RD

Montage Collecteur commun Régime statique : Polarisation par résistances Pont de base R1,R2 Contre réaction RE Alimentation VCC Régime dynamique : Condensateurs de liaisons C1 et C2 Entrée: Ve sur base Sortie: Vs sur émetteur ve vs

Montage collecteur commun Étude statique En statique: les capacités ont une impédance infinie Polarisation classique: Droite de charge statique IB IP IE VB

Montage collecteur commun schéma équivalent On remplace le transistor par son modèle équivalent petits signaux simplifié: Avec h22,h12=0 sans oublier que ve vs ib

Montage collecteur commun paramètres de l’amplificateur A partir du schéma: On en déduit Le gain en tension L’impédance d’entrée Le gain en courant L’impédance de sortie

Montage collecteur commun Droites de charges Les droites de charges dynamique et statique se confondent: Statique : Pente dynamique : Même pente identique, passent par le même point de fonctionnement