Chap8 Transistor Regime Dynamique

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Chapitre 8 : Le transistor bipolaire en régime dynamique Le régime des petits signaux On applique une tension alternative v BEde petite amplitude autour de la tension de polarisation statique V BE 0. [MAJUSCULE =tension continue, minuscule =tension alternative petite amplitude]

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Chapitre 8 : Le transistor bipolaire en régime dynamique Le régime des petits signauxOn applique une tension alternative vBEde petite amplitude autour de la tension de polarisation statique V BE 0. [MAJUSCULE=tension continue, minuscule=tension alternative petite amplitude]

On a donc V BE=V BE0+vBE. Si vBE est d’amplitude suffisamment faible, alors les paramètres électriques varieront linéairement, ainsi I B=I B0+ iB= f (V BE )≡ droite dans cette région.En conséquence, iB=k . vBE. Puisque IC=β . I B⟹ iC=β . iB=β . k . vBE. Il existe une amplification. En exemple, les pointillés de la figure montrent le point de fonctionnement (PF) pour 3 valeurs de IC : a) IC est maximum, le PF se situe sur la caractéristique IB=5 mA, b) IC =IC0, le PF se situe sur la caractéristique IB=3 mA, enfin c) IC est minimum, le PF se situe sur la caractéristique IB=1 mA.Paramètres hybrides (de transfert) du transistor NPN

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On notera vBE ,iB , iC et vCE les variations des grandeurs électriques autour de leur point de polarisation V BE 0 , IB0 , IC 0 et V CE 0. Le principe de superposition permet d’analyser le transistor sans faire apparaître ces tensions et ces courants de polarisation.

En régime linéaire (petits signaux), on a :v BE=h11 iB+h12 vCEiC=h21 iB+h22vCE [vBEiC ]=H× [ iBvCE]H est appelée la matrice hybride et hij les paramètres hybrides. h11 correspond à la résistance dynamique de la jonction B-E. Elle

est de l’ordre du kΩ. h12 est sans dimension. Souvent de valeur faible il est généralement

négligé dans les calculs : h12 0. h21 = est le gain en courant : iC=. iB h22 a pour unité [Ω-1] est la conductance de sortie. Généralement h22

a typiquement une valeur de 10-4 Ω-1 et il est souvent négligé.Schéma équivalent ‘petits signaux’ du transistor

vBE=h11iB+h12 vCEiC=h21 iB+h22 vCE

Les schémas de ces quadripôles sont équivalents. Les sources sont des sources commandées. Le dernier circuit est dit ‘simplifié’ : vBE=h11iB & iC=h21 iB

Application du principe de supperpositipon

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Conformément à ce qui a été dit dans le chapitre (I), pour analyser les petits signaux alternatifs on peut par application du principe de superposition, anihiler les sources de tensions de polarisation statique (donc annuler leur fem en les connectant à la masse) :

Condensateur de liaisonPour maintenir la polarisation statique d’un transistor, par exemple VB sur la base tout en appliquant un petit signal alternatif, on doit utiliser une capacité dite de ‘liaison’.De façon formelle, on voit sur la figure ci-dessous que sans la capacité de liaison, on aurait VB = ve ce qui serait absurde. La capacité présente une impédance négligeable pour le signal variable et constitue un interrupteur ouvert pour la tension continue VB.

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Etages en cascadeUn montage électronique est souvent constitué de différents étages dont les sorties sont connectées aux entrées des suivants. Un étage électronique est une partie qui fonctionne avec une tension de polarisation (tension continue utile au fonctionnement des composants). Les tensions de polarisations de deux étages successifs ne doivent pas se mélanger. En revanche, le signal issu d'un étage doit passer vers l'étage suivant. C'est là que le condensateur de liaison intervient.

Le condensateur de liaison bloque les tensions de polarisation (continues) mais laisse passer les variations dynamiques (signal). Sa capacité doit être

suffisante pour ne pas atténuer les plus basses fréquences du signal à transmettre. On voit ci dessus un montage à transistor avec deux condensateurs de liaison.Remarque : Il existe aussi des montages dans lesquels apparaissent des capacités dites de « découplage ». Mises en parallèle sur certaines résistances, la faible impédance de ces capacités vis-à-vis des petits signaux variables permet de court-circuiter ces résistances de polarisation et d’augmenter significativement les gains d’amplification.

RESUME : En régime des petits signaux alternatifs : Tout point du montage dont le potentiel est constant, est relié à la

masse lorsque l’on dessine le circuit équivalent en petits signaux alternatifs.

Les capacités de liaison ou de découplage sont supposées avoir une valeur telle que leur impédance est négligée vis-à-vis des petits signaux alternatifs. On les remplace donc par un Court-Circuit (CC) lorsque l’on dessine le circuit équivalent en petits signaux alternatifs.

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Etude du rôle du condensateur de liaisonL’approche utilise le principe de superposition et le théorème de Millman.

Situation de départ. Ze est l’impédance d’entrée du transistor, C le condensateur de liaison avec le signal ve, VP et RP, la tension et une résistance de polarisation statique.

V A1=V PZe

RP+Ze puisque ZC = ∞

V A2=

0RP

+VZC

+ 0Ze

1RP

+ 1ZC

+ 1Ze

=V

ZCRP

+1+ZCZe

Finalement le potentiel appliqué à l’entrée du transistor est :

V A=V A1+V A2=V PZe

RP+Ze+V 1

ZCRP

+1+ZCZe

=V P+V

aux conditions : Ze≫RP≫ZC

Etude d’un Amplificateur

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On suppose que le transistor de cet amplificateur ve vS est polarisé dans sa zone de fonctionnement linéaire.

Dessinons le circuit équivalent en petits signaux alternatifs.Pour les petits signaux alternatifs les condensateurs C1 et CE constituent un CC. De même les sources de tension continue sont annihilées et on place les bornes correspondantes de R1 et RC à la

masse.

Le transistor ayant l’équivalent simplifié ci-dessous :

On obtient finalement le circuit suivant pour l’amplificateur :

Gain en tension GV=vSve :

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GV=vSve=RC iSh11 iB

=−RC h21iBh11 iB

=−RC h21

h11

Gain en courant GA=iSie :

GA=iSie=h21 iBveReq

=h21iBvSGVReq

=h21iB

−RC h21 iB(GV . Req )

=GV . Req−RC

Avec : 1Req

= 1R1

+ 1R2

+ 1h11

Impédance d’entréeD’après l’étude réalisée sur les quadripôles (chapitre 4) l’impédance d’entrée est le rapport Ze=

veie lorsque le générateur de Thévenin en

sortie a été annihilé (vS=0). On a donc :Z e=

veie=veveReq

=R eq

Impédance de sortieDe la même façon, ZS=

v SiS lorsque court-circuité, ve=0. Dans ce cas, le

courant ie et par conséquent iB sont nuls. La source de courant commandée en sortie débite un courant iS=h21.iB=0. On a donc :

ZS=v SiS=∞

Si GV et GA sont tous les 2 importants, on dira que l’amplificateur est un amplificateur de puissance PS = GP.Pe.

Schéma équivalent d’un transistor en régime de petits signauxDonner le schéma d’un transistor NPN faisant apparaitre les courants de base et de collecteur, les ddp base-émetteur et collecteur-émetteur. Donner son équivalent simplifié en régime de petits signaux alternatifs.

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Montage (I) Le transistor est polarisé dans sa zone de fonctionnement linéaire. Donner le schéma équivalent en régime de petits signaux. En déduire le gain en tension, l’impédance d’entrée et l’impédance de sortie.

Montage (II) Ce montage est du type base commune.Calculer le gain en tension, en courant, l’impédance d’entrée et de sortie. On supposera que le paramètre hybride h11 est du même ordre de grandeur que RC.

Amplificateur différentiel Dans ce montage, les 2 transistors sont supposés identiques, de gain en courant et polarisés dans leur zone de fonctionnement linéaire. Les tensions d’entrée ve1

et ve2 sont « petits » et alternatifs. Donner le schéma équivalent de ce montage en utilisant le schéma équivalent simplifié des transistors. Calculer iB1 et iB2 en fonction de d = ve1 - ve2 et s = ve1 + ve2. En déduire les expressions des tensions de sortie vs1 et vs2 en fonction de d, s, RC, RE, h11 et .

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Montage (III) Dans ce montage les 2 transistors sont supposés identiques, caractérisés par leurs paramètres β et h11. On supposera β.RE >> h11. Calculer le gain en tension.