Le transistor bipolaire

• Transistor bipolaire : élément actif à 3 accès (Base (B),Collecteur (C), Emetteur (E)) constitué de 3 couches semi-conductrices NPN et PNP.

� Transistor NPN

� Transistor PNP

Les tensions de polarisation (VBE et VCE) et les courants (IB et IC) sont des grandeurscontinues données avec leurs signes respectifs (>0 ou <0) pour un fonctionnement normal

Présentation générale

N

N

P

C

E

B

IC > 0

IB > 0

VBE > 0

VCE > 0 B

C

E

IB > 0

IE > 0

IC > 0

VBE > 0

VCE > 0

P

P

N

C

E

B

IC < 0

IB < 0

VBE < 0

VCE < 0 B

C

E

IB < 0

IC < 0

IE < 0VBE < 0

VCE < 0

Fonctionnement du transistor – Effet amplificateur d e courant

• Cas du transistor NPN

� L’émetteur (E) est fortement dopé. Son rôle est d’injecter des électrons dans la base.

� La base (B) est faiblement dopée et très mince. Elle transmet au collecteur la plupart des électrons venant de l’émetteur.

� Le collecteur (C) recueille les électrons qui lui viennent de la base d’où son nom.

E C

B

N NP

���� ����

+-

+-

��������-+

E C

B

N NP

���� ����

+-

+-

��������-+

• Cas du transistor NPN

� Jonction émetteur polarisée en directe pour créer un champ externe �� opposé au champ interne�� .

Si �� � �� , les électrons majoritaires au niveau de l’émetteur peuvent passer dans labase. La base est faiblement dopée et très mince donc très peu d’électrons serecombinent avec des trous. Le courant de base est très faible.

� Jonction collecteur polarisée en inverse - Le champ externe �� estdans le même sens que le champ interne �� .

Les électrons qui n’ont pas été recombinés avec les trous au niveau de la base peuventpasser dans le collecteur

Fonctionnement du transistor – Effet amplificateur d e courant

Jonction émetteur

Jonction collecteur

Polarisation du transistor NPN

� Polarisation base commune

� Polarisation émetteur commun

E C

B

N NP

���� ����

VBE > 0 VCB > 0

E C

B

N NP

���� ����

VBE > 0

VCE > 0

Avec VCE > VBEcar VCB = VCE – VBE > 0

Relations fondamentales – Les courants

� Effet amplificateur de courant

�� � ���

�� � �� � ���� � � � 1 �� � ��� � ��

Réseau des caractéristiques statiques du transistor

� Le transistor comporte trois accès � il est caractérisé par 6 grandeurs électriques :� 3 courants IB, IC et IE� 3 tensions VBE, VCE, VCB

Mais �� � �� � �� et ��� � ��� � ���� 4 relations indépendantes sont nécessaires pour le caractériser

IC

IB

VCE

VBE

IB = csteVCE = cste

VCE = cste

Polarisation du transistor – Droites de charge stati ques

� Objectif de la polarisation : Fixer les valeurs des tensions VBE, VCE et descourants IB, IC pour imposer la localisation des points de fonctionnementdans le réseau

� Droite de charge statique de sortie ∆ :

�� ��������

� tracé dans le réseau de caractéristique statique IC = f(VCE)

� Droite de charge statique d’entrée ∆’ :

�� � �������

� tracé dans le réseau de caractéristique statique IB = f(VBE)

IB

IE

IC

VBE

VCE

RC

RB

E > 0

Exemple : polarisation directe de la base et du collecteur par deux résistances RB et RC

� Le point de fonctionnement Q dans le réseau d’entrée I B = g(VBE) estsitué à l’intersection de la droite de charge ∆’ et de la caractéristique

� Le point de fonctionnement P dans le réseau de sortie I C = f(VCE) estsitué à l’intersection de la droite de charge ∆ et d’une caractéristique IB =cste

Polarisation du transistor – Point de fonctionnement

IC

IB

VCE

VBE

E/RB

Q VBE0

IB0

P IB0IC0

VCE0

Droite de charge statique d’entrée ∆∆∆∆’

E/RC

E

Droite de charge statique de sortie ∆∆∆∆

Transistor bloqué – transistor saturé

La partie de la droite de charge statique située entre les poi nts deblocage et de saturation définit la zone active

��� !"#$� % �� % ��&#�'(#��!�

Au point de saturation, le transistor idéal est équivalent à uninterrupteur ferméAu point de blocage, le transistor idéal est équivalent à uninterrupteur ouvert

IC

VCE

P IB0IC0

VCE0

E/RC

E

Point de blocage I B ≈≈≈≈ 0 ���� IC ≈≈≈≈ 0

Point de saturation V CE = VCEsat���� IC ≈≈≈≈ E/RC

VCEsat

Autres exemples de circuits de polarisation

RC

R1

E > 0

RE

R2

Diviseur de courant

RC RB

E > 0

Contre-réaction au collecteur

RC

RE

RB

VCC

VEE

Polarisation d’émetteur

Amplificateur élémentaire à transistor bipolaire

• Montage émetteur communLorsque le transistor est polarisé dans la région active, une tension alternative

peut lui être appliquée de la jonction émetteur pour produire des fluctuations du courant de collecteur

� Les accès d’entrée et de sortie sont et � Les capacités C1 et C2 sont des capacités de découplage

RC

RB

E > 0

Rg

C1

C2

RL B

C

E

1

2

1 2

Analyse du circuit : application du théorème de superposition

• Etude en statique (en régime continu)

� La source sinusoïdale est court-circuitée �Les capacités de découplage présentent une impédance infinie

� Schéma électrique en continu

IB

IE

IC

VBE

VCE

RC

RB

E > 0

Les circuits de polarisations fixent lesvaleurs des tensions V BE, VCE et des courantsIB, IC (voir étude précédente)

Analyse du circuit : application du théorème de superposition

• Etude dynamique (en régime sinusoïdal)

� La source continue est court-circuitée �Les capacités de découplage présentent une impédance nulle à la

fréquence de fonctionnement

� Schéma électrique en régime sinusoïdal

RC

RB

Rg

RL B

C

E

i1

iC i2

vCE

)�� � * +,+-+,.+-

/�

Analyse du circuit : tension composite de sortie

• La tension de sortie est donc un signal composite, somme de la composante continue���0 et de la composante alternative )��

� 1�� � )�� ����0

• La droite de charge dynamique ∆∆∆∆’’ est la droite passant par le point de fonctionnement P dans le réseau (IC , VCE) et de pente �2

+,33+-�

* +,.+-+,+-

IC

VCE

P IB0IC0

VCE0

E/RC

E

∆ : ∆ : ∆ : ∆ : droite de charge statique

∆∆∆∆’’ : droite de charge dynamique

Zone de fonctionnement de l’amplificateur

IC

VCE

P IB0IC0

VCE0

∆∆∆∆’’ : droite de charge dynamique

vCE

t

IC

VCE

P IB0IC0

VCE0

∆∆∆∆’’ : droite de charge dynamique

vCE

t

Fonctionnement non linéaireSignal écrêté

Fonctionnement linéaire

Schéma électrique sinusoïdal basses fréquences du transistor en fonctionnement linéaire

• Le transistor peut être considéré comme un quadripô le

• Pour des raisons liées à la mesure, le quadripôle e st décrit en utilisant les paramètres hybrides

45�� � 677�� � 6785���� � 687�� � 6885��

avec�� � 9�� �� � 9��5�� � 9��� 5�� � 9���

Ces grandeurs représentent de petites variations autour du point de fonctionnement

iB

iC

vBE

vCE

iB

vBE

iC

vCE

Détermination graphique des paramètres h ijautour du point de fonctionnement

:22 �;<=>;?= @

;<->A0=

;<=>;?= @

<->B� résistance différentielle de la diode d’entrée = pente

de la caractéristique IB = f(VBE)

:2C �;<=>;<->

@;?=A0

=;<=>;<->

@?=B

� gain en tension ≈ 0

:C2 � ;?-;?=@;<->A0

= ;?-;?=@<->B

� � � gain en courant = pente de la caractéristique IC = g(IB)

:CC � ;?-;<->

@;?=A0

= ;?-

;<->@?=B

� admittance = pente de la caractéristique IC = h(VCE)

IC

IB

VCE

VBE

E/RB

Q VBE0

IB0

P IB0IC0

VCE0∆∆∆∆’

E/RC

E

∆∆∆∆

• Schéma équivalent général

• Schéma équivalent simplifié

:2C � 0 et ρ � 2FGG

→ ∞

Schéma électrique équivalent alternatif BF

iB

vBE

iC

vCE

h11

h12 vCEh21 iB 1 / h22

iB

vBE

iC

vCEh11h21 iB !

Caractéristiques électriques de l’amplificateur en fonctionnement alternatif

RC

RB

Rg

RL

BC

E

i1

iC i2

vCEvBE

iB

v1

v2

iB

vBE

iC

vCE

h11ββββ iB

Rg

CB

RB

v1

E

i1

RC

RL

v2

i2

Schéma électrique de l’amplificateur

� Gain en tension G V

J� � *K �L��677 �L ���

� Gain en courant G I

J� � *K ����677 � �� �L ���

� Résistance d’entrée R e

�� � 677��677 � ��

� Résistance de sortie R s�& � ��

• Définitions

� Gain en puissance

JM � *78N� �8�∗878N� �7�∗7

� P'�&&#�"�Q!'(���à #"6#($�P'�&&#�"����(#���S#�& �T'#S(�Mô �

� Gain transducique

JV � *78N� �8�∗8

�$ 8W�$

� P'�&&#�"�Q!'(���à #"6#($�P'�&&#�"�S�&M!��� �S� #&!'("�

Gains en puissance d’un quadripôle

v1(t) v2(t)

i1(t) i2(t)Zg

eg(t) ZLQuadripôle

référence

Transistor bipolaire en hautes fréquences (HF) – Schéma de GIACOLLETO• Quand f ���� ���� ββββ ���� et apparition d’un déphasage entre les courants

d’entrée et de sortie���� introduction de capacités parasites dans le schéma équivalent car ces dernières ne peuvent plus être assimilées à des circuits ouverts

B’ est une base fictive interne au transistorRemarque : Les constructeurs ne donnent jamais les v aleurs de ces éléments

iB

vBE

iC

vCE

RBB’

gm vB’E RCE

B B’

RB’E

CB’E

vB’E

RB’C

CB’C

C

E

Fin