Transistor bipolaire

Rappels Transistor en Amplification linéaire

Rappels

Théorie des quadripôlesAmplificationSymboles et conventionsÉquations des courants en mode actifModèles équivalents statiquesCaractéristiques 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 passifCas particulier tripôle :

– une borne d’entrée commune avec une borne de sortie ( transistor)

Ve

Ie Ie

Vsquadripôle

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– 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 desquadripôles 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

dIedVedVsIeVs

VeVs

csteVecsteIe

dIedVedIsIeIs

VeIs

csteVecsteIe

iavav ees 1211

iavai ees 2221

Types de paramètres

izizv see 1211

izizv ses 2221

vhihv see 1211

vhihi ses 2221

vyvyi see 1211

vyvyi ses 2221

itvtv ees 1211

itvti ees 2221

Hybrides

AdmittanceImpédance

Transférance

ivz

e

e

is 011

ivz

s

e

ie 012

ivz

e

s

is 021

ivz

s

s

ie 022

viy

e

e

vs 011

viy

s

e

ve 012

viy

e

s

vs 021

viy

s

s

ve 022

ivh

e

e

vs 011

vvh

s

e

ie 012

iihe

s

vs 021

vih

s

s

ie 022

vvt

e

s

ie 011

ivt

e

s

ve 012

vit

e

s

ie 021

iite

s

ve 022

Amplification

Besoins: Acquisition de grandeurs physiques:– 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|

)(

)(

t

tAv

vv

e

s

)(

)(

t

tAi

ii

e

s

AvAitt

ttAp

vivi

ee

ss )()(

)()(

Principales caractéristiques

Linéarité:– Le signal ne doit pas être déformé par la non

linéarité de l’amplificateurBande passante:

– L’amplification doit être constante sur tout le spectre du signal amplifié

Tensions d’alimentationsRendement

Exemple amplificateur

U1AMP

RL

ve(t)

vs(t)

ie(t) is(t)

vs

ve

vs

vs

Av

Non linéarité

Vs

Le signal est déformé

VeBAT1

U1

AMPV

Vdd

Vsvi Ve

Alimentations

L’Alimentation apporte:– L’énergie au système– Permet de le polariser

BAT1

U1

AMPV

Vdd

U1

AMPV

+V

-V

V1

VSINE

SimpleSimple Double

Bande passante

Tracée dans le diagramme de Bode– à –3dB

AA

v

v

0

log20

log1 2

21 Bp

-3dB

Modèles amplificateurs

vA evve vsRe

Rs

vG emve Rs

is

Re iR em

ie

vsRe

Rs

iA ei

ie

Rs

is

Re

0 ivvA s

e

sv 0 vi

iA se

si

0 vviG s

e

sm

0 iivR s

e

sm

tension courant

transconductance transrésistance

iv

e

seR

0 viv

es

ssR

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 NPNLa 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:– VBE+VCB=VCE– IE=IC+IB– IC=IB

On en déduit:

Avec IE

IC

IB ICICIBIE

11

1

Équations Caractéristiques

Courant collecteur

Courant base

Courant émetteur

e VTVBE

ISIC

e VTVBEISICIB

e VTVBE

ISICIE IE

IC

IB

Modèles grands signaux NPN

En mode émetteur commun

e VTVBE

IS

ICVBE

IC

IB

IC

IE

e VTVBEIS

IB

VBE

IC

IB

IC

IE

Modèles grands signaux PNP

En mode émetteur commun

e VTVBE

IS

IC

VBE

IB

IC

IE

e VTVBEIS

IB

VBE

IB

IC

IE

Paramètres hybrides statiques du transistor

En émetteur commun

Q1NPN

IB

VBE

IC

VCE

VHIHI CEBC 2221

VHIHV CEBBE 1211

VVH

CE

BE

csteIB12

IVH

B

BE

csteVCE11

IIH

B

C

csteVCE21

VIHCE

C

csteIB22

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

Réseau de sortie

IC=f(VCE) à IB constant

Réseau d’entrée

IB=f(VBE) à VCE constant

Réseau de transfert en tension

VBE=f(VCE) à IB constant

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

Courbe IC=f(IB,T)

BETA=f(IB,T) à T=-20°C…50°C

Effet EARLYInterprétation graphique

IC dépend linéairement de VCE VA tension d’Early 100V

VA

VCEeISIC VTVBE

1

IC

VCER 0

0RVCE

-VA

Effet EARLY Modèle grands signaux

On a alors: ou

avec ou IBI e VTVBE

IsI

0RVCEIBIC

ICIB

IE

VBE VCEI

0RVCEIsIC e VT

VBE

Zones de fonctionnement

Interprétation graphiqueREGION DE

SATURATION

REGION DE CLAQUAGE

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 fonctionnementComment: 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

ICRCVCEVCC VBEIBRBVBB

Q1NPN

RC

RB

VBB

VCCIB

VCE

VBE

IC

RBVBEVBBIB

RCVCEVCCIC

Polarisation interprétation graphiqueréseau d’entrée

RB1

VBB

RBVBB

RB=15K

VBB=0.8V

Polarisation interprétation graphiqueréseau de sortie

RCVCC

VCC

VCC=4VRC=1K

2,42mA

1,58V

Polarisation effets thermiquesinterprétation graphique

réseau d’entrée

On a d’oùRBVBEIB

RBVBEVBBIB

-1/RB

Polarisation effets thermiquesinterprétation graphique

réseau d’entrée

On a d’où

avec

IBIC IBRB

VBEIBIB

ICIC

ICRCVCE

-1/RC

Polarisation effets thermiquessynthèse

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

Polarisation par résistance de base

Équations de mailles:

Q1NPN

RB RC

VCC

VBEIBRBVCC

RBVBEVCCIB

VCEICRCVCC

ICRCVCCVCE

IBIC

Polarisation par réaction d’émetteur

Ajout d’une résistance d’émetteurOn obtient:

avec

RBRERB

VBEVCCIC)1(1

IBIC

IEREVBEIBRBVCC

RB Q1NPN

RC

VCC

RE

IB

IE

ICRCIEREVCEVCC

ICRCREVCCVCE )(

Soit:

Polarisation par réaction de collecteur

Ajout d’une résistance collecteur baseOn obtient:

RB Q1NPN

RC

VCC

RBVBEVCEIB

RBIBICRCVBEVCC

IB)(

RBRCRB

VBEVCCIC)1(

1

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

AlorsEn considérant VBE constante

IC indépendant de Q1NPN

RC

VCC

RE

RB1

RB2

IP

IB

IE

VB

REVBEVBIEIC

Polarisation par pontschéma équivalent

En utilisant Thévenin

Q1NPN

RC

VCC

RE

RTH

VTH

212

RBRBRBVCCETH

2121

RBRBRBRBRTH

RTHVBEVTHIB

ICRERCVCCVCE

IBIC

Transistor en Amplification

GénéralitésÉtude 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 RB Q1

NPN

VBB

RC

VCCIB

IC

VCEvi

RCICRCVCCVCE

RCVCE

RCVCCIC

RBVBEVBBIB

Point de fonctionnement statique

Intersections dans les réseaux entrée/sortie

-1/RB

-1/RC

IC

VCE

Q

Point de fonctionnement dynamiqueréseau d’entrée

Une variation de Vi=> variation de VBB=> Variation de IB

Vi

IB

VBE

Point de fonctionnement dynamiqueréseau de sortie

Une variation de IB => variation de IC=> Variation de VCE

IC

VCE

Paramètres hybrides dynamiques du transistor

En émetteur commun

Q1NPN

ib

vbe

ic

vce

vhihi CEBC 2221

vhihv CEBBE 1211

vv

ih

CE

BE

B 012

iv

vh

B

BE

CE 0

11

ii

vh

B

C

CE0

21

vi

ih

CE

C

B0

22

Paramètres hybrides remarques

on a En dérivant on obtient:

On en déduit:

e VTVBE

ISIC0

0

dVBEISVT

dIC e VTVBE1

VTIC

dVBEdIC 0

hVTICgm

11

0

VTIC

dVBEdIB 0

VTIC

h0

11

Modèles petits signaux

Deux modèles – Avec h21=0, h21=

ih B21

iB

h22

1

iC

h11 vCEvBEvg BEm

iB

h22

1

iC

h11 vCEvBE

Principes des montages de base

Émetteur commun: entrée base, sortie collecteur

Collecteur commun: entrée base, sortie émetteur

Base commune: entrée collecteur, sortie émetteur

Q2NPN

VeVs

Émetteur commun

Q2NPN

Ve Vs

Collecteur commun

Q 2N PN

VeVs

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

R1

R2

C1

infinie

Q1NPN

RE

RC

C2

1nF

CEInfinie

+VCC

vevs

Montage émetteur communÉtude statique

En statique:– les capacités ont une impédance infinie

Polarisation classique:

Droite de charge statique

REVBEVBIEIC

Q1NPN

RC

VCC

RE

RB1

RB2

IP

IB

IE

VBICIB IBIP 10

RCREVCEVCCIC

Montage émetteur communÉtude dynamique

En dynamique:– Les impédances des condensateurs sont nulles

• court-circuits

– Les alimentations sont éteintes• court-circuits

– 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 communSchéma équivalent(1)

On applique les règles:

R1 R2

Q1NPN

RC

ve

vs

Montage émetteur communSchéma équivalent(2)

On remplace le transistor par son modèle équivalent petits signaux simplifié:– Avec h22,h12=0 sans oublier que

R1 R2RC

ib ic

ve vs

B

h11 ih b21

E

C

ihvg bbem 21

Montage émetteur communparamètres 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

ihv be 11 iv CCs R iihi bbc

21

RgmRh

CC

e

sv v

vA 11

iiA

e

si

hivz hRRe

ee 11

1121

111

RC

s

ss i

vz

ivz

s

s

ve

s

0

Émetteur communDroites de charges

Statique et dynamique

QIC0

VCE0

RV

ICC

CE00

RRV

EC

CC

V CCIRV CCCE 00

RC

1

RR EC 1

RV

RV

IIC

CE

C

CECC 0

0

RRV

RRV

IEC

CE

EC

CCC

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

Q1NPN

R1

R2 RE

C1

C2

1nF

VCC

ve vs

Montage collecteur communÉtude statique

En statique:– les capacités ont une impédance infinie

Polarisation classique:

Droite de charge statique

REVBEVBIEIC

ICIB IBIP 10

REVCEVCCIC

Q1NPN

R1

R2 RE

VCC

IB

IP

IE

VB

Montage collecteur communschéma équivalent

On remplace le transistor par son modèle équivalent petits signaux simplifié:– Avec h22,h12=0 sans oublier que ihvg bbem 21

R1 R2

RE

ve

vs

ib

ih b21h11

Montage collecteur communparamètres 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

iv bEe Rh 111 iiv bEeEs RR 1

1

)1(1

11

Rh

RE

E

e

sv v

vA

RhRR

ETH

TH

e

si i

iA )1()1(

11

RhRR Ee

ee i

vz )1(111

1121

ivz

s

s

ve

s

0

111

h

ivz

s

ss

Montage collecteur communDroites de charges

Les droites de charges dynamique et statique se confondent:

Statique :

Pente dynamique :

Même pente identique, passent par le même point de fonctionnement

REVCEVCCIC

REvi CE

C