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Chap. 7 - Les transistors

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Plan du chapitre

4 Plan du chapitreu 7.1 Le transistor: gnralitsu 7.2 Le transistor MOS utilis en amplificationu 7.3 Le transistor bipolaire utilis en amplificationu 7.4 Complments

Chap. 7 Les transistors

24ELEC283 MiEL 2003/04

7.1 Le transistor: gnralits

Chap. 7 Les transistors

ELEC283 MiEL 2003/04 5

Gnralits

4 L'invention du transistor en 1948 a lanc une vritablervolution technologique qui se poursuit aujourd'hui

4 Le transistor est fondamentalement un composant qui peuttre utilis de deux manires diffrentesu en amplification

n on a dj illustr l'importance de la fonction d'amplificationn relve de l'lectronique analogique (premire partie du cours)

u en commutationn base de toute l'lectronique numrique (seconde partie du cours)

7.1 Le transistor: gnralits

ELEC283 MiEL 2003/04 6

Gnralits

4 Il existe deux "familles" de transistors rpondant desprincipes de fonctionnement diffrentsu les transistors bipolaires

n invent en 1948u les transistors effet de champ

n dominant aujourd'hui

4 Parmi les transistors effet de champ, il existe denombreuses variantesu nous expliquerons l'utilisation du transistor sur base du modle le

plus courant aujourd'hui: le NMOS enrichissement

7.1 Le transistor: gnralits

37ELEC283 MiEL 2003/04

7.2 Le transistor MOSutilis en amplification

Chap. 7 Les transistors

ELEC283 MiEL 2003/04 8

Plan du chapitre

4 Plan du chapitreu 7.2.1 Transistor MOS: proprits de baseu 7.2.2 Transistor MOS: structure interneu 7.2.3 Etage amplificateur transistor MOS: principeu [7.2.4 Etage amplificateur transistor MOS: calcul]u 7.2.5 Autres types de transistors effet de champu 7.2.6 Prcautions d'utilisation des transistors effet de champ

7.2 Le transistor MOS utilis en amplification

49ELEC283 MiEL 2003/04

7.2.1 Transistor MOS:proprits de base

Chap. 7 Les transistors7.2 - Le transistor MOS en amplification

ELEC283 MiEL 2003/04 11

Introduction

4 Un transistor est un composant trois bornes

4 Les bornes du NMOS (voir symbole ci-dessous)s'appellentu le drain (D)u la source (S)u la grille (G)

n gate en anglais

D (drain)

S (source)

(grille / gate) G

7.2.1 Proprits de base du transistor NMOS

ELEC283 MiEL 2003/04 12

Introduction

4 Compte tenu de l'existence de ces trois bornes, il existeplusieurs manires d'utiliser ce transistor

4 Dans de nombreux montages, on utilise la source commerfrence de tension par rapport la grille et au drain: onparle alors de source communeu la source est connecte la masse, servant de rfrence

commune entre l'entre et la sortie du montagen voir aussi slide suivant

D

G

S

7.2.1 Proprits de base du transistor NMOS

5ELEC283 MiEL 2003/04 13

Introduction

4 Dans le montage source commune

4 on applique au transistor une tension VGSu = tension "gate/source"u considre comme signal d'entre

4 et on recueille une tension VDSu = tension "drain/source"u considre comme signal de sortie

D

G

Vin=VGSS

VDS=Vout

7.2.1 Proprits de base du transistor NMOS

ELEC283 MiEL 2003/04 14

Introduction

4 Dans cette configuration, on peut assimiler le transistor un quadripleu dont une des bornes (source) est commune l'entre et la sortie

4 Quelles sont les proprits de ce composant/quadriple?u => caractristiques

n caractristique de transfert (ID,VGS)n caractristique de sortie (ID,VDS)

7.2.1 Proprits de base du transistor NMOS

D

G

Vin=VGSS

VDS=Vout VGS VDS

DG

SS

ID

ID

ELEC283 MiEL 2003/04 15

Caractristique de sortie

4 Pour comprendre le comportement du NMOS,commenons par analyser sa caractristique de sortieu courbe dcrivant le comportement lectrique du transistor dans le

plan (ID, VDS)n ID = courant de drain = courant traversant le transistor du drain vers la

source

D

G

S

VDS

ID

VDS

ID

7.2.1 Proprits de base du transistor NMOS

6ELEC283 MiEL 2003/04 16

Caractristique de sortie

4 La caractristique de sortie comporte une premire zoneappele zone ohmiqueu faible valeurs de VDSu dans cette zone, le comportement du transistor peut tre assimil

celui d'une rsistance non-linairen rsistance car "droite" passant par l'origine (V=RI)n non-linaire car cette droite s'incurve

D

G

S

VDS

ID

VDS

ID

zone ohmique

7.2.1 Proprits de base du transistor NMOS

ELEC283 MiEL 2003/04 17

Caractristique de sortie

4 Pour des valeurs plus leves de VDS, la caractristique desortie est horizontaleu assimilable une caractristique de source de courantu zone la plus intressante de la caractristique du transistor

4 => transistor = source de courantu pour autant qu'on lui applique une tension VDS suffisante

D

G

S

VDS

ID

VDS

ID

zone ohmique

zone de pincement

7.2.1 Proprits de base du transistor NMOS

ELEC283 MiEL 2003/04 18

Caractristique de sortie

4 La valeur du courant de drain dpend de la tension VGSapplique au transistoru dpendance non-linaire

4 => transistor = source de courant commande (non-linairement) en tension

D

G

S

VDS

ID

VGS

VDS

ID

ID = fct(VGS)

ID

7.2.1 Proprits de base du transistor NMOS

7ELEC283 MiEL 2003/04 19

Caractristique de sortie

4 Compte tenu de cette dpendance de ID en fonction deVGS, la caractristique de sortie se reprsenteclassiquement sous la forme d'un rseau de courbesu une seule courbe valable un instant donn!

VDS

ID

7.2.1 Proprits de base du transistor NMOS

ID = fct(VGS)

ELEC283 MiEL 2003/04 21

Caractristique de sortie

4 La reprsentation graphique de la dpendance entre ID etVGS n'est rien d'autre que la caractristique de transfert dutransistoru ID = grandeur de sortie (ordonne)u VGS = grandeur d'entre (abscisse)u effectivement non linaireu ici reprsente uniquement avec pincement

VGS

ID

7.2.1 Proprits de base du transistor NMOS

ELEC283 MiEL 2003/04 22

Caractristique de sortie

4 La pente de la caractristique de sortie est appeletransconductance (gm)u varie en fonction du point Q considru "transconductance"

n units d'une conductance ([A]/[V] = [W-1])n "trans" car entre entre et sortie du transistor

QGS

Dm V

Ig

dd

=

VGS

ID

Q

7.2.1 Proprits de base du transistor NMOS

8ELEC283 MiEL 2003/04 25

Synthse

4 Transistor NMOSu symbole et bornes

4 Comportementu caractristique de sortie

n zone ohmiquen zone de pincement

u caractristique de transfertu transconductance

4 Interprtationu transistor (pincement) = source de courant (ID) commande en

tension (VGS)

7.2.1 Proprits de base du transistor NMOS

927ELEC283 MiEL 2003/04

7.2.3 Etage amplificateur transistorMOS: principe

Chap. 7 Les transistors7.2 - Le transistor MOS en amplification

ELEC283 MiEL 2003/04 28

Etage amplificateur

4 Intrinsquement, le transistor NMOS se comporte commeune source de courant commande en tension

4 Q: Comment en faire une source de tension commandeen tension?u amplificateur = gain entre deux tensions

4 R: il "suffit" d'ajouter une rsistance

7.2.3 Etage amplificateur transistor MOS: principe

DG

VGS SVDS

ELEC283 MiEL 2003/04 29

Etage amplificateur

DG

VGS SVDS

RD

VCC

ID

4 Le schma ci-dessous est celui de l'tage amplificateur source communeu on ajoute une rsistance RD entre le drain et une source de tension

continue VCCu schma de base pour amplifier au moyen d'un transistor

7.2.3 Etage amplificateur transistor MOS: principe

10

ELEC283 MiEL 2003/04 31

Etage amplificateur: remarques

4 1) la source de tension externe VCC joue le rle de rserved'nergieu nergie qui va tre "dose" par le transistoru => le transistor est un composant actif

n doit tre alimentn contrle d'un signal d'nergie leve par un signal plus faible

DG

VGS SVDS

RD

VCC

ID

7.2.3 Etage amplificateur transistor MOS: principe

ELEC283 MiEL 2003/04 32

Etage amplificateur: remarques

4 2) on suppose pour l'instant que le montage est videu pas de chargeu => le courant traversant la rsistance est le mme que celui

traversant le transistor entre drain et source (ID)

DG

VGS SVDS

RD

VCC

ID

7.2.3 Etage amplificateur transistor MOS: principe

ELEC283 MiEL 2003/04 33

Etage amplificateur: rsolution graphique

4 Q: Comment fonctionne cet tage transistor?u Que vaut VDS?

4 R: deux dmarches complmentairesu rsolution graphique (caractristiques)u rsolution analytique

n difficile car transistor non linaire

DG

VGS SVDS

RD

VCC

ID

7.2.3 Etage amplificateur transistor MOS: principe

11

ELEC283 MiEL 2003/04 34

Etage amplificateur: rsolution graphique

4 La rsistance impose une contrainteu la ddp ses bornes vaut V=RD.ID

4 On peut donc crire: VDS=VCC-RD.IDu exprime simplement la chute de tension sur RD

4 Cette dernire relation se traduit graphiquement par ladroite ci-dessous, appele droite de charge

DG

VGS SVDS

RD

VCC

ID