Transistors Fet
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1
2ELEC283 – © MiEL 2003/04
Chap. 7 - Les transistors
ELEC283 – © MiEL 2003/04 3
Plan du chapitre
4 Plan du chapitreu 7.1 – Le transistor: généralitésu 7.2 – Le transistor MOS utilisé en amplificationu 7.3 – Le transistor bipolaire utilisé en amplificationu 7.4 – Compléments
Chap. 7 – Les transistors
2
4ELEC283 – © MiEL 2003/04
7.1 – Le transistor: généralités
Chap. 7 – Les transistors
ELEC283 – © MiEL 2003/04 5
Généralités
4 L'invention du transistor en 1948 a lancé une véritablerévolution technologique qui se poursuit aujourd'hui
4 Le transistor est fondamentalement un composant qui peutêtre utilisé de deux manières différentesu en amplification
n on a déjà illustré l'importance de la fonction d'amplificationn relève de l'électronique analogique (première partie du cours)
u en commutationn base de toute l'électronique numérique (seconde partie du cours)
7.1 – Le transistor: généralités
ELEC283 – © MiEL 2003/04 6
Généralités
4 Il existe deux "familles" de transistors répondant à desprincipes de fonctionnement différentsu les transistors bipolaires
n inventé en 1948u les transistors à effet de champ
n dominant aujourd'hui
4 Parmi les transistors à effet de champ, il existe denombreuses variantesu nous expliquerons l'utilisation du transistor sur base du modèle le
plus courant aujourd'hui: le NMOS à enrichissement
7.1 – Le transistor: généralités
3
7ELEC283 – © MiEL 2003/04
7.2 – Le transistor MOSutilisé en amplification
Chap. 7 – Les transistors
ELEC283 – © MiEL 2003/04 8
Plan du chapitre
4 Plan du chapitreu 7.2.1 – Transistor MOS: propriétés de baseu 7.2.2 – Transistor MOS: structure interneu 7.2.3 – Etage amplificateur à transistor MOS: principeu [7.2.4 – Etage amplificateur à transistor MOS: calcul]u 7.2.5 – Autres types de transistors à effet de champu 7.2.6 – Précautions d'utilisation des transistors à effet de champ
7.2 – Le transistor MOS utilisé en amplification
4
9ELEC283 – © MiEL 2003/04
7.2.1 – Transistor MOS:propriétés de base
Chap. 7 – Les transistors7.2 - Le transistor MOS en amplification
ELEC283 – © MiEL 2003/04 11
Introduction
4 Un transistor est un composant à 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 – Propriétés de base du transistor NMOS
ELEC283 – © MiEL 2003/04 12
Introduction
4 Compte tenu de l'existence de ces trois bornes, il existeplusieurs manières d'utiliser ce transistor
4 Dans de nombreux montages, on utilise la source commeréférence de tension par rapport à la grille et au drain: onparle alors de source communeu la source est connectée à la masse, servant de référence
commune entre l'entrée et la sortie du montagen voir aussi slide suivant
D
G
S
7.2.1 – Propriétés de base du transistor NMOS
5
ELEC283 – © MiEL 2003/04 13
Introduction
4 Dans le montage à source commune…
4 …on applique au transistor une tension VGSu = tension "gate/source"u considérée comme signal d'entrée
4 …et on recueille une tension VDSu = tension "drain/source"u considérée comme signal de sortie
D
G
Vin=VGSS
VDS=Vout
7.2.1 – Propriétés de base du transistor NMOS
ELEC283 – © MiEL 2003/04 14
Introduction
4 Dans cette configuration, on peut assimiler le transistor àun quadripôleu dont une des bornes (source) est commune à l'entrée et à la sortie
4 Quelles sont les propriétés de ce composant/quadripôle?u => caractéristiques
n caractéristique de transfert (ID,VGS)n caractéristique de sortie (ID,VDS)
7.2.1 – Propriétés de base du transistor NMOS
D
G
Vin=VGSS
VDS=VoutVGS VDS
DG
SS
ID
ID
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Caractéristique de sortie
4 Pour comprendre le comportement du NMOS,commençons par analyser sa caractéristique de sortieu courbe décrivant le comportement électrique 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 – Propriétés de base du transistor NMOS
6
ELEC283 – © MiEL 2003/04 16
Caractéristique de sortie
4 La caractéristique de sortie comporte une première zoneappelée zone ohmiqueu faible valeurs de VDS
u dans cette zone, le comportement du transistor peut être assimilé àcelui d'une résistance non-linéairen résistance car "droite" passant par l'origine (V=RI)n non-linéaire car cette droite s'incurve
D
G
S
VDS
ID
VDS
ID
zone ohmique
7.2.1 – Propriétés de base du transistor NMOS
ELEC283 – © MiEL 2003/04 17
Caractéristique de sortie
4 Pour des valeurs plus élevées de VDS, la caractéristique desortie est horizontaleu assimilable à une caractéristique de source de courantu zone la plus intéressante de la caractéristique 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 – Propriétés de base du transistor NMOS
ELEC283 – © MiEL 2003/04 18
Caractéristique de sortie
4 La valeur du courant de drain dépend de la tension VGS
appliquée au transistoru dépendance non-linéaire
4 => transistor = source de courant commandée (non-linéairement) en tension
D
G
S
VDS
ID
VGS
VDS
ID
ID = fct(VGS)
ID
7.2.1 – Propriétés de base du transistor NMOS
7
ELEC283 – © MiEL 2003/04 19
Caractéristique de sortie
4 Compte tenu de cette dépendance de ID en fonction deVGS, la caractéristique de sortie se représenteclassiquement sous la forme d'un réseau de courbesu une seule courbe valable à un instant donné!
VDS
ID
7.2.1 – Propriétés de base du transistor NMOS
ID = fct(VGS)
ELEC283 – © MiEL 2003/04 21
Caractéristique de sortie
4 La représentation graphique de la dépendance entre ID etVGS n'est rien d'autre que la caractéristique de transfert dutransistoru ID = grandeur de sortie (ordonnée)u VGS = grandeur d'entrée (abscisse)u effectivement non linéaireu ici représentée uniquement avec pincement
VGS
ID
7.2.1 – Propriétés de base du transistor NMOS
ELEC283 – © MiEL 2003/04 22
Caractéristique de sortie
4 La pente de la caractéristique de sortie est appeléetransconductance (gm)u varie en fonction du point Q considéréu "transconductance"
n unités d'une conductance ([A]/[V] = [Ω-1])n "trans" car entre entrée et sortie du transistor
QGS
Dm V
Ig
δδ
=
VGS
ID
Q
7.2.1 – Propriétés de base du transistor NMOS
8
ELEC283 – © MiEL 2003/04 25
Synthèse
4 Transistor NMOSu symbole et bornes
4 Comportementu caractéristique de sortie
n zone ohmiquen zone de pincement
u caractéristique de transfertu transconductance
4 Interprétationu transistor (pincement) = source de courant (ID) commandée en
tension (VGS)
7.2.1 – Propriétés de base du transistor NMOS
9
27ELEC283 – © MiEL 2003/04
7.2.3 – Etage amplificateur à transistorMOS: principe
Chap. 7 – Les transistors7.2 - Le transistor MOS en amplification
ELEC283 – © MiEL 2003/04 28
Etage amplificateur
4 Intrinsèquement, le transistor NMOS se comporte commeune source de courant commandée en tension
4 Q: Comment en faire une source de tension commandéeen tension?u amplificateur = gain entre deux tensions
4 R: il "suffit" d'ajouter une résistance
7.2.3 – Etage amplificateur à transistor MOS: principe
DG
VGSS
VDS
ELEC283 – © MiEL 2003/04 29
Etage amplificateur
DG
VGSS
VDS
RD
VCC
ID
4 Le schéma ci-dessous est celui de l'étage amplificateur àsource communeu on ajoute une résistance RD entre le drain et une source de tension
continue VCC
u schéma de base pour amplifier au moyen d'un transistor
7.2.3 – Etage amplificateur à transistor MOS: principe
10
ELEC283 – © MiEL 2003/04 31
Etage amplificateur: remarques
4 1) la source de tension externe VCC joue le rôle de réserved'énergieu énergie qui va être "dosée" par le transistoru => le transistor est un composant actif
n doit être alimentén contrôle d'un signal d'énergie élevée par un signal plus faible
DG
VGSS
VDS
RD
VCC
ID
7.2.3 – Etage amplificateur à transistor MOS: principe
ELEC283 – © MiEL 2003/04 32
Etage amplificateur: remarques
4 2) on suppose pour l'instant que le montage est à videu pas de chargeu => le courant traversant la résistance est le même que celui
traversant le transistor entre drain et source (ID)
DG
VGSS
VDS
RD
VCC
ID
7.2.3 – Etage amplificateur à transistor MOS: principe
ELEC283 – © MiEL 2003/04 33
Etage amplificateur: résolution graphique
4 Q: Comment fonctionne cet étage à transistor?u Que vaut VDS?
4 R: deux démarches complémentairesu résolution graphique (caractéristiques)u résolution analytique
n difficile car transistor non linéaire
DG
VGSS
VDS
RD
VCC
ID
7.2.3 – Etage amplificateur à transistor MOS: principe
11
ELEC283 – © MiEL 2003/04 34
Etage amplificateur: résolution graphique
4 La résistance impose une contrainteu la ddp à ses bornes vaut V=RD.ID
4 On peut donc écrire: VDS=VCC-RD.IDu exprime simplement la chute de tension sur RD
4 Cette dernière relation se traduit graphiquement par ladroite ci-dessous, appelée droite de charge
DG
VGS SVDS
RD
VCC
ID
VDS
ID
VCC
VCC/RD
droite de charge
7.2.3 – Etage amplificateur à transistor MOS: principe
ELEC283 – © MiEL 2003/04 35
Etage amplificateur: résolution graphique
4 Graphiquement, la valeur de VDS s'obtient par l'intersectiondes deux caractéristiques ci-dessousu la caractéristique de sortie du transistoru la droite de charge
VDS
ID
VCC
VCC/RD
ID(VGS)DG
VGS SVDS
RD
VCC
ID
VDS
7.2.3 – Etage amplificateur à transistor MOS: principe
ELEC283 – © MiEL 2003/04 36
Etage amplificateur: résolution graphique
4 Particularité: la position de la caractéristique de sortiedépend de la valeur de la tension de grille VGSu l'intersection n'est donc pas fixe: elle dépend de la tension d'entrée
du montage
VDS
ID
ID = fct(VGS)
VCC
VCC/RD
ID(VGS)DG
VGS SVDS
RD
VCC
ID
7.2.3 – Etage amplificateur à transistor MOS: principe
12
ELEC283 – © MiEL 2003/04 38
Etage amplificateur: interprétation
4 Fonctionnement de l'étage à transistor:u quand on augmente VGS…u …le transistor consomme davantage de courant ID
n la caractéristique de sortie du transistor "monte" dans le grapheu => la chute de tension sur RD augmenteu => VDS diminue
4 et inversément
VDS
ID
VCC
VCC/RD
VDS
ID(VGS)D
G
VGS SVDS
RD
VCC
ID
7.2.3 – Etage amplificateur à transistor MOS: principe
ELEC283 – © MiEL 2003/04 39
Etage amplificateur: difficultés
4 Q: A-t-on réalisé une amplification?u Que vaut VDS par rapport à VGS?
4 R: pas vraiment
DG
VGSS
VDS
RD
VCC
ID
7.2.3 – Etage amplificateur à transistor MOS: principe
ELEC283 – © MiEL 2003/04 40
Etage amplificateur: difficultés
4 Trois difficultés…
4 1) le gain en tension est négatifu quand VGS augmente, VDS diminue
4 2) l'amplification est non-linéaireu dû à la caractéristique de transfert du transistor
4 3) pas d'amplification si VGS<0u dû à la structure interne du transistoru or signaux alternatifs très courants
DG
VGS SVDS
RD
VCC
ID
7.2.3 – Etage amplificateur à transistor MOS: principe
13
ELEC283 – © MiEL 2003/04 41
Polarisation
4 Problème n°3: pas d'amplification si VGS<0u => on ne peut pas appliquer directement un signal alternatif à
l'entrée de l'étage
4 Solution: il suffit de décaler VGS pour que toutes les valeurssoient positives
VGS
t
VGS
t
VGSQ
∆VGS
7.2.3 – Etage amplificateur à transistor MOS: principe
ELEC283 – © MiEL 2003/04 42
Polarisation
4 Le signal d'entrée comporte alors deux composantesu une composante VGSQ
n tension continue = moyenne du signal VGSu une composante alternative ∆VGS
n portant l'information utile
VGS
t
VGSQ
∆VGS
7.2.3 – Etage amplificateur à transistor MOS: principe
ELEC283 – © MiEL 2003/04 43
Polarisation
4 L'existence de deux composantes s'étend aux autresgrandeurs électriques: ID et VDS
VGS=VGSQ+∆VGS
VDS=VDSQ+∆VDS
ID=IDQ+∆ID
DG
S
RD
VCC
7.2.3 – Etage amplificateur à transistor MOS: principe
14
ELEC283 – © MiEL 2003/04 44
Polarisation
4 La composante continue de ces signaux (indice Q) estappelée polarisationu elle ne porte aucune information utileu la polarisation sert à placer le transistor dans des conditions
électriques donnéesu le point de polarisation est le point correspondant aux valeurs
moyennes des signaux électriques
VGS=VGSQ+∆VGS
VDS=VDSQ+∆VDS
ID=IDQ+∆ID
DG
S
RD
VCC
7.2.3 – Etage amplificateur à transistor MOS: principe
ELEC283 – © MiEL 2003/04 45
Petits signaux
4 Problème n°2: l'amplification est non-linéaireu or une non-linéarité déforme (modification du contenu fréquentiel)
et donc dégrade le signaln ex audio: distorsion
4 Solution: linéariser le système en travaillant avec dessignaux très faiblesu variations suffisamment faibles pour pouvoir assimiler la courbe à
sa tangenteu concerne uniquement le signal utile (les variations) autour de la
caractéristique non-linéairen non-linéarité = caractéristique de transfert
4 => le signal ∆VGS doit être très faibleu ordre de grandeur: qques mVu par opposition à la polarisation (composante continue), les
composantes alternatives sont désignées par le terme de "petitssignaux"
7.2.3 – Etage amplificateur à transistor MOS: principe
ELEC283 – © MiEL 2003/04 46
Petits signaux
4 Problème n°1: le gain est négatif
4 Solutionu 1) pas forcément gênantu 2) si gênant: ajouter un second étage amplificateur pour réinverser
le signal
7.2.3 – Etage amplificateur à transistor MOS: principe
15
ELEC283 – © MiEL 2003/04 47
Etage amplificateur: interprétation
VDS
ID
VCC
VCC/RD
VDSQ
IDQQ
7.2.3 – Etage amplificateur à transistor MOS: principe
ELEC283 – © MiEL 2003/04 48
Etage amplificateur: interprétation
VDS
ID
VCC
VCC/RD
VDSQ
IDQQQ
ID
VG
SQ
L
M
L
M
g m
tem
ps
VGS
VGS
tem
ps
VDS
7.2.3 – Etage amplificateur à transistor MOS: principe
caractéristiquede sortie
caractéristiquede transfert
ELEC283 – © MiEL 2003/04 49
Synthèse
4 Pour amplifier au moyen d'un transistor MOS, il suffitd'ajouter une source de tension continue externe et unerésistance au transistoru étage à source communeu principe de fonctionnement et caractéristiques
n droite de charge
4 Le montage obtenu ne permet pas d'amplifier directementune tension alternativeu les alternances négatives ne sont pas amplifiéesu le signal est déformé (non-linéarité de la caractéristique de
transfert)
4 La solution consiste à utiliser simultanémentu 1) la polarisation (ajout d'une composante continue à l'info utile)u 2) les petits signaux (signaux alternatifs très faibles)
7.2.3 – Etage amplificateur à transistor MOS: principe
ELEC283 - (c) MiEL 2003/04
1
7.2.2 - Transistor MOS: structure interne
ELEC283Electronique appliquée
2
< FET = Field Effect Transistor‚ famille de transistors
! MOSFETà enrichissement, à déplétion, JFET, etc‚ transistor
! contrôle d'un courant par une tension‚ "field effect"
! fonctionnement basé sur la modulation du courant par des effets électrostatiques! un seul type de porteur de charges : les porteurs de charges majoritaires
(contrairement aux bipolaires)
< importance‚ 95% du volume des semi-conducteurs actuels‚ part de marché croissante par rapport aux bipolaires
! toute l'électronique numérique! à terme, quasi toute l'électronique analogique
Transistors à effet de champIntroduction
ELEC283 - (c) MiEL 2003/04
3
< MOSFET = Metal Oxyde Silicon Field Effect Transistor
< 2 types‚ NMOS ou PMOS (à enrichissement)
MOSFET à enrichissementDéfinition et symboles
G
S
D
NMOS
G
D
S
PMOS
4
ELEC283 - (c) MiEL 2003/04
5
MOSFET à enrichissementStructure
P
substrat
G
S
D
NMOSNN
zone de transition
SiO2 DS
source drainmétal
G
grille/gate
G DSiO2 S
N
PP
source grille/gate drain
substrat zone de transition
G
D
S
PMOS
6
Les deux structures de transistor MOSFET sont représentées dans cette figure.
Dans un substrat (bloc de silicium), on implante deux régions de type opposé à celui du substratappelées source et drain. Ces régions sont recouvertes d'une couche de métal qui sera utilisée pourétablir les connexions avec les bornes externes du transistor.
La région du substrat entre la source et le drain est par contre recouverte d'une mince couche d'oxydede silicium (SiO2=très bon isolant), elle-même recouverte d'un matériau conducteur (p. ex. métal). Cettetroisième électrode porte le nom de grille ou "gate" en anglais. C'est l'électrode de commande dutransistor MOSFET.
(N.B.: De manière générale, le substrat constitue une 4ème électrode qui peut être polariséeindépendamment des 3 autres. Nous supposons ici qu'elle est toujours portée au même potentiel que lasource).
Deux structures sont possibles suivant le type de substrat. Le transistor porte le nom correspondant autype de la source et du drain :- NMOSFET (ou NMOS en abrégé) pour un substrat P et la source et le drain de type N- PMOSFET (ou PMOS en abrégé) pour un substrat N et la source et le drain de type P
ELEC283 - (c) MiEL 2003/04
7
NMOSsituation par défaut: MOS non conducteur
G DS
P
NN
zone de transition
G
S
D
G DS
P
N
0V0V 10V
NN
10V
zone de transition
G
S
D
vDS > 0vGS = 0
8
Voyons comment fonctionne le transistor NMOS.
Le but du MOS est de contrôler le courant passant entre le drain et la source, en agissant sur la grille.
Remarquons d'abord qu'en l'absence de toute polarisation (donc de toute tension extérieure), le MOScomprend dans sa structure même deux jonctions PN: entre la source et le gate et entre le gate et ledrain (figure supérieure). Ces jonctions étant non polarisées, elles sont bloquantes: aucun courant nepeut passer entre le drain et la source (quel que soit le sens).
Si on applique une tension extérieure entre D et S (figure inférieure), on peut rendre une des deuxjonctions passante, mais on renforce par contre la polarisation négative de l'autre jonction (ce qui dans cecas particulier amène la zone de transition à s'élargir fortement du côté du substrat).
En conclusion: à tension de grille nulle, le courant de drain traversant le MOS est nul.
ELEC283 - (c) MiEL 2003/04
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NMOSapparition d'un canal: "effet de champ"
G DS
P
NN
G
S
D
G DS
P
NN
zone d'inversion=canal N
0V 0V
G
S
D0V
vGS > 0vDS = 0
5V
5V
10
Polarisons maintenant la grille positivement par rapport à la source (sans polariser le drain pour l'instant).La grille, l'oxyde et le substrat forment un condensateur qui se charge à une tension égale à la tensionextérieure appliquée.
En conséquence, des charges électriques apparaissent sur les deux faces de l'oxyde (qui joue le rôle dediélectrique du condensateur): positives du côté grille et négatives du côté substrat. Les chargesnégatives présentes dans le substrat sont des électrons provenant principalement de la source et dudrain. (Simultanément, les trous majoritaires du substrat sont repoussés de la surface par le champélectrique transversal qui y règne.) Si la tension appliquée à la grille est suffisante, la concentration d'électrons dépasse celle des trous dansune mince couche du substrat située sous la grille. On crée alors une zone, dite "d'inversion", qui secomporte comme un semi-conducteur de type n et constitue un canal qui relie la source au drain: on alocalement inversé le type de semi-conducteur sous la grille.C’est pourquoi le transistor porte le nom de MOSFET à canal n, ou NMOSFET, ou NMOS en abrégé.
Remarques:- le MOS est commandé par une tension (jamais par un courant contrairement au bipolaire). Ceci vientdu fait que la grille est connectée à un isolant (oxyde): aucun courant ne peut "entrer" dans le transistor(ou encore: une capacité ne passe pas le courant continu!).- une polarisation de la grille en négatif n'amène rien: des trous s'accumulent sous la grille, ce qui ne créeaucun canal et le transistor ne peut pas devenir conducteur.- dans le symbole du transistor, le sens de la flèche représentant le substrat indique le type du canal: canal n = flèche pointe vers la grillecanal p = flèche pointe dans le sens opposé - enfin le "canal" créé dans le substrat par la polarisation positive de la grille est d’autant plus "large" quele potentiel de la grille est élevé.
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NMOSpolarisation positive du drain / courant de drain
G DS
P
N
15V0V 5V
N
vGS > 0vDS < vGS
iDG
S
D
<15V
15V
12
Rajoutons maintenant une source de tension qui polarise le drain positivement par rapport à la source:des électrons peuvent maintenant aller de la source au drain sans rencontrer de barrière de potentiel, viale canal créé par la polarisation de la grille. Cette situation correspond à un courant conventionnel allantdu drain à la source.
Ce courant dépend:- de VGS : une augmentation de VGS élargit le canal, donc diminue sa résistance et le courant augmente;- de VDS : une augmentation de VDS accélère les électrons et augmente donc le débit, c'est à dire lecourant (Loi d'Ohm).
Par rapport à la situation précédente, la polarisation du drain a pour effet d’approfondir le canal du côtéde la source et de le rétrécir du côté du drain (voir figure).
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13
NMOSCaractéristique de sortie iD(vDS) [1]: zone ohmique
0 10 20 30 40 50
3
2
1
0
iD[mA]
vDS[V]
RDS
zoneohmique.R
non-linéaire
14
Dans ces circonstances, le NMOS, vu côté "sortie", se comporte en fait comme une résistance (lescharges qui traversent rencontrent seulement la résistance propre à la zone N): le courant de drain estd’autant plus important que la tension VDS est élevée. Cette résistance est néanmoins non-linéaire,comme illustré dans le graphe ci-dessus, qui montre la première partie de la caractéristique de sortie.
Ce comportement est valable tant que VDS<VGS.
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15
NMOSPincement
G DS
P
N
15V0V $15V
N
vGS > 0vDS $ vGS
canal N pincé
iDG
S
D
>15V
15V
16
Si l’on augmente la tension VDS , on "incline" de plus en plus le canal, c’est-à-dire qu’on le rétrécit de plusen plus du côté du drain.
Lorsqu’on arrive au point particulier VDS = VGS , on pourrait croire que le canal se "ferme": il n‘en est rien.On peut montrer en fait que la diminution de section est compensée par une accélération des charges,de sorte que ce qu’on constate en réalité est l’effet suivant: pour toutes les valeurs VDS>=VGS, le courantde drain devient indépendant de la tension VDS (en d'autres termes: si VGS vaut 15V, le courant est lemême pour VDS=15, 20 ou 25V). C’est ce qu’on appelle le "pincement".
Cette zone correspond à une horizontale dans le plan de la caractéristique de sortie, c’est-à-dire à uncomportement en source de courant (contrôlée par la tension VGS)
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NMOSCaractéristique de sortie iD(vDS) [2]
0 10 20 30 40 50
3
2
1
0
VGS=12V
iD[mA]
vDS[V]
RDSzone de pincement
. source de courant
zoneohmique.R
non-linéaire
18
Le graphe ci-dessus montre la caractéristique de sortie complète du transistor NMOS.
La tension VGS joue le rôle de paramètre et "règle" la "hauteur" de la courbe.
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NMOSCaractéristique de transfert iD(vGS)
0 2 4 6 8 10 12 14
VDS>=15V
VDS=10V
VDS=5V
[mA]3
2
1
0
iD
vGS[V]
VGS,TH
iD.K(VGS-VGS,TH)2
iD.K VGS 2
20
Pour terminer, voyons la caractéristique de transfert du NMOS: elle lie la tension d’entrée (VGS) aucourant de sortie (ID).
La courbe supérieure montre la caractéristique de transfert lorsqu'il y a pincement.En l'absence de pincement (zone ohmique), la tension VDS joue le rôle de paramètre.
Remarques:1) On voit bien que, pour les valeurs de VDS>VGS, VDS n'influence plus le courant (courbe unique).2) Il existe un seuil en-dessous duquel le transistor n'est pas passant. Ce seuil est noté V GS,TH (TH pourThreshold) et varie de quelques dixièmes de volt à quelques volts suivant le type de transistor et sonapplication.3) La caractéristique de transfert est quadratique (exposant 2) en fonction de l'excès de VGS par rapport àson seuil.
ELEC283 - (c) MiEL 2003/04
21
7.2.5 - Autres types de transistorsà effet de champ
ELEC283Electronique appliquée
22
Autres types de FET
<MOSFET à enrichissement: PMOS<MOSFET à déplétion< JFET
PLAN
U
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23
< idem NMOS sauf‚ G polarisée négativement par rapport à S (vGS<0)‚ D polarisé négativement par rapport à S (vDS<0)
MOSFET à enrichissement: PMOS
G DS
N
P
-15V0V -5V
P
G
D
S
-5V
-15VvGS < 0|vDS|< |vGS|
iD
24
Particularités du PMOS:- structure "duale" du NMOS- toutes les tensions sont négatives
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25
MOSFET à déplétion(grille non polarisée)
G DSiO2 S
P
NN
source grille/gate drain
substrat
métal
G
S
D
N-MOSenrichissement
G DSiO2 S
P
source grille/gate drain
substrat
métal
N N
canal préexistant
G
S
DN-MOSappauvrissement
26
Particularités du MOS à déplétion (=MOS à appauvrissement)- par dopage, on réalise un canal préexistant en l'absence de tension de grille. Par défaut, le transistorest donc conducteur et on peut le "couper" par une tension de grille négative (pour un NMOS)
N.B.: remarquer le symbole légèrement différent: trait continu (représentant le canal) au lieu d'un traitdiscontinu entre les trois électrodes...
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MOSFET à déplétion (NMOS)Caractéristique iD(vGS)
-10V -8V -6V -4V -2V 0V 2V
3
2
1
[mA]
iD
vGS[V]
G
S
D
G
S
D
<=>
28
La caractéristique de transfert du NMOS à déplétion est donc décalée vers la gauche par rapport à celledu NMOS à enrichissement (il est conducteur en l'absence de polarisation).
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Transistor à effet de champ à jonctionJFET : Junction Field Effect Transistor
DSN-
source drain
substrat peu dopé
NJFETP
P
Ggrille/gatemétal
zone de transition
G
S
D
G
DSP-
Nsource
grille/gate
drain
substrat peu dopé zone de transitionN
G
S
D
PJFET
30
Enfin le JFET possède une structure différente mais utilise aussi un effet électrostatique. L'idée est ici decréer un canal dont la largeur est contrôlée par la commande de la grille. En pratique, le fait d'appliquerune tension de grille (négative pour le NJFET) renforce la polarisation négative des jonctions PN existantdans le transistor, ce qui amène les zones de charge d'espace de ces jonctions à s'élargir et donc àrétrécir le canal permettant le passage du courant de drain.
Ce transistor possède également son propre symbole.
Sa résistance d'entrée, quoique très élevée (environ 1010Ω), est plus faible que celle du MOSFET(environ 1015Ω).
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31
7.2.6 - Précautions d’utilisationdes transistors à effet de champ
ELEC283Electronique appliquée
32
<Condensateurs parasites< Impédance d'entrée<Destruction de la grille<Précautions à observer
Précautions d'utilisation des FETPLAN
U
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33
NMOSCondensateurs parasites
G DS
P
NN
sourcegrille drain=substrat
zone de transition
métalCGS CGD
CDS
34
Les transistors MOS comportent plusieurs capacités parasites:
- la capacité "gate-source" CGS est celle dont nous avons déjà parlé: il s'agit d'une vraie capacité dontl'oxyde de grille est le diélectrique et la grille et le substrat les électrodes.- la capacité "grille-drain" CGD est l'équivalent entre la grille et le drain- enfin il existe une capacité CDS correspondant à la zone de transition de la jonction PN entre le drain etla source.
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NMOSImpédance d'entrée
iG . 0 en statiqueiG sert uniquement à (dé)charger CGS
G
S
rG CGS
rG = fuite d'un très bon isolant = 1015S !!!
G
S=substrat
CGS = de qq fF à qq nF suivant taille du MOS
iG
36
L'impédance d'entrée d'un NMOS, entre la grille et la source, peut être modélisée principalement par lacapacité CGS.
Cette impédance d'entrée capacitive donne des propriétés particulières au MOS:- lorsque la tension de grille est continue (statique), la commande du MOS ne consomme aucun courant,- lorsque la tension de grille varie (petits signaux ou commutation), il faut simplement fournir ou extraire lecourant nécessaire à charger/décharger la capacité CGS pour l'amener à la tension voulue.Ce comportement est donc tout-à-fait différent de celui de la commande d'un transistor bipolaire.
A un niveau de détail supérieur, on peut ajouter à ce modèle une résistance très élevée (1015Ω)traduisant le fait qu'un courant "de fuite" extrêmement faible traverse quand même l'oxyde de grille versle substrat (dans le cas contraire, l'oxyde de grille serait un isolant vraiment parfait, avec une résistancestrictement infinie, ce qui est impossible). En pratique, ce courant peut toujours être négligé en tant quetel, mais cette résistance apparente forme avec CGS un circuit RC dont nous reparlons dans letransparent suivant.
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NMOSdestruction de la grille
G
S
DQ
claquage
VGS,claquage = 25 ..50VQclaquage = CGS .VGS,claquage = 25V . 1pF = 25 pC
rG.CGS = 1015S.1pF = 1000s = 17 min !!! => - on peut allumer le transistor pour un temps long- on claque aisément la grille
38
A cause de sa structure particulière, le NMOS (dans sa version "non protégée") peut être détruit simplement enapprochant la main! Ceci est une conséquence d'un couplage capacitif existant entre l'entrée du MOS et la main del'utilisateur.
Voici l'explication de ce phénomène:Tout matériau isolant est capable de "tenir" une certaine tension, c'est-à-dire de supporter une certaine différence depotentiel par unité d'épaisseur. Par exemple, l'air sec peut supporter quelques kV par millimètre. Vous avez déjà tous expérimenté ce qui se passe si la tension dépasse cette limite: une "décharge électrique", c'est-à-dire la création d'un arc électrique qui ionise l'air et offre ainsi la possibilité au courant de passer temporairement àtravers l'air.Un tel "claquage", dans l'air, est courant:- éclair "naturel" au cours d'un orage,- éclair de la "flèche " d'un tram au passage d'un croisement de caténaires,- déchargé électrique ressentie au contact de quelqu'un d'autre après avoir marché sur un tapis, etc- vêtements en laine, etc
Dans un MOS, l'oxyde de grille est un très bon isolant mais il est extrêment mince (0,1:m), de sorte que la tension qu'ilsupporte est faible: 25 à 50V. Pour une capacité CGS d'environ 1pF, il suffit d'apporter une charge électrique de 25pC(Q=CV) pour atteindre cette tension. C'est une valeur de charge qu'il est tout-à-fait possible de "porter" couramment aubout des doigts. Le schéma ci-dessus montre la répartition des charges positives et négatives lorsqu'on approche lamain de la grille d'un MOS.
Deux conséquences sont possibles si le MOS reçoit ainsi une charge par couplage capacitif:1) la tension monte suffisamment pour provoquer le claquage de l'oxyde de grille: le transistor est alors inutilisable,détruit.2) la capacité CGS se charge mais reste en-dessous de la tension de claquage: le MOS est néamoins "allumé" etpermet le passage d'un courant entre drain et source. La charge de CGS ne peut s'évacuer que par la résistanceparasite de l'oxyde de grille. Celle-ci étant énorme, cette décharge est extrêmement lente (RC=17min!) par rapport auxtemps caractéristiques de l'électronique. Le fonctionnement du montage peut s'en trouver complètement perturbé.
Cette "faiblesse" des MOS est également valable dans le domaine du numérique (voir + loin).
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< conservation‚ emballage conducteur
! mousses spéciales! emballages plastiques métallisés
‚ court-circuit G-S par un fil
< manipulation‚ éviter les vêtements en laine‚ éviter les sols isolants (moquette, ..)‚ porter des bracelets mis à la terre, ou au moins toucher une
prise de terre avant manipulation‚ les outils et fers à souder seront mis à la terre
< › composants avec protection interne‚ diodes G-S et G-D mais rG diminue
NMOSprécautions à observer
ne jamaislaisser uneentrée MOS"en l'air"
40
La fragilité de la grille induit toute une série de précautions d'usage indiquées ci-dessus.
De manière générale, ce type de précautions (ambiances visant à éviter des charges électriquesparasites) se répand de plus en plus dans l'industrie afin de respecter les critères de qualité defabrication.
Il existe également des MOS dont l'entrée est protégée (en interne) par des diodes qui permettentd'évacuer les charges parasites dues à un couplage capacitif. On perd alors l'avantage d'une impédanced'entrée énorme, typique des MOS.
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1
7.3 - Le transistor bipolaire utiliséen amplification
ELEC283Electronique appliquée
2
Transistor bipolaire en amplification
< Introduction< 7.3.1 - Structure, principe et
caractéristiques du transistor bipolaire< 7.3.2 - Etage amplificateur à BJT
PLAN
U
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Détail d'une pucetechnologies bipolaire et CMOS
N N N NP P N
N+
base émetteur collecteur
bipolaire
N
P
source gate drain
CMOS
P
4
Pour information, on voit ci-dessus le détail d'un transistor intégré sur une puce en silicium pour deuxtechnologies de fabrication différentes: bipolaire et CMOS. On peut constater la complexité de lastructure à réaliser dans chaque cas.
L'intégration d'un nombre de plus en plus grand de transistors dans une même puce est possible grâce àla réduction progressive de la largeur des pistes. Les technologies actuelles utilisent typiquement unelargeur de piste de 0.15:m. Le passage à une intégration plus poussée représente un défi technologiquetoujours plus difficile et demande des efforts de recherche et des investissements colossaux.
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5
< Bipolar Junction Transistor (BJT)‚ bipolaire: repose sur le déplacement de trous et d'électrons‚ à jonctions: réglage du courant basé sur les propriétés des
jonctions PN passantes et bloquantes
< historique‚ inventé en 1948‚ premier type de transistor utilisé massivement à partir des
années 1960 pour remplacer les tubes ("poste à transistor")‚ presque totalement remplacé par les transistors à effet de
champ dans les CI numériques‚ subsiste en composant discret ou CI analogiques, ou CI logiques
rapides associé au CMOS
IntroductionTransistor bipolaire à jonctions
6
Le transistor bipolaire à jonctions doit son nom au fait que son principe de fonctionnement repose sur:- deux types de porteurs ("bipolaire"): trous et électrons- et deux jonctions PN.
Depuis son invention en 1948, le transistor bipolaire à jonctions s'est considérablement développé et aété utilisé dans tous les domaines de l'électronique (électronique analogique, électronique numérique etélectronique de puissance). Il a atteint son apogée dans les années 1970. Depuis, le pourcentage desmontages où il intervient comme composant principal se réduit continuellement au profit des transistors àeffet de champ.
Il reste utilisé:- dans des applications à fréquence élevée (au-delà du GHz) comme composant discret,- dans certains circuits intégrés (p. ex. technologie BiCMOS).
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7
7.3.1 - Structure, principe etcaractéristiques du transistor
bipolaire
ELEC283Electronique appliquée
8
7.3.1 / Transistor bipolaire
<Structure interne<Principe de fonctionnement<Caractéristiques
PLAN
U
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Transistor bipolaireStructure
CE
B
N NP B
E
C
NPN
CE
B
P PN B
C
E
PNP
jonctionbase-émetteur
jonctionbase-émetteur
jonctionbase-collecteur
jonctionbase-collecteur
sens passantde la diode BE
sens passant dela diode BE
10
Le transitor bipolaire à jonctions (BJT) est un empilement de 3 couches de silicium, obtenues pardiffusions successives de dopants. Un exemple de structure est présenté ici, mais il en existe denombreuses autres variantes dont l'étude sort du cadre de ce cours. Le principe de fonctionnement quenous verrons dans la suite du chapitre s'applique à tous les BJT.
Deux types de transistors bipolaires existent. On leur donne comme nom l'ordre d'empilement descouches, soit PNP et NPN. La couche centrale porte le nom de base (B), les couches externes sontl'émetteur (E) et le collecteur (C).
Pour étudier les principes des BJT, nous considérons un transistor fomé d'un barreau qui comprend troiscouches successives définissant 2 jonctions:- la jonction base-émetteur (jonction BE)- la jonction base-collecteur (jonction BC)
Les dopages des trois zones possèdent des propriétés particulières qui ne seront pas étudiées ici. Il fautpar contre retenir que la base est très courte (nous verrons pourquoi plus tard).
Les symboles du PNP et du NPN diffèrent légèrement: - la flèche se trouve du côté de l’émetteur,- le sens de la flèche indique le sens du courant conventionnel (de P vers N) dans la jonction base-émetteur
Dans la suite du chapitre, on considèrera uniquement un transistor NPN.
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Transistor NPNPolarisation en région active
C
E
B
0V
B
E
C
jonction BEen polarisation directe
jonction BCen polarisation inverse
+10V
.0,6V
12
De la même manière qu’il faut polariser une diode, il faut, pour utiliser un transistor, le polariser d’unecertaine manière.
La polarisation que nous décrivons ici permet de placer le transistor en "région active", une zoneparticulière de ses caractéristiques qui correspond à la fonction d’amplification (voir plus loin).
Pour cela:- polarisons positivement le collecteur par rapport à l'émetteur au moyen d’une source de tensioncontinue: cette source va jouer le rôle de réserve d'énergie. - simultanément, polarisons la jonction BE par une source de courant: celle-ci va jouer le rôle decommande du transistor.
Dans ces circonstances, la jonction BE agit comme une diode. A cause de la source de courantconnectée à la base, cette diode est passante et la tension V BE vaut donc 0,6V.
Compte tenu des sources que nous avons appliquées, la jonction BC est par contre polarisée en sensinverse.
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Transistor NPN en région activeDéplacement des charges
C
E
B
0V
jonction BEen polarisation directe
+10V
.0,6V
e- IE
14
Nous venons de voir que la jonction BE est passante.
En pratique, cela veut dire que dans la zone N (Emetteur), des électrons se déplacent à contre sens ducourant conventionnel, c'est-à-dire de l'émetteur vers la base. C'est la raison pour laquelle l'émetteurporte son nom: il "émet" les électrons...
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< parcours des électrons‚ un grand nombre d’électrons sont
émis par l’émetteur! polarisation directe de la jonction BE
‚ une faible fraction se recombinedans la base
‚ MAIS la plus grande partie traversecelle-ci pour être "collectés" par lecollecteur! base très courte! polarisation inverse de la jonction BC
Transistor NPN en région activeDéplacement des charges
C
E
B
0V
jonction BEen polarisationdirecte
+10V
.0,6V
e- IE
jonction BCen polarisationinverse
IB
IC
16
En arrivant dans la base, qui est une zone P, ces électrons devraient normalement se recombiner avecles trous (arrivant par la base) qui sont les porteurs majoritaires de cette zone P. On aurait alors unfonctionnement classique en diode.
La différence avec une diode est ici que la base est très courte, beaucoup plus courte que la longueurnécessaire pour que tous les électrons se recombinent avec des trous.
Si certains électrons se recombinent donc effectivement dans la base (et forment le courant de base, trèsfaible), la plupart d'entre eux franchissent cette base sans avoir le temps de se recombiner et arriventdans la zone N du collecteur. (C'est d'autant plus facile pour eux que la jonction BC est polarisée en inverse. Or on se souviendraqu'une jonction polarisée en inverse repousse les porteurs majoritaires mais ATTIRE les porteursMINORITAIRES. Et dans la base, les électrons sont précisément des porteurs minoritaires.)
Une fois dans le collecteur, les électrons continuent vers l'électrode supérieure où ils quittent le transistor,attirés par la source extérieure de tension positive.
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Transistor NPN en région activeCourants
CE
B
N NP0V
.0,6V
+10ViCiE
B
E
C
iE = iB + iC
< courants conventionnels‚ un courant important va du collecteur à
l’émetteur‚ un petit courant va de la base à
l’émetteur‚ le courant d’émetteur est la somme
des courants de base et de collecteur(cfr parcours des électrons)
18
Si l’on traduit l’analyse précédente, faite au niveau des charges électriques, en courants conventionnels,on voit que: - un courant important va du Collecteur à l'Emetteur- un courant plus faible va de la Base à l'Emetteur- l'émetteur voit donc la somme des courants de base et de collecteur
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< transistor NPN typique‚ 99% des électrons traversent la base sans se
recombiner‚ 1% se recombinent et forment le courant de base‚ => iB << iC . iE
< gain en courant du transistor (définition)‚ $DC = iC/iB .100
<
< => amplificateur de courant‚ en entrant iB, on sort IC = 100 fois plus grand‚ transistor = source de courant commandée en courant
Transistor NPN en région activeImportance relative des courants
B
E
C
20
En pratique, 99% des électrons traversent la base sans se recombiner (seulement 1% se recombinentavec des trous provenant de la base).
Le rapport entre le courant de collecteur et le courant de base est le gain en courant du transistor, notéβDC. Ce paramètre vaut entre 100 et 150 pour les transistors bipolaires courants.
On peut donc retenir que le courant de base est négligeable par rapport aux deux autres courants, quisont pratiquement égaux. Néanmoins, le principal courant traversant le transistor (iC=iE) estproportionnel au courant de base. En utilisant ce courant de base comme commande, le transistorbipolaire en région active apparaît donc bien comme un amplificateur de courant.
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Transistor NPN: commande en courantCaractéristique de transfert iC(iB)
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 iB[mA]
300
200
100
iC
iC[mA]
P
2N3904 VCE=25V
$DC=iC/iB
22
On voit ici la caractéristique de transfert iC=f(iB) d'un transistor réel.
On peut considérer que cette caractéristique est quasiment linéaire, ce qui signifie que le transistorbipolaire est un amplificateur LINEAIRE lorsqu’il est commandé par un courant.
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Transistor NPN: commande en tensionCaractéristiques de transfert iC(vBE) et iC(iB)
0
40
80
120
160
200
10.50
3210
iC[mA]
vBE[V]
iB[mA]
commande en courant:quasi-linéaire
commande en tension:fortement non linéaire
caractéristique de lajonction passante BE
24
Que se passe-t-il si, au lieu d'imposer un courant, on impose une tension à l'entrée du transistor (ce quiest très souvent le cas en pratique) ?
La jonction BE étant polarisée en direct, elle se comporte comme une diode dont le courant varie quasi-exponentiellement avec la tension vBE (voir chap. 5: la caractéristique d'une diode polarisée en direct estune exponentielle).
Alors que la relation entre iB et iC est linéaire, il n'en est donc plus de même de la relation entre vBE et iC. A cause de la dépendance exponentielle entre v BE et iB, il y a indirectement une dépendanceexponentielle entre vBE et iC.
Le transistor bipolaire commandé en tension N'EST donc PAS linéaire (par opposition à ce mêmetransistor commandé en courant).
On verra dans la suite de ce chapitre comment s'affranchir de ce problème.
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Transistor NPN (2N3904)Caractéristique de sortie iC(vCE)
0 10 20 30 40 50
300
200
100
0IB = 0
iC[mA]
vCE[V]
coupure
région de saturation
région active
26
Pour étudier le transistor dans un montage, on a l'habitude de représenter la courbe iC=f(vCE), qui est lacaractéristique de sortie (*) du transistor.Cette courbe présente sur sa plus grande partie un palier (en réalité une pente légère) qui illustre le faitque iC dépend peu de la tension vCE. Par contre, on sait que iC dépend de iB par le gain β du transistor. La courbe iC=f(vCE) dépend donc de lavaleur de iB, qui agit dans ce graphe comme un paramètre: on obtient en fait un réseau de courbessuivant la valeur de iB.
Plusieurs régions peuvent être distinguées sur ce réseau:
- à courant de base nul, le courant de collecteur est quasiment nul : c'est la région de coupure- à courant de base non nul et constant, le courant i C commence par croître très rapidement dans lespremiers dixièmes de volts de vCE : c'est la région de saturation- lorsque vCE dépasse quelques dixièmes de volts on passe le "coude de saturation" et le courant decollecteur devient beaucoup moins dépendant de la tension v CE: c'est la région active- enfin, vers 40V le courant croît très rapidement : c'est le claquage, qui entraîne généralement ladestruction du transistor par échauffement; cette région est donc interdite. L'origine du claquage peutnotamment être l'avalanche de la jonction base-collecteur.
(*) La caractéristique de sortie lie les deux grandeurs de sortie (tension et courant), tandis que lacaractéristique de transfert décrit la relation entre la grandeur de commande (courant ou tension) et lagrandeur de sortie.
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7.3.2 - Etage amplificateur àtransistor bipolaire
ELEC283Electronique appliquée
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Rappel: région activetransistor
région active
0 10 20 30 40 50
300
200
100
0IB = 0
[mA]iC
vCE[V]
coupure
région active <=>
30
Pour rappel, la région active s’obtient par une polarisation positive de la jonction base-émetteur (i B>0 ,vBE>0) et une polarisation négative de la jonction base-collecteur (vBC<0).
C'est dans ces conditions que le transistor peut être considéré comme un amplificateur de courant.
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< But‚ ampli tension/tension
< En entrée‚ commande = tension V1‚ iB = (V1-0,6V)/RB‚ iB=f(VBE): exponentielle
< Amplification‚ iC=f(iB): amplification linéaire en courant
< En sortie‚ iC transformé en tension par la
résistance de charge: V2=VCC-RC.iC
Montage en émetteur communPrincipe
V2 = Vcc - RC.ICIC = $DC . IB
Vcc
RCIC
V1 +
-
V2 RB
32
Dans le module précédent (6.3.1), nous avons étudié le comportement du transistor seul, via unepolarisation un peu "artificielle" (en courant). Ceci nous a permis de montrer que le transistor est unamplificateur linéaire courant/courant, mais en pratique on utilise beaucoup plus couramment destensions.
Pour réaliser un amplificateur tension/tension, il faut ajouter au moins deux composants:- une résistance de base (RB), qui sert fondamentalement à ne pas connecter directement une sourcede tension (VBE) sur la jonction BE (rappelez-vous: c’est interdit!),- une résistance de collecteur ou "résistance de charge" (R C) qui va fondamentalement permettre detraduire le courant de sortie du transistor en une tension (loi d’Ohm).
Le montage ainsi réalisé est un "étage amplificateur" à "émetteur commun" (car l'émetteur estconnecté à la masse et sert d'électrode de référence commune pour l'entrée (base) et la sortie(collecteur) du montage). C’est le plus simple des montages amplificateurs à transistor.
Remarquez, pour ce montage, que la tension de sortie V 2 n’est autre que la tension VCE du transistor.
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Montage en émetteur communDroite de charge
V2 = Vcc - RC.ICIC = $DC . IB
0V VCE
iC
0C
[mA]
VCC
RC
VCC
P
S
VCEsat
Vcc
RCIC
V1 +
-
V2 RB
34
Pour étudier ce montage, supposons dans un premier temps que V 1 est une source de tension continuevariable.
Le "point de fonctionnement" du transistor, c'est-à-dire le point représentant la valeur des différentesgrandeurs électriques, se trouve à l'intersection de deux courbes:1) la caractéristique (de sortie) du transistor: iC=f(vCE)2) la caractéristique du circuit extérieur: ici la loi d'Ohm sur la résistance RC. Cette deuxième caractéristique est appelée "droite de charge".
On voit facilement que la droite de charge, pour ce montage, répond à l’équation suivante:VCE=VCC-RC.IC (tension de la source VCC moins chute de tension sur la résistance).
Variation du point de fonctionnementLa position de la caractéristique de sortie du transistor dépend de la valeur du courant i B (cfr supra).
Lorsque iB varie, le palier de la caractéristique de sortie "monte" ou "descend" et le point defonctionnement se déplace simultanément sur la droite de fonctionnement. En d’autres termes, i B fixe la"hauteur" du point de fonctionnement dans le graphe.
Ce point peut varier entre les deux limites de la région active:1) le point C représentant la coupure (i C=0)2) le point S représentant la saturation (vCE<<)
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Amplification d’un signal alternatifSignal alternatif direct: difficultés
0
12V
8V
4V
0V
-4Vt
v2
v1
Vcc=12V
RCIC
V1=1V
V2 RB
opposition de phase
alternances négatives perdues
distorsion
36
Les difficultés rencontrées pour amplifier un signal alternatif direct sont les mêmes que cellesrencontrées dans le cas d’un étage à transistor MOS.
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Amplification d’un signal alternatif ampli "classe A": polarisation + petits signaux
0V VCE
iC
0
Q
[mA]
VCC
RC
VCC
C
S
VCEQ
ICEQIBQ
Vcc
RC
V1Q
v2=V2Q+)v2RB
+
-
)v1
iB=IBQ+)iB
38
La seule manière d'amplifier une faible tension alternative est d'y ajouter une tension continue (opérationqui porte également le nom de POLARISATION du transistor).
Le point de fonctionnement du transistor en l'absence de tension alternative est appelé POINT DEREPOS. Dans la suite de ce chapitre, ce point sera noté Q, et toutes les grandeurs continues associéesseront notées en majuscule et indicées par Q. Dans ce schéma, on peut régler la position du point Q àl'aide de la tension continue V1Q et de la résistance de base RB.
Dans cette configuration, on parle d'amplification à petits signaux autour du point de fonctionnement Q.La tension alternative d'entrée ∆v1 provoque donc une variation de courant de base ∆iB, amplifiée par legain β pour donner une variation de courant collecteur ∆iC qui elle-même entraîne une variation de latension de sortie ∆v2.
Insistons sur la séparation des deux problèmes :- polariser le transistor, c'est placer le point de repos dans une position autour de laquelle on pourraréaliser une amplification dans de bonnes conditions,- amplifier, c'est transformer de petites variations de tensions d'entrée ∆v1 (que l'on ajoute à la tensioncontinue de polarisation) en de plus grandes variations de la tension de sortie ∆v2 (autour de la tensionde repos V2Q), via l’effet d’amplification en courant du transistor.
Les valeurs continues de polarisation peuvent être également vues comme les moyennes temporellesdes tensions et des courants. Elles ne portent pas d’information "utile": elles sont simplement présentesen tant que "support" du signal alternatif à amplifier.
Le montage illustré ci-dessus est le montage le plus simple pour amplifier une tension alternative. Il portele nom d’ampli "classe A" (caractérisé par le fait que le point de repos est placé au milieu descaractéristiques).
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< gain de l’étage amplificateur‚ gain à vide: AV=-gmRC
! V2=VCC-RC.IC! ∆V2=-∆RC.IC
! ∆V2=-∆RC.gm.∆VBE
‚ ne pas confondre avec β!! gain du transistor
Amplification d’un signal alternatifAmpli "classe A": calcul du gain
Vcc
RC
V1Q
v2=V2Q+)v2RB
+
-
)v1
iB=IBQ+)iB
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< Structure identique
< Commande du transistor différente‚ NMOS = source de courant commandée en tension‚ BJT = source de courant commandée en courant
! ou commandée en tension via le passage par la jonction BE
< Etage à BJT‚ résistance de base pour éviter d’imposer directement la tension sur la
jonction PN base-émetteur‚ résistance d’entrée beaucoup plus faible que celle d’un MOS
Etage amplificateur à 1 transistorComparaison BJT / NMOS
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< Vu dans ce cours:‚ Ampli à émetteur commun
! basé sur un transistor bipolaire‚ Polarisation en classe A‚ Polarisation par la base
< Nombreuses variantes et montages en fonction de:‚ gain‚ bande passante‚ impédance d’entrée‚ impédance de sortie‚ etc
Etage amplificateur à 1 transistorSynthèse
42
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7.4 - Compléments
ELEC283Electronique appliquée
44
7.4 / Compléments
<Mise en cascade d’étages amplificateurs< Liaison par capacité<Montage cathodyne (suiveur)
PLAN
U
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< étage amplificateur‚ seul: parfois gain (AV) insuffisant
< mise en cascade d’étagesamplificateurs‚ chaque étage modélisé par son
équivalent de Thévenin‚ => Zin et Zout!!!
! particularité: valeurs à petits signaux!! même critères que précédemment
Mise en cascade d’étages amplificateursIntroduction
Vcc
RC
V1Q
v2=V2Q+)v2RB
+
-
)v1
iB=IBQ+)iB
V1 AVV1
Zo
V2
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Il est souvent nécessaire d'obtenir un gain en tension supérieur à ce que l'on peut obtenir avec l'étage vuprécédemment. Dans ce cas, on mettra plusieurs étages en cascade pour multiplier leurs gains.
On retombe dans ce cas sur le problème déjà vu précédemment: lorsqu’on connecte entre eux plusieursmontages, il faut s’assurer qu’ils sont "compatibles", ce qui se fait en modélisant chaque montage parson équivalent de Thévenin.
Dans ce contexte-ci, on arrive donc au fait qu’un étage amplificateur peut être modélisé par sonéquivalent de Thévenin. Avec la particuliarité que cet équivalent de Thévenin concerne la partie "petitssignaux" des grandeurs électriques uniquement (=> valeurs d’impédances définies sur base des petitssignaux).
La compatibilité entre étages doit notamment être assurée au niveau des impédances (entrée et sortie).Le critère est le même que précédemment (critère de tension): un bon étage amplificateur doit avoir uneimpédance d’entrée élevée et une impédance de sortie faible.
Le calcul des impédances d’entrée et de sortie à petits signaux d’un étage amplificateur ne sera pas vudans ce cours. Rappelons simplement que les impédances de sortie et d’entrée sont desimpédances fictives, qui NE correspondent donc PAS (sauf cas particulier) aux impédancesexistant à l’entrée et à la sortie du schéma de l’étage amplificateur...
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< avantage : amplifie une tension continue
< inconvénient :‚ sans précautions : destruction de la polarisation
! => amplificateur différentiels pour le continu
Mise en cascadeLiaison
IBQ
)iCR1
C
E
B
RC
)i1VCQ1
IBQ
)iCR1
C
E
BVCQ
RC
)i1
DC+AC
Vcc Vcc
VBEQ1=V1DC VBEQ2=VCQ1
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Puisqu'il faut mettre des étages en cascade, se pose le problème de la manière de relier :- le premier étage au signal à amplifier,- les étages entre eux,- le dernier étage à la "charge".
Si l'on désire amplifier la composante continue du signal (cas de la sortie d'un capteur de températurepar exemple), on doit a priori lier les étages par une connexion directe.
Si on le fait brutalement, on risque de bloquer complètement le fonctionnement du montage; en effet laliaison directe de deux étages conçus séparément bouleverse la polarisation. Prenons l'exemple dupremier étage de la chaîne et modélisons le signal à amplifier par une source de tension. La tensioncontinue sur la base du transistor d'entrée est alors imposée par la tension moyenne de cette source etne correspond pas nécessairement à un point de fonctionnement optimal (on peut par exemple se situertrop près de la saturation).Il en va de même pour la liaison entre étages où la tension moyenne de base VBEQ2 du deuxième étagedoit être égale à la tension moyenne de collecteur VCQ1 de l'étage précédent.
Dans un amplificateur en continu, la polarisation de tous les étages successifs doit donc être conçuesimultanément.
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< avantage : respecte la polarisation‚ C reprend la différence des tensions
< inconvénients :‚ perte d'amplification en continu et BF‚ fmin ú = CL üü
Mise en cascadeCondensateur de liaison
1 << Routk+Rink+1TminCL
IBQ
)i2R1
C
E
B
RC
)i1VCQ1
IBQ
)i2R1
C
E
BVCQ
RC
)i1
Vcc Vcc
CL CL
50
La liaison de deux étages par un condensateur permet de concevoir leur polarisation séparément:comme le condensateur ne laisse pas passer le continu, il "sépare" les polarisations des différentsétages. Le condensateur se chargera à une tension égale à la différence entre la composante continuede la sortie et celle de l'entrée de l'étage suivant. Il n'y a pas non plus de propagation de la dérive dupoint de fonctionnement d'un étage à l'autre. Par contre, s’il est bien dimensionné, le condensateurlaissera passer l’alternatif et donc le signal utile.
Le prix à payer est l'impossibilité d'amplifier des grandeurs continues. Heureusement, il existe bonnombre d'applications pour lesquelles ce n'est pas nécessaire (dont tout le domaine de l'audio, où l'on nedescend pas sous les 20Hz).
La taille des condensateurs "de liaison" n'est pas négligeable et est d'autant plus grande que l'onsouhaite amplifier des basses fréquences. (Retenons simplement ici que, dans le schéma équivalent de Thévenin de la liaison, le condensateur semet en série avec la résistance de sortie de l'étage précédent et avec la résistance d'entrée de l'étagesuivant. Son influence sera donc négligeable si l'impédance du condensateur à la fréquence minimaleque l'on veut amplifier reste faible devant la somme de ces deux résistances.)
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< principe‚ résistance à l’EMETTEUR‚ on considère les petits signaux
< gain du montage . 1 (ici: 0,995)‚ jonction BE passante‚ => VBE=VTH=constante‚ "suiveur de tension"
< résistance d’entrée élevée‚ dans cet exemple: 228kΩ
< résistance de sortie faible‚ dans cet exemple: 2,5Ω
CathodynePrincipe
12V
13:A
)i2
408kS
C
E
B
6V
)i1 6.7V
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Le montage cathodyne est un montage où la résistance de charge est placée à l'émetteur et non aucollecteur. Le signal de sortie est également prélevé à l’émetteur (alors qu’on le prenait au collecteur pourun ampli). Ce montage fonctionne différemment de l'étage amplificateur.
La tension au collecteur vaut toujours la tension d'alimentation (ici: 12V).
Comme la jonction BE est passante, on sait que la tension VBE est constante et vaut 0,6V.On peut donc écrire: vE=vB-0,6V. Les tensions B et E sont donc identiques, à 0,6V près.En particulier, les variations des tensions vB et vE (petits signaux) sont identiques puisque la différencedes tensions vB et vE est constante.
Du point de vue d’un signal alternatif, on a donc réalisé un amplificateur de gain...1! (ou presque 1 si oncalcule plus rigoureusement).
A quoi peut servir ce montage?Comme on l'a dit, un étage à transistor possède beaucoup de propriétés à prendre en compte. L'intérêtde ce montage-ci est de posséder une impédance d'entrée élevée et une impédance de sortie faible, touten "transmettant" le signal alternatif qu’on lui fournit. Il remplit donc parfaitement les critères attenduslorsqu'on désire véhiculer une information de tension. On pourra en particulier insérer un montagecathodyne entre deux étages qui se révéleraient incompatibles entre eux (voir slide suivant).
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Cathodyneutilisation comme transformateur d'impédance
)v1 228 = = 0.96)v0 238
12V
58:A
)i2
91kS
C
E
B6.7V)i1
Ri=228kS
10kS
étageamont
étageaval
10kS
1kS)v2 = 0.1)v0
)v2 = 0.98)v1
)v2 = 0.94)v0