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
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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