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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
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