Transistor bipolaire en régime variable (ou dynamique)

(1)

Pr. A.SDAQ : Faculté sciences ibn Zohr (Agadir_Maroc) 24 Transistor bipolaire(régime dynamique)

Chapitre 6

Transistor bipolaire en régime variable (ou dynamique)

L'une des applications essentielle des transistors est l'amplification des signaux électriques. Le principe est de fixer le point de fonctionnement dans une région où l'amplification sera la plus linéaire possible (c'est à dire pas de distorsion du signal amplifié).

1. Le transistor bipolaire en régime dynamique (ou variable)

Ajoutons à l'entrée du montage du transistor en émetteur commun en régime statique, un générateur de tension sinusoïdale

V

_e

( t )

=

V

_m

sin( ω t )

- figure 1-

Le point de repos en régime statique (en absence de Ve(t)) est repéré par les points P0(VCE0, IC0), P'0(IB0, IC0) et P"0(IB0, VBE0) –figure-2-

1.1 Principe de l'amplification (sans distorsion)

Pour un fonctionnement en petit signaux (V_m faible), on peut écrire:

Ve(t)

V

CC

I

BO

RB VBB

V

CC

RC VCC

V

BB

V

CE0

I

C0

I

B0

V

BE0

P

0

P''

0

V

BE

Figure 2

I

C

P'

0

I

B

=0 I

B

R

C

R

B

I

E

I

B

I

C

V

BB

E B

C

Figure 1

⎩⎨

⎧

+

= +

=

) t ( i I ) t (

c C C

b B B

0 0

I I

⎩⎨

⎧

+

= +

=

) t ( v V ) t (

ce CE CE

be BE BE

0 0

V V

Où

i

b

(t), i

c

(t), v

be

(t)

et

v

ce

(t)

représentent de petites variations autours des courants et des tensions continues IB0, IC0, VBE0 et VCE0 correspondants au point du repos.

Supposons que le générateur V_e(t) induit une faible variation sinusoïdale de

i

_b

( t )

=

i

_bm

sin( ω t )

.

♦ Caractéristique d'entrée

Le point de repos P"0 va se déplacer entre P"1 et P"2 (sur la partie linéaire de la caractéristique d'entrée pour simplifier le raisonnement –figure 3-):

⎪⎩

⎪⎨

⎧

−

= +

=

bm B B

i I

0 0

I : P

"

2

"

1

♦ Caractéristique de transfert en courant

A la suite, le point de repos P'0 se déplace entre P'1 et P'2 –figure 3-. Comme la caractéristique est linéaire )

t ( )

t

( _B

C I

I ≈β , on en déduit:

) t sin(

i

) t sin(

i ) t ( i

cm bm c

ω ω β

=

≈

Et

⎪⎩

⎪⎨

⎧

−

= +

=

cm C C

i I

0 0

I : P

2' 1'

(2)

♦ Caractéristique de sortie

On a VCE=-RC IC+VCC →VCE0+vce(t) = -RC(IC0+ic(t) )+VCC et donc vce(t)=-RC ic(t)

Le déplacement de P'0 induit donc le déplacement du point de repos P0 sur la droite de charge entre les points P1 et P2 :

⎪⎩

⎪⎨

⎧

+

=

−

=

cemax CE

CE

cemax CE

CE

v V V : P

2 1

0 0

Ainsi, le montage amplificateur (à transistor) est constitué à priori de deux circuits indépendants:

•

un circuit de base dans lequel le courant injecté est à faible niveau

i

b(

t

);

•

un circuit collecteur parcouru par un courant à fort niveau ic(t).

Le gain en courant est donné par : = =

β ) (

) (

t i

t A i

b i c

Le gain en tension est donné par :

) (

t v

t A v

be v = ce

En ne s'intéressant qu'aux petites variations, on montre facilement que

v

ce

(t)=-R

c

i

c

(t) (figure 4)

Figure 4

D'autre part on a:

v

be

(t)=r

d

i

b

(t)

(partie linéaire de la caractéristique d'entrée) avec

r

d la résistance dynamique de la jonction E-B.

On en déduit _i

d C d

v C A

r R r

A =−R β =−

En général >>1et >>1

d C

r β R

En conclusion: Le montage à base de transistor en émetteur commun permet une amplification en courant et en tension.

t

t t

t

ic(t)

ib(t)

v_ce(t) v_be(t)

IC0

Figure 3

P'1 P1

P2

P''2

P''1

P'2

V

CE

VCE0

IB0

VBE0

P0

P''0

V

BE

I

C

P'0

I

B

1 ) (

RC pente−

0 -I

Cm

i

c

v

ce

I

Cm

(3)

Remarques importantes:

♦ Le courant de sortie

i

c

(t)

et d'entrée

i

b

(t)

sont en phase :

i

_c

( t )

=

β i

_b

( t )

.

♦ La tension d'entrée

v

be

(t)

et de sortie

v

ce

(t)

sont en opposition de phase : )

t ( r v ) R t (

v _be

d

ce =−β C .

♦ L'amplification d'un petit signal alternatif à la base se fait sans distorsion au niveau du collecteur lorsque le point de repos est situé au milieu de la droite de charge statique. C'est à dire

0 CC 2

CE V

V ≈ .

1.2 Commande d'un transistor- Commande en courant et en tension

Supposons que le générateur d'entrée a une impédance interne négligeable. Le signal fournie est sinusoïdal: V_e(t)=V_msin(ωt).

Analysons uniquement les composantes alternatives du courant et de la tension. On a-figure 5-:

v

be

(t)

≈

r

d

i

b

(t)

(partie linéaire de la caractéristique d'entrée).

V

e

(t) R

≈ B

i

b

(t)+ v

be

(t) = (R

B

+r

d

) i

b

(t)

D'où V (t)

r R ) r t (

v _e

d B be ≈ d+

v

be

(t) R

B

V

e

(t)

r

d

♦ 1^er cas: RB<<rd (commande en tension) )

t ( V ) t (

v_be ≈ _e .

v

be

(t)

est sinusoïdale (même forme que

V

e

(t). Par contre, i

b

(t)

n'est pas forcement sinusoïdale.

En effet, si on s'approche du coude,

v

be

(t)

est bien sinusoïdale alors que

i

b

(t)

est déformé.(figure 6)

Figure 5

i

b

(t) V

BE

P"2

P"1

P"0

Figure 6

v

be

(t) I

B

Conséquence:

La déformation de

i

b

(t)

entraîne la déformation de

i

c

(t)

donc de tension de sortie au niveau collecteur!!.

La commande en tension du transistor (RBtrès faible) est rarement utilisée.

♦ 2^ème cas: RB>>rd (commande en courant)

B e d B

b e

R

t V r R

t t V

i ( ) ( )

)

(

≈

= +

i

b

(t)

est sinusoïdal (même forme que

V

e

(t)).

v

be

(t)

n'est pas forcement sinusoïdale (déformée au niveau du coude), mais ceci n'a aucune influence sur le signal de sortie au niveau du collecteur

v

ce

(t)

car

i

b

(t)

n'est pas déformé.

Conclusion:

La commande en courant (R_Btrès grand ) entraîne un minimum de distorsion de signaux de sortie.