Transistor NPN

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 grandeurs continues données avec leurs signes respectifs (>0 ou <0) pour un fonctionnement normal

Présentation générale

N

N P C

E B

I_C > 0 I_B > 0

V_BE > 0

V_CE > 0 B

C

E I_B > 0

I_E > 0 I_C > 0

V_BE > 0

V_CE > 0

P

P N C

E B

I_C < 0 I_B < 0

V_BE < 0

V_CE < 0 B

C

E I_B < 0

I_C < 0

I_E < 0 V_BE < 0

V_CE < 0

Fonctionnement du transistor – Effet amplificateur de 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 ₊^- P ₊^- N

- +

E C B

N ₊^- P ₊^- N

- +

• 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 la base. La base est faiblement dopée et très mince donc très peu d’électrons se recombinent avec des trous. Le courant de base est très faible.

Jonction collecteur polarisée en inverse - Le champ externe est dans le même sens que le champ interne .

Les électrons qui n’ont pas été recombinés avec les trous au niveau de la base peuvent passer dans le collecteur

Fonctionnement du transistor – Effet amplificateur de courant

Jonction émetteur

Jonction collecteur

Polarisation du transistor NPN

Polarisation base commune

Polarisation émetteur commun

E C

B

N P N

V_BE > 0 V_CB > 0

E C

B

N P N

V_BE > 0

V_CE > 0

Avec V

> V

car V

= V

– V

> 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 tensions V_BE, V_CE, _VCB

Mais et

4 relations indépendantes sont nécessaires pour le caractériser

I_C

I_B

V_CE

V_BE

I_B= cste V_CE= cste

V_CE= cste

Polarisation du transistor – Droites de charge statiques

Objectif de la polarisation : Fixer les valeurs des tensions V

, V

et des courants I

, I

pour imposer la localisation des points de fonctionnement dans le réseau

Droite de charge statique de sortie ∆ :

tracé dans le réseau de caractéristique statique I_C = f(V_CE)

Droite de charge statique d’entrée∆’ :

tracé dans le réseau de caractéristique statique I_B = f(V_BE)

I_B

I_E I_C

V_BE

V_CE R_C R_B

E > 0

Exemple : polarisation directe de la base et du collecteur par deux résistances R_B et R_C

Le point de fonctionnement Q dans le réseau d’entrée I

= g(V

) est situé à l’intersection de la droite de charge ∆ ’ et de la caractéristique

Le point de fonctionnement P dans le réseau de sortie I

= f(V

) est situé à l’intersection de la droite de charge ∆ et d’une caractéristique I

= cste

Polarisation du transistor – Point de fonctionnement

I_C

I_B

V_CE

V_BE

E/R_B

Q V_BE0

I_B0

P I_B0

I_C0

V_CE0

Droite de charge statique d’entrée ∆∆∆∆’

E/R_C

E

Droite de charge statique de sortie ∆∆∆∆

Transistor bloqué – transistor saturé

La partie de la droite de charge statique située entre les points de blocage et de saturation définit la zone active

!"#$

% %

Au point de saturation, le transistor idéal est équivalent à un interrupteur fermé

Au point de blocage, le transistor idéal est équivalent à un interrupteur ouvert

I_C

V_CE

P I_B0

I_C0

V_CE0

E/R_C

E

Point de blocage I_B≈≈≈≈0 I_C≈≈≈≈0

Point de saturation V_CE= V_CEsat I_C≈≈≈≈E/R_C

V_CEsat

Autres exemples de circuits de polarisation

R_C R₁

E > 0

R_E R₂

Diviseur de courant

R_C R_B

E > 0

Contre-réaction au collecteur

R_C

R_E R_B

V_CC

V_EE

Polarisation d’émetteur

Amplificateur élémentaire à transistor bipolaire

• Montage émetteur commun

Lorsque 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

R_C R_B

E > 0

R_g

C₁

C₂

R_L 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

I_B

I_E I_C

V_BE

V_CE R_C R_B

E > 0

Les circuits de polarisations fixent les

valeurs des tensions V

, V

et des courants

I

, I

(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

R_C

R_B R_g

R_L B

C

E i₁

i_C i₂

v_CE

) *

,. +_-

/

Analyse du circuit : tension composite de sortie

• La tension de sortie est donc un signal composite, somme de la composante continue

et de la composante alternative )

1 )

• La droite de charge dynamique ∆∆∆∆ ’’ est la droite passant par le point de fonctionnement P dans le réseau (I

, V

) et de pente

+_, 33 +_-

*

,+_-

I_C

V_CE

P I_B0

I_C0

V_CE0

E/R_C

E

∆ :

∆ : ∆ :

∆ : droite de charge statique

∆∆∆∆’’ : droite de charge dynamique

Zone de fonctionnement de l’amplificateur

I_C

V_CE

P I_B0

I_C0

V_CE0

∆∆∆∆’’ : droite de charge dynamique

v_CE

t

I_C

V_CE

P I_B0

I_C0

V_CE0

∆∆∆∆’’ : droite de charge dynamique

v_CE

t Fonctionnement non linéaire

Signal écrêté

Fonctionnement linéaire

Schéma électrique sinusoïdal basses fréquences du transistor en fonctionnement linéaire

• Le transistor peut être considéré comme un quadripôle

• Pour des raisons liées à la mesure, le quadripôle est décrit en utilisant les paramètres hybrides

45 6

6

5

6

6

5 avec 9 9

5 9 5 9

Ces grandeurs représentent de petites variations autour du point de fonctionnement

i_B

i_C

v_BE

v_CE

i_B

v_BE

i_C

v_CE

Détermination graphique des paramètres h _ij autour du point de fonctionnement

:₂₂ ^;<_;?^=>

= @

;<_->A0

=

;?₌ @

<_->B résistance différentielle de la diode d’entrée = pente

de la caractéristique I_B = f(V_BE) :_2C ^;<_;<^=>

->@

;?₌A0

=

;<_->@

?_=B gain en tension ≈0

:_C2 ^;?_;?^-

=@

;<_->A0

=

;?₌@

<_->B gain en courant = pente de la caractéristique I_C = g(I_B)

:_{CC ;<}^;?-

->@

;?₌A0

=

;<_->@

?_=B admittance = pente de la caractéristique I_C = h(V_CE) I_C

I_B

V_CE

V_BE

E/R_B

Q V_BE0

I_B0

P I_B0

I_C0

V_CE0

∆∆∆∆’

E/R_C

E

∆∆∆∆

• Schéma équivalent général

• Schéma équivalent simplifié :

0 et ρ

GG

→ ∞

Schéma électrique équivalent alternatif BF

i_B

v_BE

i_C

v_CE h₁₁

h₁₂ v_CE h₂₁ i_B 1 / h₂₂

i_B

v_BE

i_C

v_CE

h₁₁ h₂₁ i_B

!

Caractéristiques électriques de l’amplificateur en fonctionnement alternatif

R_C

R_B R_g

R_L B

C

E i₁

i_C i₂

v_CE v_BE

i_B

v₁

v₂

i_B

v_BE

i_C

v_CE h₁₁ ββββⁱB

R_g

C B

R_B v₁

E i₁

R_C

R_L v₂

i₂

Schéma électrique de l’amplificateur

Gain en tension G

J *K 6

Gain en courant G

J *K 6

Résistance d’entrée R

6

6

Résistance de sortie R

&

• Définitions

Gain en puissance J

*

8N _{7 ∗7}

P' &&# " Q!'( à # "6#($

P' &&# " (# S# & T'#S( Mô

Gain transducique

J

*

$ 8 W $

P' &&# " Q!'( à # "6#($

P' &&# " S &M! S # &!'("

Gains en puissance d’un quadripôle

v

(t) v

(t)

i

(t) i

(t)

Z

e

(t) Quadripôle Z

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 transistor

Remarque : Les constructeurs ne donnent jamais les valeurs de ces éléments

i_B

v_BE

i_C

v_CE R_BB’

g_mv_B’E R_CE

B B’

R_B’E

C_B’E v_B’E

R_B’C C_B’C

C

E

Fin