LE TRANSISTOR

Chapitre 4

FICHE DU QUATRIEME CHAPITRE

Titre :

LE TRANSISTOR BIPOLAIREObjectif :

Comprendre les Rappeler le fonctionnement des transistors bipolaires.

Expliquer le fonctionnement des circuits transistors.

Pr-requis :

Semi-conducteurs

Lois et thormes gnraux de l'lectronique.

Classes :

Niveau 1 des I.S.E.T.

Elments de contenu :

Transistor jonction :

NPN

PNP

Rgime de fonctionnement

Circuits de polarisation

Transistor en commutation Transistor en rgime variableLE TRANSISTOR BIPOLAIRE

A- Fonctionnement en rgime statique

1- Introduction

Le transistor est un composant lectronique fabriqu pour la premire fois en 1954. L'influence de son apparition a t norme sur l'industrie lectronique et a conduit toutes les inventions depuis les circuits intgrs jusqu'aux microprocesseurs.

2- Structure interne d'un transistor

Le transistor est constitu par un cristal semi-conducteur (germanium ou silicium) comportant trois zones dopes diffremment de faon former :

( Soit deux zones N spares par une zone P : c'est le transistor NPN.

( Soit deux zones P spares par une zone N : c'est le transistor PNP.

Le transistor prsente donc deux jonctions PN. Pour qu'il puisse fonctionner il faut que :

( La zone intermdiaire soit trs mince : on l'appelle la base.

( L'une des deux zones extrmes soit fortement dopes : on l'appelle l'metteur.

( L'autre zone extrme soit faiblement dope : on l'appelle le collecteur.

Type Structure Symbole

NPN

PNP

Figure 4.1 Structure interne et symboles.La flche sur l'metteur indique le sens du courant et permet aussi de reconnatre le type du transistor. Elle est oriente de la rgion P vers la rgion N.

3- Diffrents montages d'un transistor

Pour tudier le fonctionnement d'un transistor, il faut choisir un circuit d'entre (deux bornes entre les quelles on applique le signal d'entre) et un circuit de sortie (deux bornes entre les quelles on reoit le signal de sortie).

Puisque le transistor comporte trois bornes, une de ces bornes doit tre commune l'entre et la sortie. On peut donc monter le transistor de trois manires diffrentes. Pour un transistor NPN on a les montages suivants :

Emetteur commun

Base commune

Collecteur commun

Figure 4.2 Diffrents montages dun transistor.

4- Conventions et notations

Figure 4.3 Conventions et notations.

On a donc :

VCE = VCB + VBE et IE = IC + IB5- Effet transistor

Le transistor est fait pour fonctionner avec une source d'alimentation (Vcc) branche entre metteur et collecteur dans un sens tel que sa jonction collecteur-base soit polarise en inverse et une source dite de polarisation (VBB) alimente le diple base-metteur.

Figure 4.4 Effet transistor.

5.1- Transistor bloqu

Si la jonction base-metteur est bloque (ouverte ou polarise en inverse ou VBB < seuil) alors aucun courant ne peut traverser le transistor entre son collecteur et son metteur. Il est dit bloqu.

5.2- Transistor passant

Lorsque le gnrateur de polarisation VBB applique sur le diple base-metteur une tension directe suprieure au seuil, un courant va pouvoir la traverser. Ce courant not IB est appel courant de base.

On constate alors qu'un courant beaucoup plus important circule entre collecteur et metteur. Ce courant not Ic est appel courant de collecteur.

Le courant de collecteur traverse la jonction collecteur-base dans le sens inverse : c'est l'effet transistor.On peut crire :IC = ICE0 + (IBIC : courant de collecteur.

IB : courant de base.

ICE0 : courant de fuite (trs faible).

( : amplification de courant (10 ( ( ( 1000).

6- Caractristiques d'un transistor

Soit le schma suivant :

( Le circuit d'entre comporte les grandeurs (variables) VBE et IB.

( Le circuit de sortie comporte les grandeurs (variables) VCE et IC.

Figure 4.5 Montage en metteur commun.

Le rseau de caractristiques est l'ensemble des courbes traduisant les relations entre les quatre grandeurs VBE, IB, VCE et IC.

Figure 4.6 Rseau de caractristiques.

6.1- Rseau d'entre

La caractristique d'entre est la courbe VBE = f(IB) lorsque VCE est maintenue constante. Elle est analogue celle d'une diode jonction.

L'ensemble des caractristiques d'entre obtenues pour diffrentes valeurs de VCE forme le rseau d'entre.

Ces caractristiques sont pratiquement confondues.

- Schma quivalent du diple base-metteur

(r est la rsistance d'entre (de base). Elle vaut de 500 ( 1 K(.

r = (VBE/(IBVBE0 est le seuil de la jonction base-metteur.

Figure 4.7 Schma quivalent en base commune.

6.2- Rseau de sortie

La caractristique de sortie est la courbe IC = f(VCE) lorsque IB est maintenu constant.

L'ensemble des caractristiques de sortie obtenues pour diffrentes valeurs de Ia forme le rseau de sortie.

- Schma quivalent du diple collecteur-metteur

(

Figure 4.8 Schma quivalent collecteur commun.6.3- Rseau de transfert en courant

- La caractristique de transfert en courant est la courbe IC = f(IB) lorsque VCE est maintenue constante.

( = (IC/(IB ; (S = IC/IB ; si la courbe est une droite : ( = (s.

7- Valeurs limites d'un transistor

Ces limites sont indiques par les fabricants. Elles sont :

ICmax pour le courant collecteur.

VCEmax pour la tension collecteur-metteur.

Pmax pour la puissance dissipe totale.

Ces valeurs, reportes sur le rseau de sortie, dlimitent une zone de la quelle le point de fonctionnement (de repos) ne doit pas sortir pour ne pas dtruire le transistor.

Figure 4.9 Limites de fonctionnement dun transistor. 8- Droite de charge statique

La loi des mailles applique au circuit de sortie donne :

VCC = RCIC + VCEIC = - VCE/RC + VCC/RCC'est l'quation d'une droite de pente -1/Rc. Elle est appele droite de charge.

Figure 4.10 Droite de charge.

9- Transistor interrupteur

La faon la plus simple d'utiliser un transistor est en mode interrupteur. Un tel transistor fonctionne au point de saturation et au point de blocage uniquement.

( Un transistor satur se comporte comme un interrupteur ferm du collecteur l'metteur.

( Un transistor bloqu se comporte comme un interrupteur ouvert.Figure 4.11 Fonctionnement en commutation.

10- transistor source de courant

VBB = VBE + RCIE

= constante

(VBB : cste , VBE : cste ; RE : cste)

Le transistor fonctionne en source de courant.

Figure 4.12 Transistor en source de courant.B - fonctionnement en rgime variable

1- Introduction

Le signal disponible la sortie d'un capteur est en gnral de faible puissance. Il est donc ncessaire de l'amplifier avant de le transfrer au circuit d'utilisation (charge).

Figure 4.13 Structure en rgime variable.Un amplificateur est dispositif linaire qui augmente l'amplitude d'un signal. Le principe consiste appliquer un petit signal alternatif l'entre d'un transistor et recueillir un plus grand signal alternatif de mme frquence.

Avant d'appliquer un signal alternatif un transistor, il faut dterminer un point Q de fonctionnement prs du point milieu de la droite de charge statique. Le signal alternatif d'entre produit des fluctuations autour de ce point.

Figure 4.14 Point de fonctionnement.Pour que le dispositif reste linaire, les fluctuations du courant et de la tension ne doivent pas saturer le transistor ni le bloquer.

2- Influence de la position du point de repos

Figure 4.15 -Point au milieu de la droite de charge.crtage infrieur

Figure 4.16 -Point dcal vers la saturation.crtage suprieur

Figure 4.17 -Point dcal vers le blocage.On constate que lorsque le point de repos est choisi au milieu de la droite de charge l'amplitude du signal alternatif de sortie peut atteindre la moiti de la tension d'alimentation sans risque d'crtage.

3- Mthode dtude d'un circuit amplificateur

Figure 4.18 Structure gnrale.Dans un amplificateur transistor, la source continue tablit les courants et tensions de repos (fixe le point de repos sur la droite de charge). La source alternative fait fluctuer ces courants et tensions.

La faon la plus simple d'analyser un amplificateur consiste diviser l'analyse en deux parties :

Une analyse en continue : annuler la source alternative et ouvrir tous les condensateurs ( le circuit qui reste est le circuit quivalent en continu.

Une analyse en alternatif : annuler la source continue et court-circuiter tous les condensateurs ( le circuit qui reste est le circuit quivalent en alternatif.

4- Analyse de quelques montages

4.1- Premier montage

On dsire avoir un courant continu maximum de collecteur de 12 mA avec (=100.

Figure 4.19 Exemple pour (=100 .

4.1.1- Etude en continu

( Schma quivalent

Icmax = 12mA , (= 100 ;

Icmax = VCC/RCRC = VCC/ Icmax = 1 K(Figure 4.20 Schma quivalent ((=100)

IB = (12 - VBE)/RB ; IBmax = 1/( Icmax = 12.10-3/100 = 120 A

RB = (12 - 0,7)/120.10-6 = 11,3/120.10-6 = 95 k(4.1.2- Etude en alternatif

(

Figure 4.21 Etude enalternatif.ve = rib ; vs = - Rcic

4.1.3- Influence de la temprature, de ( et de re :

( Influence de (

Pratiquement

( 4,16 ( ( re ( 8,32 (

( 416 ( ( r ( 832 (

Do ( 120 ( AV ( 240

Donc ce montage prsente un gain instable. Il n'est pas commercialisable.

Pour calculer les lments de ce circuit on a utilis le facteur(. Alors, si on remplace le transistor, mme s'il est identique au prcdent ( peut tre diffrent. Les conditions de fonctionnement du montage seront donc modifies.

( Influence de la temprature

Si T ( alors IC = ((IB + ICB0)( donc le point de fonctionnement change de position, ce qui provoque l'crtage du signal de sortie.Figure 4.22 Influence de la temprature.

4.2 - Deuxime montage : Stabilisation thermique par rsistance d'metteur.

Figure 4.23 Stabilisation par RE.( Effet de la rsistance RE :

Si T ( ICB0( IC= ((IB + ICB0)( VB( ( VRB ( ( IB ( d'o IC (Donc la rsistance RE permet de stabiliser le point de repos lorsque la temprature augmente.

( Calcul de RE : On se fixe en pourcentage de tension d'alimentation VCC appliquer RE (soit par exemple 10%) donc VRE = 12 V.

Pour avoir le mme point de fonctionnement Q (6V , 6mA), RE doit tre gale 1,2/6.10-3, soit RE = 200 (.

( Calcul de la nouvelle valeur de RB :

Il suffit d'utiliser une rsistance fixe de 100 K( en srie avec une rsistance ajustable de mme valeur.

( Calcul du gain en tension AV :

3,84 ( AV ( 3,92

Le gain est stable mais il est faible. Il faut donc l'amliorer.

4.3 - Troisime montage : Amlioration du gain en tension

Pour augmenter le gain en tension prcdent tout en assurant la stabilit thermique, on limine une partie de la rsistance RE en AC par insertion d'un condensateur comme l'indique la figure suivante :

Figure 4.24 Amlioration du gain en tension. En DC le condensateur C3 n'intervient pas. Les rsistances RE1 et RE2 (RE1 + RE2 = 200() participent la stabilisation thermique.

En AC RE1 sera limine par le condensateur C3 (dcouplage). Donc l'expression du gain devient : ( AV (( Calcul de RE1 et RE2 : La rsistance re varie de 4,16 ( 8,32 ( ( (re = 4,16(. Pour stabiliser le gain on doit avoir :

RE1 >> (re ( RE1 ( 10 x (re = 10 x 4,16 = 41,6 (

RE1 ( 41,6 (On prend alors RE1 = 41,6 ( et RE2 = 200 - 41,6 = 158,4 (.

Donc RE1 ( 42 ( et RE2 ( 158 (( Calcul du gain :

15,9 ( AV ( 17,33

Ce dernier montage permet d'avoir un gain stable et de valeur acceptable, mais il est encore sensible (. Pour remdier cet inconvnient on modifie le montage de manire obtenir une tension constante la base du transistor.

4.4 - Elimination de l'influence de ( :

Une tension de base constante peut tre obtenue :

( Soit par utilisation d'une source supplmentaire

Figure 4.25 Elimination de l'influence de( (source supplmentaire).Cette solution est efficace mais elle n'est pas conomique.

( Soit par utilisation d'un pont diviseur de tension.

Figure 4.26 Elimination de l'influence de( (pont diviseur de tension).On peut obtenir une tension de base constante si le courant dans les rsistances R1 et R2 est trs suprieur celui dans la base. On calcule les valeurs de R1 et R2 de la condition I = 10 IB.

Alors

IB = 60 A ( I = 600 A ; VB = 0,7 + 1,2 = 1,9 V

d'o VR2 = R2 x I = VB (RC = 1,9/600 A = 3,2 K( ; R1 = 16,8 k(5 - Modle en alternatif d'un tage metteur commun

Pour pouvoir analyser un amplificateur plusieurs tages, nous avons besoin d'un circuit simple en courant alternatif d'un tage. Pour obtenir un tel modle il faut calculer l'impdance d'entre et l'impdance de sortie.

5.1 - Impdance d'entre

La source alternative qui attaque un amplificateur doit lui fournir un courant alternatif. Plus ce courant est faible, plus l'amplificateur est meilleur.

L'impdance d'entre d'un amplificateur dtermine le courant que celui-ci tire de la source alternative.

Par dfinition l'impdance en courant alternatif d'entre est :

EMBED Equation.2 Exemple :

(

Figure 4.27- Modle quivalent.Ze = (R1 (( R2 // (re)

5.2- Impdance de sortie

Le circuit de sortie peut tre reprsent par le modle de Thvenin ci-contre :

L'impdance de sortie est l'impdance vue sortie ouverte.Figure 4.28 Impdance de sortie

D'o le modle alternatif d'un tage amplificateur en metteur commun :

Figure 4.29 Modle quivalent en metteur commun.

PAGE 50Cours Electronique/M. Ben AMMAR ISET de Sfax

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