Electronique 1
Composants a semi conducteurs : Transistor bipolaire
1 Structure d’un transistor bipolaire
– Constitue de 2 Jonctions PN– 2 types de transistors : PNP et NPN– Base : peu dopee, tres mince, quelques µm
– Emetteur : Fortement dope– Collecteur
Transistor NPN :
Transistor PNP :
B : BaseE : EmetteurC : Collecteur
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2 Fonctionnement du transistor, cas du NPN
Plusieurs cas en fonction de l’etat des Jonctions : JBE , JBC
2.1 JBE, polarise en direct
Releves caracteristiques :
JBC est en inverse
JBE en direct ⇒ IB = ISB(eVbeUT − 1) ≈ ISBe
VbeUT
Comme le collecteur est fortement dope, les electrons ont tendance a traverser vers la Base et traversent laBase.
⇒ Un courant IC apparaıt IC = ISC(eVbeUT − 1) ≈ ISCe
VbeUT
⇒ L’effet transistor :IC
IB=
ISCeVbeUT
ISBeVbeUT
=ISC
ISB
= β
On choisit β >> 1 ⇒ IC qui est un courant commande par IB
On diminue EC jusqu’a avoir JBC polarise en directe
⇒ VCE est faible
⇒ IC
IB< β ⇒ Le transistor est sature
2.2 JBE polarise en inverse
Les deux Jonctions sont bloquees ⇒ IB = 0 et IC = 0
Le transistor est bloque.
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2.3 Caracteristiques
zone de conduction
bloqué
VBE
IB
IB 2
IC
IC 2
VCE
IC 1
= IB 1
IC 2
= IB 2
zone de saturation
Equations caracteristiques du transistor ideal :
I
IVCE
C
B
En conduction : IC = βIB
JBE : Jonction en directe :IB = ISG(e
VbeUT − 1)
I C
I E
I B
⇒ IE = IC + IB
IE = (β + 1)IB
Remarque
Comme β >> 1 on peut faire l’approximation IE ≈ IC
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Si VCE est faible ⇒ tension de saturation VCE < VCESAT ⇒ saturation ⇒ IC < βIB
Transistor bloque :IC = 0
I CC E
En pratique, IC croıt avec VCE :
VCE
I C
VCE SAT
Pente de β presque constante :
I C
I B
On peut tracer la droite de charge
R c
E c
I c
VCE + RCIC = EC ⇒ IC =EC − VCE
RC(droite de charge)
Dans la zone lineaire : IC 6= βIB
⇒ on a IC = βIB +VCE
ρρ : pente de la courbe IC(VCE) en zone lineaire.
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Que vaut la valeur de cette pente ρ ?
Dans le plan IC(VCB(= VCE − VBE)), les droites se rejoignent a −VA
VA : tension de EARLY
2.4 Conclusion
Le courant de sortie est commande par un courant. Le courant de sortie IC depend peu de la tension desortie VCE .
Vue de l’entree (Vbe, IB), c’est une diode
3 zones : Bloque, lineaire (zone active), sature
En pratique, 20 < β < 2000 : Il y a une tres forte dispersion du β
3 Cas du transistor PNP
C’est la meme chose en valeur absolue.
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Caracteristiques :
IC = βIB
IB = −IBS(e−VbEUT − 1)
IC = βIB +VCE
ρ
4 Parametres sensibles aux variations de temperature
Pour une jonction polarisee en direct, on a toujours∆VBE
∆θ≈ −2, 2mV/ C
⇒ β augmente avec la temperature
5 Applications du transistor
Le transistor peut fonctionner en interrupteur commande
Transistor en commutation :
Releves :
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On utilise les zones de saturation et de blocage.
E
VV
R B
e
s
si Ve = 0 ⇒ Vbe = 0⇒ IB = 0 et IC = 0
=EVs
=EVs
Pour que le transistor soit sature,
I b
I c
E
E/RC
On veut IC < βIB avec ICmax =E
R⇒ IB >
E
RCβ
E
R c
⇒ IB ⇒ choix de RB
Avec IB =Ve − VBE
RB⇒ RB =
Ve − 0, 7E
RCβ
On remarque que :
Vc Vs
0 EE ≈ 0
C’est un inverseur
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RemarqueTransistor a collecteur ouvert :
Q
VCC
: Niveau 1
6 Exercice
1ere Application : Realisation de fonctions logiques
E
VCC
1 E2
S
E1 E2 S0 0 Vcc
0 Vcc ≈ 0Vcc 0 ≈ 0Vcc Vcc ≈ 0
NOR logique
En dynamique, il y a un temps ton
ton = tdelay (mise en conduction de la jonction et de l’etablissement de IC
Sur le front descendant on a :tstockage + tretard
⇒ limitation en frequence.
2eme Application : l’amplification en classe A
Classe A = polarisation du composant dans la zone active (zone lineaire)
6.1 But de l’amplification
Obtenir un signal d’amplitude superieure a celle d’entree
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6.2 Principe de l’amplification
VCE1 = VCE0 −∆VC
VBE1 = VBE0 + ∆VB
Il y a amplification si ∆VC > ∆VB
On a une amplification + une inversion car ∆VCE decroıt lorsque ∆Vbe croıt.
Il faut avoir des faibles amplitudes pour que ib reste une fonction lineaire de vbe et que le transistor restedans sa zone active
6.3 Determination du modele petits signaux
On cherche un modele valable uniquement pour les variations
i
iv CE
C
B
v BE
Vce = Vce0 + vce IC = Ic0 + ic Vbe = Vbe0 + vbe Ib = Ib0 + ib
Vbe0, Ib0, Vce0, Ic0 : polarisation vce, ic, vbe, (i)b : variation
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Modele vu de l’entree :
L’entree est une jonction PN
IB = IBseVbeUT
On cherche∂IB
∂Vbe
∣∣∣∣P0
=IBS
UTe
VbeUT
⇒ ib =∂Ib
∂Vb
∣∣∣∣P0
vbe =IBS
UTe
VbeUT
∣∣∣∣P0
vbe =Ib0
UTvbe
ib =βIb0
βUTvbe
⇒ vbe
ib=
βUT
Ic0
avec UT ≈ 26mV
On fait l’approximation que ibrb depend de la polarisation (Ic0)
vbe
ib=
β
40Ic0
D’ou :
v ber b
Vue de la sortie :
VC
I C
I C
VC 0
0
Ic = βIb +VCE
ρ
ic =∂Ic
∂Ib
∣∣∣∣P0
ib +∂Ic
∂VCE
∣∣∣∣P0
vCE
On a
∂Ic
∂Ib= β
∂Ic
∂VCE=
1ρ
ic = βib +vCE
ρ
⇒ Le schema equivalent devient :
i~
brb v~
cev~
be
i~
b i~
c
Valable en petites variations autour du point de fonctionnement polarise dans la zone lineaire
Les pentes sont dues a la tension de EARLY
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-V A VCB
I C
I C
VCB0
0
Ic = pente de VCB avec VCB = VCE + VEB
⇒ ∆VCB = ∆VCE −∆VBE
∆VBE est negligeable.⇒ calcul de la pente
∆Ic
∆VCB=
∆IC
∆VCE=
IC0
VA + VCB0
D’ou :1ρ
=IC0
VA + VCB0
TR de signal
rb ≈ quelques kΩrCE ≈ quelques 10kΩβ ≈ 100 a 1000
Autres notations :
Matrice hybride
vbe = rbib + 0vCE
ic = βib +1ρvCE
vbe = h11
0vCE = h12
βib = h21
1ρvCE = h22
6.4 Exemple d’application
Montage emetteur commun :
Role des composants
Cls, Cle : Condensateurs de liaison (separent les composantes continues)Rb1, Rb2 : Polarisent la baseRc : Polarise le collecteurRL : Charge
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1. Schema de polarisation
Equivaut a :
E0,7V
R b1 R b2
R b1 +R b2
E Rb2
R b1 +R b2
Pour bien polariser le transistor on veut Vbe0 ≈ 0, 7V
On a sur la sortie
VCE = E −RCIC0
⇒ IC0 =E − VCE
Rc
C’est l’equation de la droite de charge.
courbe du I b 0
I c
I c 0
VCEVCE 0
⇒ IC0 = βIb0 ⇒ choix de Rb1 , Rb2 , E et RC
2. Etude dynamique (petits signaux)
Le schema petits signaux traduit le fonctionnement du point de vue des variations. (Cle et Cls negligeablesaux frequences de travail)
I brbv~
e
i~
b
2rb 1
B
rb rCE rC rL
i~
c
VS =V CE
R
C ls
Equivaut a :
I b VSR
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On cherche le gain du montage.
ib =ve
rb; vS = −βibR
Alors vS = −βveR
rb⇒
vS
ve= −βR
rb
C’est un amplificateur inverseur
Le gain depend de :– β : du transistor– RL : la charge– Rc : composant– de la polarisation (rb, rCE)
En general rCE > RC ou RL
On peut avoir des gains en tension tres eleves (100 a 1000)
β : fortes dispersions
⇒ Le gain depend d’un parametre que l’on maıtrise mal.
3. Representation des signaux
On ne peut pas amplifier un signal continu.Du point de vue de la sortie du transistor on a :
I b rC rLv CE
i c
~rCE
R’
~
iC = − vCE
R′avec R′ =
RLRC
RL + RC
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Limitation du fonctionnement :
Signaux :
Inconvenients :
– Gain dependant de la polarisation– Gain depend de β
Remarque
Meme sans signal le transistor consomme une puissance ⇒ pertes.
7 Influence de la temperature
Montage emetteur commun :
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Evolution avec la temperature :
Lorsque la temperature augmente, β augmente ⇒ IC augmente ⇒ VB −REIC = VBE diminue.
Le transistor est constitue de jonctions
⇒ JBE polarise en direct (VBE ≈ 0, 7V )
∆VBE
∆θ= −2, 2mV. C−1; β avec la temperature.
β25 C ≈ 50β
175 C≈ 100
⇒ consequences sur l’amplification.
⇒ variation du point de fonctionnement.
8 Stabilisation du point de fonctionnement
8.1 On ajoute une resistance d’emetteur
La resistance d’emetteur stabilise en diminuant le VBE
8.2 Calcul du gain en dynamique
Montage avec condensateur de decouplage :
v b~
rb 2rb 1 rbe
I b rC
rE
i b
~
v s~
vs = −βibRc
vb = rbeib + RE(β + 1)ib
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Alors :vs
vb= − βRc
rbe + (β + 1)RE
Sans resistance RE on aurait :vs
vb= −βRc
rbe
– Le gain est plus faible si β est grand ⇒ (β + 1)RE ≈ βRE > rbe
vs
ve≈ −Rc
Re
Ne depend pas du transistor mais uniquement des resistances.
– CE court-circuite RE en HF.En continu RE existe ⇒ stabilisation du point de fonctionnement.
– Pour∣∣∣∣
1jCEω
∣∣∣∣ ¿ RE ⇒ RE court-circuite ⇒ fort gain.
Pour faire l’etude en frequence, on tient compte de CE dans les schema petits signaux.
RE → RE//CERE → RE
1 + RECEp
vs
vb= − βRc
rbe+
(β+1)RE1+RECEp
= − βRc(1 + RECEp)(β + 1)RE + rbe(1 + RECEp)
vs
vb≈ − βRC(1 + RECEp)
(βRE + rbe)(1 + RECErbepβRE+rbe
)
Contribution du condensateur Cle de liaison :
Contribution du condensateur CE de decouplage :
RE non decouple :RE decouple :
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Diagramme complet :
re est l’impedance d’entree du montage.
Montage a emetteur commun :
Proprietes :
– Fort gain en tension (depend de Ic0)– Fort gain en courant– Resistance d’entree de l’ordre du kΩ– Resistance de sortie importante (depend de RC)
Montage a base commune :
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Proprietes :
– Faible resistance d’entree (≈ 10Ω)– Forte impedance de sortie (depend de RC)– Fort gain en tension
– Gain en courant < 1 (depend deRC
RL)
Montage collecteur commun :
Proprietes :
– Forte resistance d’entree (> 100kΩ)– Faible resistance de sortie (depend de IC0)– Gain en tension ≈ 1– Gain en courant important
E en Haute Frequence ?
Schema de Giacoletto :
Origine des composants :
– r′b : resistance du S.C. (≈ 100Ω)– r′be : resistance dynamique– C ′be : du a la charge stockee (≈ 100pF )– C ′bc : du a la jonction en inverse (≈ 3pF )
– r′bc : traduit les variations dedvce
dib(> 3MΩ)
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