bipolaire cours - projection - masson

Pascal MASSON Le transistor bipolaire -Cycle Initial Polytechnique-

Le transistor bipolaire

cole Polytechnique Universitaire de Nice Sophia-Antipolis

Cycle Initial Polytechnique 1645 route des Lucioles, 06410 BIOT

Pascal MASSON

([email protected])

Edition 2013-2014


VII. Amplification en classe B

VIII. Amplificateur oprationnel

Sommaire

I. Historique

II. Caractristiques du transistor

IV. Les fonctions logiques

V. Amplification en classe A

VI. Multivibrateur astable ABRAHAM BLOCH

III. Polarisation du transistor


I.1. Dfinition

I. Historique

Le transistor bipolaire est un composant lectronique utilis comme :

interrupteur command, amplificateur, stabilisateur de tension, modulateur

de signal


I.2. Histoire du transistor

I. Historique

1947 : John BARDEEN et Walter BRATTAIN inventent le

transistor contact (transistor) au laboratoire de physique

de la socit BELL (USA). Cette dcouverte est annonce en

juillet 1948.

Transistron 1948

1948 : Herbert MATARE et Heinrich WELKER inventent

(indpendamment de BELL) aussi le transistor contact

en juin 1948 (en France). Ce transistor sera appel le

Transistron pour le distinguer de celui de BELL.

Transistor

contact 1948

1948 : en janvier William SHOCKLEY invente le

transistor jonction (bipolaire) mais la technique de

fabrication ne sera maitrise quen 1951

Transistor

jonction 1948


I. Historique

I.2. Histoire du transistor

Les transistors remplacent les contacteurs

lectromcaniques des centraux tlphoniques et

les tubes dans les calculateurs.

1953 : premire application portative du

transistor entant que sonotone.

Sonotone

1010

1953 calculateur

(93 transistors + 550 diodes)

1954 : premire radio

transistors.

Rgency TR-1

(4 transistors)


I.3. Histoire des premiers circuits intgrs

I. Historique

1958 : Jack KILBY de Texas Instrument

prsente le premier circuit (oscillateur)

entirement intgr sur une plaque de semi-

conducteur.

1960 : production de la premire

mmoire Flip Flop par la socit

Fairchild Semiconductor.

1958 premier circuit intgr

1960 Flip Flop en circuit intgr

1965 : partir du nombre de composants par circuit

intgr fabriqu depuis 1965, Gordon MOORE

(Fairchild Semiconductor) prdit que le nombre de

composants intgrs (par unit de surface) doublera

tous les 12 mois. Cette loi est toujours vraie !



II.1. Dfinition dun transistor bipolaire

Le transistor bipolaire est cr en juxtaposant trois couches de semi-

conducteur dops N+, P puis N pour le transistor NPN (courant d un flux

dlectrons) ou dops P+, N puis P pour le transistor PNP (courant d un flux

de trous). Le niveau de dopage dcroit dun bout lautre de la structure.

Un faible courant de base, IB, permet de commander un courant de

collecteur, IC, bien plus important.

II.2. Reprsentation

m

ett

eu

r

co

lle

cte

ur

base

metteur

collecteur

base P N+

N

VBE

VCE

IC

IE

IB

Transistor NPN

metteur

collecteur

base N P+

P

VBE

VCE

IC

IE

IB

Transistor PNP


II.3. Fonctionnement du transistor NPN


P

N

B

E




P

N

B

E

Si la tension VBE est suffisante, la diode BE

(base metteur) est passante :

VBE

Courant de trous de B vers E.

Courant dlectrons de E vers B

kT

qVexp.II

kT

qVexp.II BESeSt

BES




P

N+

B

E

Si la tension VBE est suffisante, la diode BE

(base metteur) est passante :

VBE

Courant de trous de B vers E.

Courant dlectrons de E vers B

kT

qVexp.II

kT

qVexp.II BESeSt

BES

Si le nombre dlectrons dans lmetteur et

100 fois plus grand que le nombre de trous

dans la base alors ISt




P

N

B

E

C

N

On positionne prsent le collecteur dop N

VBE




P

N

B

E

C

N

VBE

VBC


La jonction BC est polarise en inverse :

augmentation du champs lectrique interne.




P

N

B

E

C

N

VBE

VBC




La longueur de la base est trs courte et les

lectrons arrivent tous au niveau de la ZCE Base-

collecteur.




P

N

B

E

C

N


VBE

VBC





collecteur.

Les lectrons sont propulss dans le collecteur

pas le champ lectrique.




P

N

B

E

C

N






collecteur.

VBE

VBC

Les lectrons sont propulss dans le collecteur

pas le champ lectrique.

Si on modifie la tension VBC (dans une certaine

limite), le champ lectrique est toujours suffisant

pour propulser tous les lectrons :

Le courant de collecteur ne dpend pas de la

tension VBC mais uniquement de VBE.




P

N

B

E

C

N IB : courant de trous de B vers E.

Le rapport, , entre les courants IC et IB dpend entre

autres des niveaux de dopage de lmetteur et de la base

ainsi que de lpaisseur de la base : IC = .IB

IE : courant de trous de B vers E + courant

dlectrons de E vers C

IC : courant dlectrons de E vers C

T

BEStB

V

Vexp.II

T

BESeC

V

Vexp.II

CBT

BESE II

V

Vexp.II

Les trois courants du transistor bipolaire sont :

)K300 mV 6.25(kT

qVT Par convenance on pose :

IC

IB

IE




P

N

B

E

C

N

Si la tension VBC augmente trop :

IC

IB

IE

Le champ lectrique base collecteur diminue




P

N

B

E

C

N

Si la tension VBC augmente trop :

IC

IB

IE

Le champ lectrique base collecteur diminue

Les lectrons ne sont plus tous propulss

dans le collecteur mais une partie sort par la

base

Le courant IC tend devenir nul

La tension VCE pour laquelle ce phnomne

apparat est note VCEsat.

On dit dans ce cas que le transistor est satur


II.3. Caractristiques IB(VBE) du transistor NPN

Pour dbloquer (rendre passant) le transistor NPN, il faut que la jonction

base-metteur soit polarise en direct avec une tension suprieure la tension

de seuil, VS, de cette diode : VBE > VS.

metteur

collecteur

base P N+

N

VBE

VCE

IC

IE

IB

La caractristique IB(VBE) est celle de la diode base-metteur en ne

considrant que le courant de trou.

VBE (V) 0

IB (A)

directe

VS

inverse

Ici le courant de trous est bien plus faible que le courant dlectrons.



metteur

collecteur

base N P+

P

VBE

VCE

IC

IE

IB

VBE (V) 0

IB (A)

directe

VS

inverse

II.3. Caractristiques IB(VBE) du transistor PNP

Pour dbloquer (rendre passant) le transistor PNP, il faut que la jonction

base-metteur soit polarise en direct avec une tension suprieure (en valeur

absolue) la tension de seuil, VS, de cette diode soit : VBE < VS.

La caractristique IB(VBE) est celle de la diode base-metteur en ne

considrant que le courant des lectrons.

Ici le courant des lectrons est bien plus faible que le courant des trous.



metteur

collecteur

base P N+

N

VBE

VCE

IC

IE

IB

VCE (V) 0

IC (A)

II.3. Caractristiques IC(VCE) du transistor NPN

Si la jonction BC est polarise en inverse, alors le courant dlectrons peut

traverser cette jonction.

IB1

IB2 > IB1

IB3

IB4

Dans ce cas le courant IC est indpendant de VCE : rgime linaire (IC = .IB)



metteur

collecteur

base P N+

N

VBE

VCE

IC

IE

IB

VCE (V) 0

IC (A)




IB1

IB2 > IB1

IB3

IB4


Si VCE = 0 alors aucun courant ne circule entre lmetteur et le collecteur



metteur

collecteur

base P N+

N

VBE

VCE

IC

IE

IB

VCE (V) 0

IC (A)




IB1

IB2 > IB1

IB3

IB4


Si VCE = 0 alors aucun courant ne circule entre lmetteur et le collecteur

Le basculement entre ces deux fonctionnements se produit la tension

VCEsat (sat pour saturation) : le courant IC nest pas proportionnel IB.

VCEsat

Linaire satur



III.1. Polarisation simple

La boucle dentre permet de dterminer la valeur de IB


VCE

IC IB

VDD

RB

EG

RC

VBE

0BSS0BBG I.RVI.RE SB

SG0B

RR

VEI

0BSS0BE I.RVV

VBE (V) 0

IB (A)

VS EG

EG/RB

IB0

VBE0

Dtermination de IB0 et IC0




VCE

IC IB

VDD

RB

EG

RC

VBE


BC I.I On considre que le transistor est en rgime linaire


EG VBE



VCE

IC IB

VDD

RB

RC

IC


On peut donc rsumer le transistor trois lments :

En entre : VS et RS (donc la diode base-metteur)

En sortie: un gnrateur de courant IC = .IB

BC I.I On considre que le transistor est en rgime linaire




VCE 0

IC

IB0

VDD

VDD/RC

VCE0

IC0

VCE

IC IB

VDD

RB

EG

RC

VBE

VCEsat


CECCDD VI.RV CCDDCE I.RVV

Il faut prsent vrifier si le transistor est rellement en rgime linaire par

le calcul de VCE

Si VCE > VCEsat alors on confirme le rgime linaire et les calculs sont exacts




VCE 0

IC

IB0

VDD

VDD/RC

VCE0

IC0

VCE

IC IB

VDD

RB

EG

RC

VBE

VCEsat


CEsat0CCDD VI.RV C

CEsatDD0C

R

VVI

Si on utilise pas la droite de charge, on impose VCE = VCEsat et on dtermine

la valeur de IC avec la boucle de sortie.

Si VCE < VCEsat le transistor est en rgime satur et lutilisation de la droite

de charge donne les vraies valeurs de IC0 et VCE0




VCE

IC IB

VDD

RB

EG

RC

VBE

VBE (V) 0

IB (A)

VS EG

EG/RB

IB0

VBE0


Il faut aussi re-dterminer la vritable valeur du courant de base.

Les lectrons qui passent de lmetteur la base ne sont pas tous propulss

au collecteur et une partie sort par la base.

Les valeurs de VS et RS sont donc diffrentes




VCE

IC IB

VDD

RB

EG

RC

VBE

VBE (V) 0

IB (A)

VS EG

Variation de RB avec RC constant

On part dune valeur de RB suffisamment grande

pour que le transistor soit en rgime linaire

VCE 0

IC

IB0

VDD

VDD/RC

VCEsat

On diminue alors RB

La droite de charge en sortie ne change pas

EG/RB




VCE

IC IB

VDD

RB

EG

RC

VBE

VBE (V) 0

IB (A)

VS EG

EG/RB




VCE 0

IC

IB0

VDD

VDD/RC

VCEsat

On diminue alors RB





VCE

IC IB

VDD

RB

EG

RC

VBE

VBE (V) 0

IB (A)

VS EG

EG/RB




VCE 0

IC IB0

VDD

VDD/RC

VCEsat

On diminue alors RB


IC0




VCE

IC IB

VDD

RB

EG

RC

VBE

VBE (V) 0

IB (A)

VS EG

EG/RB

Variation de RC avec RB constant

On part dune valeur de RC suffisamment faible


VCE 0

IC

VDD

VDD/RC

VCEsat

On augmente alors RC

La droite de charge en entre ne change pas

IB0

IB0




VCE

IC IB

VDD

RB

EG

RC

VBE

VBE (V) 0

IB (A)

VS EG

EG/RB




VCE 0

IC

VDD

VDD/RC

VCEsat


IB0


IB0




VCE

IC IB

VDD

RB

EG

RC

VBE

VBE (V) 0

IB (A)

VS EG

EG/RB




VCE 0

IC

VDD

VDD/RC

VCEsat


IB0


IC0

IB0


IB

III.2. Pont de base


RC

VDD

VBE

IP + IB

R1

R2

VCE

Les rsistances R1 et R2 forment un pont entre la base et VDD do le nom.

La dtermination de IB passe par celle de IP.

IP


III.2. Pont de base


Approche simple

On considre que IP >>> IB.

RC

VDD

VBE

IP + IB

R1

R2

VCE IP

Dans ce cas un simple pont diviseur de tension permet de connatre la valeur

de VBE et par suite la valeur de IB.

DD21

2BE V

RR

RV

IB


III.2. Pont de base


Dtermination de la valeur de IB

On rsout un systme de deux quations qui correspond l criture de deux

mailles en entre

RC

VDD

VBE

IP + IB

R1

R2

VCE IP

BSSP2BE I.RVI.RV

BS1SP1BEBP1DD IRRVI.RVII.RV

On trouve

2

1SS1

S2

1DD

B

R

R.RRR

V1R

RV

I

IB


III.2. Pont de base



On peut aussi transformer VDD, R1 et R2 en gnrateur de thvenin

RC

VDD

VBE

IP + IB

R1

R2

VCE IP

IB

Thvenin


III.2. Pont de base




RC

VDD

R1

R2

VCE

On dbranche la base du transistor pour liminer le courant IB


III.2. Pont de base




RC

VDD

R1

R2

VCE


21

21th

RR

R.RR

Pour dterminer Rth, on liminer les sources (ici VDD = 0) ce qui donne R1 // R2


III.2. Pont de base




RC

VDD

R1

R2

VCE


On dtermine alors Eth avec un pont

diviseur de tension

21

21th

RR

R.RR

DD21

2th V

RR

RE


Eth


III.2. Pont de base




RC

VDD

VCE


On dtermine alors Eth avec un pont

diviseur de tension

21

21th

RR

R.RR

DD21

2th V

RR

RE


Rth

Eth

IB

VBE Do IB :

Sth

Sth

RR

VEIB


III.1. Pont de base



On retrouve le thorme de Thvenin partir des deux mailles en entre :

RC

VDD

VBE

IP + IB

R1

R2

VCE IP

IB

P2BE I.RV

BEBP1DD VII.RV

On extrait IP de la premire quation

que lon reporte dans la deuxime

BEB12

BE1DD VI.R

R

V.RV

Qui s'crit aussi en regroupant les VBE

BE2

21B1DD V

R

RRI.RV


III.2. Pont de base



On retrouve le thorme de Thvenin partir des deux mailles en entre :

RC

VDD

VBE

IP + IB

R1

R2

VCE IP

IB

P2BE I.RV

BEBP1DD VII.RV

On extrait IP de la premire quation

que lon reporte dans la deuxime

BEB12

BE1DD VI.R

R

V.RV

Qui s'crit aussi en regroupant les VBE

BEB21

21DD

21

2 VI.RR

R.RV

RR

R

thRthE


III.3. Rsistance dmetteur


RC

VDD

VCE

La maille en entre s'crit :

CBEBSSBthth II.RI.RVI.RE

Rth

Eth

IB

VBE

RE

Dans la rsistance RE il passe le courant IE donc les courants IB et IC

BEBSSBthth I.1.RI.RVI.RE

On trouve le courant IB

ESthSth

BR.1RR

VEI

Vu de lentre, la rsistance RE est

multiplie par (1+)

En fonction de la valeur de on peut

crire :

EE R.R.1


III.3. Rsistance dmetteur


RC

VDD

VCE

Rth

Eth

IB

VBE

RE

La prsence de RE permet une rgulation thermique du transistor

En fonctionnement, le transistor chauffe cause de la circulation du courant

ce qui augmente la valeur du courant qui engendre une augmentation de la

temprature etc

En prsence de RE :

VE

T IB

VE

VBE

IB

Si la prsence de RE nest pas suffisante, il

faut ajouter un radiateur sur le transistor.


VBE VCE = VS

IC

IB

IV.1. Linverseur

La loi des mailles dans la boucle de sortie donne :


VCE (V) 0

IC (A)

R RB

R1

24 V 6 V

0 V

VE

S

E

CSCE I.R24VV

On obtient alors la droite de charge : R

V

R

24I CEC

IB4


VBE VCE = VS

IC

IB

IV.1. Linverseur


VCE (V) 0

IC (A)

R RB

R1

24 V 6 V

0 V

VE

S

E

CSCE I.R24VV


V

R

24I CEC

Si VE = 0 V : VBE est

IB4



VBE VCE = VS

IC

IB

IV.1. Linverseur


VCE (V) 0

IC (A)

R RB

R1

24 V 6 V

0 V

VE

S

E

CSCE I.R24VV


V

R

24I CEC

A

IB4

Si VE = 0 V : VBE est ngatif (transistor bloqu) et IC = 0 soit VS = 24 V

Si VE = 24 V : VBE



VBE VCE = VS

IC

IB

IV.1. Linverseur


VCE (V) 0

IC (A)

R RB

R1

24 V 6 V

0 V

VE

S

E

CSCE I.R24VV


V

R

24I CEC


A

Si VE = 24 V : VBE > 0 (transistor passant) et IB = IB4 donc VS VCEsat 0 V

B IB4



IV.1. Linverseur


VCE (V) 0

IC (A)

CSCE I.R24VV


V

R

24I CEC


A

Si VE = 24 V : VBE > 0 (transistor passant) et IB = IB4 donc VS VCEsat 0 V

B IB4



IV.1. Linverseur


VCE (V) 0

IC (A)

CSCE I.R24VV


V

R

24I CEC

A

B IB4

VS (V)

VE (V)

24

VCEsat

24

A

B

IB1

IB2 > IB1

IB3

On trace maintenant la caractristique VS(VE) de linverseur.



IV.1. Linverseur


VCE (V) 0

IC (A)

CSCE I.R24VV


V

R

24I CEC

A

B IB4

VS (V)

VE (V)

24

VCEsat

24

A

B

Dblocage

IB1

IB2 > IB1

IB3




IV.1. Linverseur


VCE (V) 0

IC (A)

CSCE I.R24VV


V

R

24I CEC

A

B IB4

VS (V)

VE (V)

24

VCEsat

24

A

B

Dblocage

IB1

IB2 > IB1

IB3 IB = IB1




IV.1. Linverseur

La loi des mailles dans la boucle de sortie donne : CSCE I.R24VV


V

R

24I CEC

VS (V)

VE (V)

24

VCEsat

24

A

B

Dblocage

IB = IB1

IB = IB2

IB = IB3


VCE (V) 0

IC (A)

A

B IB4

IB1

IB2 > IB1

IB3



IV.1. Linverseur


VCE (V) 0

IC (A)

CSCE I.R24VV


V

R

24I CEC

A

B IB4

VS (V)

VE (V)

24

VCEsat

24

A

B

Dblocage

IB1

IB2 > IB1

IB3 IB = IB1

IB = IB2

IB = IB3




IV.1. Linverseur

VS (V)

VE (V)

24

VCEsat

24

En pratique on dfinit un gabarit pour linverseur

Table de vrit et symbole logique :

S E

0

0

1

1

S = E E



IV.2. La fonction NI (NON-OU, NOR)

Schma lectrique dune porte NI :

Table de vrit et symbole logique : S E1

0

0

1

1

E2

0

0

0

1

1

1

0

0

S = E1+E2 E1 E2

E1

E2

VBE VCE = VS

IC

IB

R RB

R1

24 V 6 V

0 V

S

R2



III.3. La fonction mmoire deux portes NI

Schma logique le la mmoire : Table de vrit :

Le but est de stocker linformation 1 ou 0.

Set Q Reset

Q

Chronogramme :

Set 0

Q 0

Q 1

Reset 0

0

1 t

Set

0

1 t

Reset

0

1 t

Q

0

1 t

Q

0 1

0 0



IV.3. La fonction mmoire deux portes NI



Set Q Reset

Q

Chronogramme :

Set 0

Q 0

Q 1

Reset 0

0

1 t

Set

0

1 t

Reset

0

1 t

Q

0

1 t

Q

1 1

0 0 1 0





Set Q Reset

Q

Chronogramme :

Set 0

Q 0

Q 1

Reset 0

0

1 t

Set

0

1 t

Reset

0

1 t

Q

0

1 t

Q

1 0

0 0 1 0 0






Set Q Reset

Q

Chronogramme :

Set 0

Q 0

Q 1

Reset 0

0

1 t

Set

0

1 t

Reset

0

1 t

Q

0

1 t

Q

1 0

0 1 1 0 0 1






Set Q Reset

Q

Chronogramme :

Set 0

Q 0

Q 1

Reset 0

0

1 t

Set

0

1 t

Reset

0

1 t

Q

0

1 t

Q

0 0

0 1 1 0 0 1 0 0 0






Set Q Reset

Q

Chronogramme :

Set 0

Q 0

Q 1

Reset 0

0

1 t

Set

0

1 t

Reset

0

1 t

Q

0

1 t

Q

0 0

0 1 1 0 0 1 0 0 0 1






Set Q Reset

Q

Chronogramme :

Set 0

Q 0

Q 1

Reset 0

0

1 t

Set

0

1 t

Reset

0

1 t

Q

0

1 t

Q

0 0

1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1






Set Q Reset

Q

Chronogramme :

Set 0

Q 0

Q 1

Reset 0

0

1 t

Set

0

1 t

Reset

0

1 t

Q

0

1 t

Q

0 0

1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0






Set Q Reset

Q

Chronogramme :

Set 0

Q 0

Q 1

Reset 0

0

1 t

Set

0

1 t

Reset

0

1 t

Q

0

1 t

Q

0 1

1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1






Set Q Reset

Q

Chronogramme :

Set 0

Q 0

Q 1

Reset 0

0

1 t

Set

0

1 t

Reset

0

1 t

Q

0

1 t

Q

0 1

0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1






Set Q Reset

Q

Chronogramme :

Set 0

Q 0

Q 1

Reset 0

0

1 t

Set

0

1 t

Reset

0

1 t

Q

0

1 t

Q

1 0

1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1






Set Q Reset

Q

Chronogramme :

Set 0

Q 0

Q 1

Reset 0

0

1 t

Set

0

1 t

Reset

0

1 t

Q

0

1 t

Q

0 0

0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0






Chronogramme :

Set 0

Q 0

Q 1

Reset 0

0

1 t

Set

0

1 t

Reset

0

1 t

Q

0

1 t

Q

Set Q Reset

Q

0 ?

0 ? 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 ? ?

Etat interdit =>




Symbole logique de la mmoire RS (bascule RS) :

Schma lectrique de cette mmoire :

Set Q

Reset Q

Reset

R RB

R1

R2

Set

R RB

R1

24 V 6 V

0 V

R2 Q

Q

Mmoire de type RAM (Random Acces Memory) qui sapparente la SRAM

(Static) : linformation disparat si on teint lalimentation.

Si le pont de base consomme 1 A (sous 30 V) et que lon stocke 106 bits

alors la mmoire disperse au moins 30 W !

Set Q Reset

Q




1971 : 256-bit TTL RAM (Fairchild)




V.1. Principe de fonctionnement

Lamplificateur de classe A amplifie tout le signal dentre.

V. Amplification classe A

On travaille dans la partie

linaire du transistor qui est

polaris en statique IB0 et IC0.

Le courant IB oscille autour de

IB0 et donc IC oscille autour de IC0

avec IC = .IB.

VE = VBE

VCE = VS

IC IB

RC

VDD

VS

IC = .IB

Sans signal dentre, lampli consomme IC0 : mauvais rendement (au

mieux 50 %).


EGmin

EG0

EGmax

VBE (V) 0

IB (A)

IBmin

IB0

IBmax

IB (A)

t

IBmin

IB0

IBmax

EG (V)

t

t

VCE

IC IB

VDD VS

RB

EG

RC

VBE




EGmin

EG0

EGmax

VBE (V) 0

IB (A)

IBmin

IB0

IBmax

VBE VCE

IC IB

VDD VS

RB

EG

RC

IB (A)

t

IBmin

IB0

IBmax

EG (V)

t

t




EGmin

EG0

EGmax

VBE (V) 0

IB (A)

IBmin

IB0

IBmax

IB (A)

t

IBmin

IB0

IBmax

EG (V)

t

t

VCE

IC IB

VDD VS

RB

EG

RC

VBE




EGmin

EG0

EGmax

VCE (V) 0

IC (A)

IBmin

IB0

IBmax

ICmin

IC0

ICmax

IC (A)

t

IC = .IB

ICmin

IC0

ICmax

VBE (V) 0

IB (A)

IBmin

IB0

IBmax

IB (A)

t

IBmin

IB0

IBmax

EG (V)

t

VCE

IC IB

VDD VS

RB

EG

RC

VBE




EGmin

EG0

EGmax

VCE (V) 0

IC (A)

IBmin

IB0

IBmax

ICmin

IC0

ICmax

IC (A)

t

ICmin

IC0

ICmax

VBE (V) 0

IB (A)

IBmin

IB0

IBmax

IB (A)

t

IBmin

IB0

IBmax

EG (V)

t

VCE

IC IB

VDD VS

RB

EG

RC

VBE




EGmin

EG0

EGmax

VCE (V) 0

IC (A)

IBmin

IB0

IBmax

ICmin

IC0

ICmax

IC (A)

t

ICmin

IC0

ICmax

EG (V)

t

0

t

VCE

IC IB

VDD VS

RB

EG

RC

VBE




VBE (V) 0

IB (A)

IBmin

IB0

IBmax

IB (A)

t

EGmin

EG0

EGmax

EG (V)

t

t

IB0

IBmax

VCE

IC IB

VDD VS

RB

EG

RC

VBE




VCE (V) 0

IC (A)

IB0

IBmax

IC0

ICmax

IC (A)

t

0

t

EGmin

EG0

EGmax

EG (V)

t

ICmin

IC0

ICmax

VCE

IC IB

VDD VS

RB

EG

RC

VBE




VBE (V) 0

IBmin

IB0

IBmax

t

EGmin

EG0

EGmax

EG (V)

t t

t

IBmin

IB0

IBmax

VCE

IC IB

VDD VS

RB

EG

RC

VBE

IB (A) IB (A)






VCE (V) 0

IB0

IBmax

ICmin

IC0

ICmax

IC (A)

t

0

t

EGmin

EG0

EGmax

EG (V)

t t

IBmin

VCE

IC IB

VDD VS

RB

EG

RC

VBE

IC (A)


V.2. Rappels : passe haut et passe bas


Les gains VC/EG et VR/EG correspondent aux filtres passe bas et pas haut

respectivement.

C R EG VR

VC

La frquence de coupure des deux filtres est : FC = 1/(2RC).

La notion de haute et basse frquences se reporte la valeur de FC




En basse frquence VC = EG et VR = 0 : la capacit absorbe toutes les

variations de EG. Elle a le temps de se charger et de se dcharger

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04

EG

VR

VC

Temps

Ten

sio

ns

C R EG VR

VC

F = 0,05 FC


-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

EG

VR

VC

Temps

Ten

sio

ns





C R EG VR

VC

F = 0,2 FC


-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 0.0035 0.004

EG

VR

VC

Temps

Ten

sio

ns





C R EG VR

VC

F = 0,5 FC


-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0 0.0005 0.001 0.0015 0.002

EG

VR

VC

Temps

Ten

sio

ns





C R EG VR

VC

F = FC


-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001

EG

VR

VC

Temps

Ten

sio

ns





C R EG VR

VC

F = 2.FC


-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0 0.00005 0.0001 0.00015 0.0002 0.00025 0.0003 0.00035 0.0004

EG

VR

VC

Temps

Ten

sio

ns





C R EG VR

VC

F = 5.FC


-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0 0.00002 0.00004 0.00006 0.00008 0.0001

EG

VR

VC

Temps

Ten

sio

ns





C R EG VR

VC

F = 20.FC

En haute frquence VR = EG et VC = 0 : la capacit na pas le temps de se

charger et de se dcharger et donc la tension ne varia pas ses bornes. Toutes

les variations de EG se reportent aux bornes de la rsistance.


V.3. Elments du montage


Les rsistances R1 et R2 constituent le pont de base : polarisation de la base

Ve

RC

VDD

Vs VBE

C

R1

R2 RL

CL



Ve

RC

VDD

Vs VBE

C

R1

R2 RL

CL



Le condensateur C ne laisse passer que les variations de Ve et non la

composante continue : vite de modifier la polarisation de la base.



Ve

RC

VDD

Vs VBE

C

R1

R2 RL

CL

CL est aussi un condensateur de

liaison qui permet la charge RL

(rsistance dentre du bloc

suivant) de ne pas modifier la

polarisation du transistor.



Le condensateur C ne laisse passer que les variations de Ve et non la

composante continue : vite de modifier la polarisation de la base.


Le point de repos correspond aux valeurs des tensions et des courants

lorsquon ne considre que le rgime statique (ne dpend pas du temps).

Ve

RC

VDD

Vs VBE

R1

R2 RL

V.4. Point de repos du montage

C et CL se comportent comme des interrupteurs ouverts.





RC

VDD

VCE VBE

R1

R2







RC

VDD

VCE VBE

R1

R2




On calcul IB (ce qui donne immdiatement IC) en supposant que le transistor

est en rgime linaire

On dtermine alors la tension VCE

qui doit tre suprieure VCEsat


EG

Rg

EG est prsent un signal alternatif damplitude suffisamment faible pour ne

pas bloquer et/ou saturer le transistor.

La ou les frquences du signal EG sont suffisamment leves pour ne pas

permettre aux capacits C et CL de se charger ou de se dcharger. Elles se

comportent comme des interrupteurs ferms.

V.5. Schma en petit signal


Ve

RC

VDD

Vs VBE

C

R1

R2 RL

CL


EG

Rg

Les variations de EG vont se propager le long du circuit, tre amplifie par le

transistor puis appliques la charge RL.


Ve

RC

VDD

Vs VBE

C

R1

R2 RL

CL

Les paramtres importants dun amplificateur sont : les rsistances dentre

et de sortie, le gain en tension et les frquences de coupure haute et basse

Calculer ces paramtres peut tre

long et on prfre utiliser le schma

petit signal qui est une

simplification mathmatique du

schma rel.



Pour pouvoir utiliser le schma petit signal il faut que tous les lments

aient un comportement linaire.


EG

Rg

Ve

RC

VDD

Vs VBE

C

R1

R2 RL

CL

Dans ce schma, cest le transistor qui est non linaire et, par exemple, les

variations de VBE doivent tre suffisamment faibles pour considrer un seul VS

et surtout un seul RS.



Pour construire ce schma, on ne conserve que les lments (rsistances,

tensions, fils et on ne conserve que les variations de tension et de courant.



EG(t) = EG0 + eg(t) donc on ne conserve que eg(t)

La variation de VDD est nulle, vdd(t) = 0, et il en va de mme pour la masse

donc vmasse(t) = 0

Donc dun point de vu alternatif, les fils VDD et masse sont identiques.

Une tension continue est

quivalente un court circuit VS

V1(t) = V10 + v1(t)

V2(t) = V20 + v2(t) = V1(t) VS

V20 = V10 VS

v2(t) = v1(t) donc




EG

Rg

Ve

RC

VDD

Vs VBE

C

R1

R2 RL

CL




EG

Rg

Ve

RC

VDD

Vs

C

R1

R2 RL

CL

.IB




EG

Rg

Ve

RC

VDD

Vs

C

R1

R2 RL

CL

.IB

VDD / masse




eg

EG

Rg

Ve

RC

VDD

Vs

C

R1

R2 RL

CL

.IB

VDD / masse




eg

Rg

EG

Rg

Ve

RC

VDD

Vs

C

R1

R2 RL

CL

.IB

VDD / masse




eg

Rg

EG

Rg

Ve

RC

VDD

Vs

C

R1

R2 RL

CL

.IB

R1

VDD / masse


R2



eg

Rg

EG

Rg

Ve

RC

VDD

Vs

C

R1

R2 RL

CL

.IB

R1

VDD / masse




eg

Rg

EG

Rg

Ve

RC

VDD

Vs

C

R1

R2 RL

CL

.IB

RB

VDD / masse




eg

Rg

EG

Rg

Ve

RC

VDD

Vs

C

R1

R2 RL

CL

.IB

RB

ib

vbe

B

VDD / masse




eg

Rg

EG

Rg

Ve

RC

VDD

Vs

C

R1

R2 RL

CL

.IB

RB

ib

vbe

B

hie

VDD / masse

E




eg

Rg

EG

Rg

Ve

RC

VDD

Vs

C

R1

R2 RL

CL

.IB

RB

ib

vbe

B

hie

E VDD / masse

hfe.ib

C ic

vce




eg

Rg

EG

Rg

Ve

RC

VDD

Vs

C

R1

R2 RL

CL

.IB

RB

ib

vbe

B

hie

E VDD / masse

hfe.ib

C ic

vce RC




eg

Rg

EG

Rg

Ve

RC

VDD

Vs

C

R1

R2 RL

CL

.IB

RB

ib

vbe

B

hie

E VDD / masse

hfe.ib

C ic

vce RC RL




eg

Rg

RB

ib

vbe

B

hie

E VDD / masse

hfe.ib

C ic

vce RC RL

Il faut aussi ajouter deux lments parasites donns par la matrice hybride

du transistor.

hre.vce

1/hoe

cerebiebe v.hi.hv

ceoebfec v.hi.hi bipolaire

ib ic

vbe vce




eg

Rg

RB

ib

vbe

B

hie

E VDD / masse

hfe.ib

C ic

vce RC RL

Il faut aussi ajouter deux lments parasites donns par la matrice hybride

du transistor.

hre.vce

1/hoe

cerebiebe v.hi.hv

ceoebfec v.hi.hi bipolaire

ib ic

vbe vce

Dans ce cours, nous ngligerons toujours la tension hre.vce (par rapport

hie.ib) et en fonction des cas nous ngligerons aussi la rsistance 1/hoe devant

les rsistances branches en parallle.


Dtermination de hie

0CECEce VVB

BE

0vb

beie

I

V

i

vh

Dtermination de hfe

0vb

cfe

cei

ih

Dtermination de hoe

0ice

coe

bv

ih

Dtermination de hoe

0ice

bere

bv

vh

0

IC (A)

VCE (V)

VBE (V)

IB (A) IB0

IC0

VCE0

VBE0

VCE0

hie

hfe hoe

hre

Les paramtres h

dpendent du point

de repos (ou point

de polarisation) !



Les 4 paramtres sont obtenus partir du point de polarisation.



V.6. Paramtres : rsistances et gains

eg

Rg

RB hie hfe.ib RC RL

B

E

C ib ic

vce vbe

Impdance dentre : ieB

ieBieBe

hR

h.Rh//RR

Re

VDD / masse



eg

Rg

RB hie hfe.ib RC RL

B

E

C ib ic

vce vbe

Impdance dentre : ieB

ieBieBe

hR

h.Rh//RR

Re



eg

Rg

RB hie hfe.ib RC RL

B

E

C ib ic

vce vbe

Thvenin quivalent

Thvenin Rgs et egs


VDD / masse



eg

Rg

RB hie hfe.ib RC

B

E

C ib ic

vce vbe

Thvenin quivalent

Thvenin Rgs

Cgs RR


Pour la rsistance on court-circuite eg donc ib devient nul ainsi que hfe.ib

et il reste :

VDD / masse



eg

Rg

RB hie hfe.ib RC

B

E

C ib ic

vce vbe

Thvenin quivalent

Thvenin egs

Cgs RR



et il reste :

Pour la tension, on exprime vce donc egs en fonction de vbe ce qui

correspond rechercher le gain vide du quadriples transistor :

Cie

fe

bie

cC

be

ce0V R.

h

h

i.h

iR

v

vA be0Vgs v.Ae

VDD / masse



Thvenin quivalent

Cgs RR



et il reste :

Pour la tension, on exprime vce donc egs en fonction de vbe ce qui

correspond rechercher le gain vide du quadriples transistor :

Cie

fe

bie

cC

be

ce0V R.

h

h

i.h

iR

v

vA be0Vgs v.Ae

eg

Rg

Re RL

i1 i2

v2 v1 egs

Rgs

VDD / masse




eg

Rg

Re RL

i1 i2

v2 v1 egs

Rgs

Gain en tension :

LC

LC

ie

fe0V

Lgs

L

be

ce

1

2V

RR

R.R.

h

hA.

RR

R

v

v

v

vA

10VLgs

Lgs

Lgs

Lce2 v.A.

RR

Re

RR

Rvv

VDD / masse




Gain en tension :

LC

LC

ie

fe0V

Lgs

L

be

ce

1

2V

RR

R.R.

h

hA.

RR

R

v

v

v

vA

10VLgs

Lgs

Lgs

Lce2 v.A.

RR

Re

RR

Rvv

On retrouve le gain vide : Cie

feRV0V

R.h

hAA

L

Gain composite : eg

eV

g

cevg

RR

RA

e

vA

eg

Rg

Re RL

i1 i2

v2 v1 egs

Rgs

VDD / masse




X.h.hX.h.hh

h.XA

2112221111

21V

avec LRX

eg

Rg

RB hie hfe.ib RC RL

B

E

C ib ic

v1

VDD / masse

On peut retrouver tous ces rsultats partir de la thorie des quadriples


21Bie2121111 v.0i.R//hv.hi.hv

2C

1ieB

Bfe2221212 v.

R

1i.

hR

R.hv.hi.hi

i1 i2

v2


La variation de la tension vbc implique une variation de la longueur de la

zone de charge despace (ZCE) de la diode Base-Collecteur

eg

Rg

RB hie hfe.ib RC RL

B

E

C ib ic

vce vbe

CBC


V.7. Paramtres : Frquences de coupure hautes

La variation de la ZCE correspond une variation de charge et donc la diode

est quivalente une capacit note CBC.

Cette capacit fait un pont entre lentre et la sortie ce qui complique le

calcul du gain en tension


Nous considrons la capacit entre la base et le collecteur : CBE

eg

Rg

RB hie hfe.ib RC RL CBC1

Elle peut tre ramene en entre et en sortie du transistor avec le thorme

de MILLER :

VBC1BC1

A1

1.

.C.j

1

.C.j

1Z

V

V

BC2BC2

A1

A.

.C.j

1

.C.j

1Z

CBC2

BCVBC1BC CA1CC

BCV

VBC2BC C

A

A1CC




eg

Rg

RB hie hfe.ib RC RL

Gain composite :

Req

eg

eV

g

cevg

RR

RA

e

vA

Re




eg

Rg

RB hie hfe.ib RC RL

Gain composite :

Req

Re

CBC1 CBC2

1BCeg

1BCe2BCeq

ie

fe

g

cevg

C//RR

C//RC//R.

h

h

e

vA




eg

Rg

RB hie hfe.ib RC RL CBC1 CBC2

Gain composite : 1BCeg

1BCe2BCeq

ie

fe

g

cevg

C//RR

C//RC//R.

h

h

e

vA

eq2BCeg1BCegeeq

ie

fe

g

cevg

RCj1

1.

R//RCj1

1.

RR

R.R.

h

h

e

vA

soit

Req

Gain aux frquences moyennes

Am




Il existe deux frquences de coupure hautes avec FHF1


IV. Amplification classe A

IV.7. Frquences de coupure hautes

Il existe deux frquences de coupure hautes avec FHF1


Am

Diagramme de bode en amplitude (chelle semi-log) :

Avg(db)

F (Hz) FHF1 FHF2 106 1 103 109

20 db/dec

40 db/dec

eg

eeq

ie

fe

RR

R.R.

h

hlog20

0

20

20

40




Diagramme de bode en phase (chelle semi-log) :

()

F (Hz) FHF1 FHF2

180

270

106 1 103 109

90

360

gain Am ngatif




eg

Rg C CL

RL vbe

passe haut passe haut

vl RB hie hfe.ib

B

E

C ib ic

vce RC

On prend en considration les capacits de liaison C et CL.


V.8. Paramtres : Frquences de coupure basses


On prend en considration les capacits de liaison C et CL.

eg

Rg C CL

RL vbe

Gain composite :

vl

Cj

1RR

R.A.

Cj

1RR

R

e

v.

v

v

e

vA

ge

e0V

LSL

L

g

be

be

1

g

1vg

Re AV0.vbe

Rs

geCLLge

eeq

ie

fevg

RRC

j1

1.

RRC

j1

1.

RR

R.R.

h

hA

Am

eg1BF RRC21

F

CLL

2BFRRC2

1F

Il existe deux frquences de coupure basses :




Diagramme de bode en amplitude (chelle semi-log) :

Avg(db)

F (Hz) FHF1 FHF2 106 1 103 109

20 db/dec

40 db/dec

eg

eeq

ie

fe

RR

R.R.

h

hlog20

0

20

20

40

Am

FBF1 FBF2




Diagramme de bode en phase (chelle semi-log) :

()

F (Hz) FHF1 FHF2

180

270

106 1 103 109

90

360

gain Am ngatif

FBF1 FBF2




Si le transistor chauffe il risque de semballer et dtre dtruit.

Ve

RC

VDD

Vs VBE

C IP

R1

R2 RL

CL


V.9. Rsistance dmetteur


Si le transistor chauffe il risque de semballer et dtre dtruit.

La rsistance RE vite lemballement thermique du transistor :

T IB VE VBE IB

Ve

RC

VDD

Vs VBE

C IP

R1

R2 RL

CL

RE

On obtient alors la droite de charge :

EC

CE

EC

DDC

RR

V

RR

VI

VCE (V) 0

IC (A)

VDD VCE0




Gain en tension vide : CfeEie

fe

e

l0V R.

h1Rh

h

v

vA

eg

Rg

RB hie hfe.ib RC RL

B

E

C ib ic

vl ve

RE

Le gain vide (et donc le gain composite) a t diminu par lintroduction de

la rsistance RE.





fe

e

l0V R.

h1Rh

h

v

vA


la rsistance RE.

Ve

RC

VDD

Vs VBE

C IP

R1

R2 RL

CL

RE

CE

On ajoute la capacit de

dcouplage CE (passe bas) qui

permet la suppression de la

rsistance RE en rgime alternatif :

augmentation du gain.





fe

e

l0V R.

h1Rh

h

v

vA


la rsistance RE.






EC RR

1pente

Droite de charge statique

VCE (V) 0

IC (A)

VDD VCE0

statique





fe

e

l0V R.

h1Rh

h

v

vA


la rsistance RE.






EC RR

1pente

Droite de charge statique

Droite de charge dynamique

CR

1pente

VCE (V) 0

IC (A)

VDD VCE0

dynamique

statique




VI.1. Prsentation

Circuit dont le schma sapparente

celui de la mmoire RS et qui fournit

un signal carr.

RC1

VDD

C1 RC2 C2 R1

R2

T1 T2

VI. Multivibrateur astable Abraham BLOCH

VBE2

VCE1

t VBE1

VCE2

t

VDD

0.6 V

t0

t 0

VDD

0.6 V

t 0


VI.1. Prsentation



un signal carr.


VBE2

VCE1

VBE1

VCE2

VDD

0.6 V

t0

t 0

VDD

0.6 V

Instant t < t0

T1 satur : VCE1 = VCEsat = 0

RC1

VDD

C1 RC2 C2 R1

R2

T1 T2 0.6 V

0

t 0

t

t


t

t

VI.1. Prsentation



un signal carr.


VBE2

VCE1

VBE1

VCE2

VDD

0.6 V

t0

t 0

VDD

0.6 V

Instant t < t0

T1 satur : VCE1 = VCEsat = 0

T2 bloqu : VCE2 = VDD

RC1

VDD

C1 RC2 C2 R1

R2

T1 T2 0.6 V

VDD VC2

VBE2 < 0,6 V

VC2 = VDD 0,6

t 0


t

t



un signal carr.

VBE2

VCE1

VBE1

VCE2

VDD

0.6 V

t0

t 0

VDD

0.6 V

Instant t = t0

C1 sest charge travers R1

VBE2 devient gale 0,6 V

RC1

VDD

C1 RC2 C2 R1

R2

T1 T2 0.6 V

VDD VC2

0

t 0

VI.1. Prsentation



t

t

VI.1. Prsentation



un signal carr.


VBE2

VCE1

VBE1

VCE2

VDD

0.6 V

t0

t 0

VDD

0.6 V

Instant t = t0

T2 devient satur : VCE2 = 0

La charge de C2 impose la

tension VBE1 = 0,6 VDD

RC1

VDD

C1 RC2 C2 R1

R2

T1 T2

VC2

0

t 0

0.6 VDD

T1 se bloque


t

t

VI.1. Prsentation



un signal carr.


VBE2

VCE1

VBE1

VCE2

VDD

0.6 V

t0

t 0

VDD

0.6 V

Instant t = t0+

C1 se charge travers RC1 avec

une constante de temps trs

faible

RC1

VDD

C1 RC2 C2 R1

R2

T1 T2

0

t 0

VDD 0.6 V

0.6 VDD

VCE1 = VDD

RC1.C1


t

t

VI.1. Prsentation



un signal carr.


VBE2

VCE1

VBE1

VCE2

VDD

0.6 V

t0

t 0

VDD

0.6 V

Instant t > t0

C2 se charge travers R2 avec

une constante de temps plus

grande que RC1.C1.

t 0

RC1.C1

RC1

VDD

C1 RC2 C2 R1

R2

T1 T2

0

R2.C2

La tension VBE1 augmente


t

t

VI.1. Prsentation



un signal carr.


VBE2

VCE1

VBE1

VCE2

VDD

0.6 V

t0

t 0

VDD

0.6 V

Instant t = t1

VBE1 = 0,6 V

t 0

RC1.C1

RC1

VDD

C1 RC2 C2 R1

R2

T1 T2

R2.C2

t1

0.6 V


t

t



un signal carr.

VBE2

VCE1

VBE1

VCE2

VDD

0.6 V

t0

t 0

VDD

0.6 V

Instant t = t1 t 0

RC1.C1

RC1

VDD

C1 RC2 C2 R1

R2

T1 T2

R2.C2

t1 VC1

0

0.6 VDD

T1 devient satur : VCE1 = 0

La charge de C1 impose la

tension VBE2 = 0,6 VDD

T2 se bloque

VI.1. Prsentation



t

t



un signal carr.

VBE2

VCE1

VBE1

VCE2

VDD

0.6 V

t0

t 0

VDD

0.6 V

t 0

RC1.C1

R2.C2

t1

Instant t = t1+

C2 se charge travers RC2 avec

une constante de temps trs

faible

RC1

VDD

C1 RC2 C2 R1

R2

T1 T2

0 VDD 0.6 V

0.6 VDD

VCE2 = VDD

RC2.C2

VI.1. Prsentation



t

t



un signal carr.

VBE2

VCE1

VBE1

VCE2

VDD

0.6 V

t0

t 0

VDD

0.6 V

t 0

RC1.C1

R2.C2

t1

Instant t > t1+

C1 se charge travers R1 avec

une constante de temps plus

grande que RC2.C2.

RC1

VDD

C1 RC2 C2 R1

R2

T1 T2

La tension VBE2 augmente

0

RC2.C2

R1.C1

VI.1. Prsentation



t

t



un signal carr.

VBE2

VCE1

VBE1

VCE2

VDD

0.6 V

t0

t 0

VDD

0.6 V

t 0

RC1.C1

R2.C2

t1

RC2.C2

R1.C1

RC1

VDD

C1 RC2 C2 R1

R2

T1 T2

Le signal carr est pris sur le

collecteur de T1 ou de T2

La priode du signal carr dpend

des valeurs de R1, R2, C1 et C2

Il faut aussi RC1


VII.1. Dfinition et principe de fonctionnement

Lamplificateur de classe B namplifie que la

moiti du signal dentre.

VII. Amplification classe B

VCE (V) 0

IC (A)

IBmax

Il cre beaucoup de distorsion mais a un

rendement bien meilleur que le classe A avec

en thorie 78.5 %.

IC (A)

t

IC0

ICmax

bipolaire cours - projection - masson

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