Ce document pédagogique est conçu pour les étudiants universitaires en électronique.
Il offre une exploration complète des amplificateurs à transistors bipolaires, en se concentrant sur les notions essentielles de polarisation et d'analyse en régime dynamique. Le contenu aborde les points suivants :
- Les différentes méthodes de polarisation (de base, par diviseur de tension, PNP) et leur stabilisation.
- L'analyse du transistor en régime dynamique, incluant le rôle des condensateurs et le modèle hybride.
- Les généralités sur l'amplification et les montages fondamentaux (émetteur, collecteur, base communs).
Électronique analogique : Amplification avec les transistor cours
Télécharger PDFAmplificateurs à Transistors Bipolaires : Polarisation et Régime Dynamique
Historiquement, l'amplification de signaux électriques au moyen de tubes à vide est à l'origine du développement de l'électronique. Les transistors ont remplacé les tubes ; cependant, la fonction d'amplification reste essentielle dans tout circuit électronique, y compris en électronique numérique. Dans une radio, le signal recueilli par l'antenne est très faible – couramment moins d'un nanowatt (nW) – il faut plusieurs étages amplificateurs pour disposer de la puissance nécessaire au niveau des haut-parleurs – de 5 à 100 watts (W).
Polarisation des Transistors Bipolaires
Polarisation de base
Généralités
Polariser un transistor, c’est lui fixer un ensemble de valeurs caractérisant son état de fonctionnement. Cela revient à fixer les valeurs des tensions de polarisation des jonctions VBE (Tension Base-Émetteur) et VCE (Tension Collecteur-Émetteur) ainsi que le courant de commande IB (Courant de Base) et le courant d’émetteur IE ou de collecteur IC.
Le transistor étant un composant à trois bornes, pour appliquer les résultats vus sur les quadripôles, il faut prendre une des bornes commune à l'entrée et à la sortie. Le montage le plus utilisé est le montage « émetteur commun », mais il existe aussi les montages « base commune » et « collecteur commun » où ce sont la base et le collecteur qui servent de borne commune.
Polariser un transistor va donc consister à insérer ce quadripôle entre un réseau d’entrée, qui va fixer les valeurs VBE et IB, et un réseau de sortie qui va fixer les valeurs VCE et IC.
En appliquant le théorème de Thévenin, tout réseau linéaire et invariant dans le temps peut être représenté sous forme de dipôle de Thévenin. On peut ainsi déduire le schéma de principe général d’un transistor polarisé.
La polarisation est essentielle car elle définit le "point de repos" (ou point Q) du transistor, garantissant qu'il fonctionne dans sa zone active pour amplifier les signaux alternatifs sans distorsion. C'est le fondement de tout amplificateur fonctionnel.
Droites de charge
Droite d’attaque statique
L’examen du circuit d’entrée permet d’écrire l’équation de maille : VBB = RB IB + VBE.
C’est l’équation d’une droite que l’on appellera la droite d’attaque. Cette droite est représentée sur la caractéristique de base du transistor. Les valeurs de VBE et de IB, devant vérifier à la fois l’équation de fonctionnement du transistor et celle du réseau d’entrée, seront déterminées par l’intersection entre la droite d’attaque statique et la caractéristique de base du transistor.
Il est évident que si le point P est tel que VBE < 0,6V, alors le transistor sera bloqué et IB = 0.
Droite de charge statique
L’équation de maille du circuit de sortie nous donne : VCC = VCE + RC IC.
La droite représentative de cette équation est appelée droite de charge statique. L’intersection de cette droite avec la caractéristique de collecteur du transistor donne les valeurs de VCE et de IC. La caractéristique de collecteur choisie correspondra au courant de base IB0 déterminé par la droite d’attaque statique.
Blocage et saturation
Lorsque VBE < 0,6V, le transistor est bloqué et donc, IB = 0 et IC = 0. Donc VCE = VCC. Lorsque VCE < VCEsat (VCEsat variant entre quelques dixièmes de volt et 1 volt), on peut donner une excellente approximation de IC par la formule : IC ≈ VCC / RC.
Tous les points de fonctionnement tels que VCEsat < VCE < VCC et 0 < IC < VCC / RC, donc situés entre les points de blocage et de saturation, se trouvent dans la zone active. La zone active est la région où le transistor fonctionne comme un amplificateur linéaire, ce qui est crucial pour éviter la distorsion du signal.
Exemples
De façon générale, on n’utilisera pas deux sources de tension VCC et VBB car cela serait trop coûteux et trop encombrant. La tension VBB sera égale à VCC ou à une fraction de VCC.
D’autre part, l’étude de la polarisation sert non seulement à déterminer le point de fonctionnement d’un transistor, mais aussi à choisir les valeurs de RC, RB, VCC et VBB pour obtenir un point de fonctionnement déterminé.
Exemple 1
Le transistor 2N4401 est un transistor au silicium avec un gain en courant β = 80.
Pour analyser ce circuit, nous traçons la droite de charge statique. Déterminons le point P de polarisation lorsque RB = 390 kΩ.
Solution :
Le courant de saturation du collecteur est : ICsat = VCC / RC = 30V / 1500Ω = 20mA.
La tension collecteur-émetteur au blocage est : VCE(blocage) = VCC = 30V.
Déterminons le courant de base IB : IB = (VBB - VBE) / RB = (30V - 0,7V) / (390 × 10³ Ω) = 75,1 µA.
Le courant collecteur est : IC = β × IB = 80 × 75,1 × 10⁻⁶ A ≈ 6mA.
La tension collecteur-émetteur est : VCE = VCC - IC × RC = 30V - (6 × 10⁻³ A × 1500 Ω) = 21V.
Le point de fonctionnement P a pour coordonnées IC = 6mA et VCE = 21V. On remarque que le point P est sur la droite de charge statique car cette droite représente tous les points de fonctionnement possibles. Si l'on changeait la valeur de RB, le point P se déplacerait alors en un autre point de la droite de charge.
Exemple 2
Le transistor possède un gain β = 80 et une tension VCEsat = 0,1V. RB est ajusté pour obtenir la saturation du transistor.
Déterminons la valeur de ICsat et la valeur correspondante de RB.
Solution :
Au fur et à mesure que l’on fait décroître RB, le courant de base, le courant collecteur et la chute de tension aux bornes de RC augmentent. En retour, cela fait baisser la tension collecteur-émetteur. Éventuellement, VCE diminue jusqu’à 0,1V. À ce point, la diode collecteur perd sa polarisation inverse empêchant ainsi une augmentation du courant collecteur. Le transistor est saturé et son courant collecteur est :
ICsat ≈ VCC / RC = 25V / 220Ω ≈ 114mA.
Ce qui est le courant collecteur maximum que l'on peut obtenir. Le courant de base est :
IBsat = ICsat / β = 114 × 10⁻³ A / 80 ≈ 1,43mA.
Et la résistance de base est :
RB = (VBB - VBE) / IBsat = (25V - 0,7V) / (1,43 × 10⁻³ A) ≈ 17kΩ.
Si l'on continue à diminuer la valeur de RB, le courant de base augmentera alors que le courant collecteur restera à 114mA.
En fait, la valeur exacte du courant de saturation du collecteur est donnée par l’expression : ICsat = (VCC - VCEsat) / RC. Dans les transistors de faible puissance, VCEsat, de l’ordre de quelques dixièmes de volt, est si minime qu’on peut l’ignorer. Par approximation, on admet généralement que les bornes collecteur-émetteur sont en court-circuit, ce qui équivaut à VCE = 0. Lorsque le transistor est saturé, son collecteur est donc idéalement court-circuité à la masse.
Le courant collecteur qui traverse la résistance de 220Ω circule vers le bas et s’écoule dans le collecteur, cette action est semblable à celle de l’eau s’écoulant dans un drain. C’est pourquoi un transistor avec un émetteur mis à la masse s’appelle un « évier de courant ». Le courant collecteur s’écoule à la masse par l’évier.
Polarisation par diviseur de tension
Principe
C’est le type de polarisation le plus utilisé. D’une part, les gains β d’une même série de transistors peuvent être très différents les uns des autres ; d’autre part, un écart de température peut produire des changements de courant importants. C’est pour cela qu’on a imaginé cette polarisation par diviseur de tension qui stabilise le montage en température et le rend indépendant du gain β.
Dans le montage précédent, on avait IC = β × (VBB - VBE) / RB, donc IC suivait les variations de β.
Équations
Le montage se présente avec un diviseur de tension (R1, R2) à l'entrée et une résistance d'émetteur RE.
Remplaçons le réseau d’entrée du transistor par son dipôle de Thévenin équivalent. La tension équivalente V2 est R2 × VCC / (R1 + R2) et la résistance équivalente est R1 // R2 = (R1 × R2) / (R1 + R2).
L’équation de la maille d’entrée qui nous donnera l’équation de la droite d’attaque statique est :
V2 = (R1 // R2) IB + VBE + RE × IE
Or, IE = (β + 1) IB. En considérant que β est très grand, on peut approximer IE ≈ β × IB. Donc :
V2 = (R1 // R2 + β × RE) IB + VBE.
Pour cette polarisation, on prendra la condition : β × RE ≫ R1 // R2. L’équation de la droite d’attaque statique est donc :
V2 = β × RE × IB + VBE
Pour la droite de charge statique, on a : VCC = RC × IC + VCE + RE × IE.
Or, IE = (β + 1) / β × IC, mais comme β est très grand, on peut écrire : IE ≈ IC.
L’équation de la droite de charge statique est : VCC = (RC + RE) IC + VCE.
Remarque
De l’équation précédente, on tire : IB = (V2 - VBE) / (β × RE), où V2 = VCC × R2 / (R1 + R2).
D’où :
IC = β × IB = β × ( (VCC × R2 / (R1 + R2)) - VBE ) / (β × RE) = ( (VCC × R2 / (R1 + R2)) - VBE ) / RE.
On voit que IC ne dépend plus de β. De plus, si on prend VBE ≪ V2, alors IC ≈ VCC × R2 / ((R1 + R2) × RE) et IC est indépendant du transistor tout comme VCE. Pour les calculs, on peut prendre VBE ≈ 0,7V, en utilisant la deuxième approximation de la diode base-émetteur.
Stabilisation pour les effets de température
Supposons que la température augmente. On se rappelle que, puisqu’on a affaire à un semi-conducteur, les courants IB, IC et IE vont augmenter. Si l'on considère l'équation de la maille d'entrée, puisque V2 est constant et que IB et IE augmentent, alors VBE diminue. D’après la forme de la caractéristique de base, si VBE diminue, IB diminue également et par conséquent IC et IE. Donc, on obtient une stabilisation des courants par rapport à la température. Cette stabilisation est un avantage majeur de la polarisation par diviseur de tension pour garantir un fonctionnement fiable de l'amplificateur.
Exemples
Exemple 1
Traçons la droite de charge statique d’un circuit. Déterminons le point de polarisation.
Solution :
Lorsque le transistor fonctionne dans la région de blocage, toute la tension d’alimentation apparaît entre les bornes collecteur-émetteur, on a donc : VCE(blocage) = VCC = 30V.
Lorsque le transistor fonctionne dans la région de saturation, il paraît court-circuité et toute la tension d’alimentation apparaît aux bornes des résistances en série RC et RE. On a donc : ICsat = VCC / (RC + RE) = 30V / (4 kΩ + 5 kΩ) = 30V / 9 kΩ ≈ 3,33mA.
La tension aux bornes de la résistance du diviseur de base de 10 kΩ est de 10V. La diode émetteur présente une chute de tension de 0,7V, ce qui laisse 9,3V aux bornes de la résistance d’émetteur RE.
On aura donc : IE = (V2 - VBE) / RE = 9,3V / (5 × 10³ Ω) ≈ 1,86mA.
Du fait que β est grand, il vient : IC ≈ IE = 1,86mA.
La tension collecteur-émetteur est : VCE = VCC - IC × (RC + RE) = 30V - (1,86 × 10⁻³ A × 9000 Ω) ≈ 13,3V.
Exemple 2
Lorsqu’on branche deux montages en série, pour éviter que la polarisation du premier étage ne perturbe celle du second, on les relie par un condensateur. En effet, le condensateur présente une impédance infinie pour un courant continu.
Calculons IC et VCE pour chaque étage. Un étage est constitué d’un transistor avec ses résistances de polarisation RC et RE.
Solution :
Les condensateurs sont des composants équivalents à des interrupteurs ouverts pour le courant continu, on peut donc analyser séparément chaque étage puisque les courants et les tensions continues ne s’influencent pas réciproquement. La tension aux bornes de la résistance de 5 kΩ du premier étage (obtenue par le diviseur de tension R1=10 kΩ, R2=5 kΩ sous 15V) est de 5V. Il faut lui soustraire 0,7V pour la chute de tension aux bornes de la diode base-émetteur. Il reste 4,3V aux bornes de la résistance d’émetteur (RE = 2 kΩ) du premier étage. Le courant émetteur est donc : IE = 4,3V / 2000Ω = 2,15mA.
À très peu de chose près, IC = 2,15mA et l’on aura donc : VCE = VCC - IC × (RC + RE) = 15V - (0,00215 A × (1 kΩ + 2 kΩ)) = 15V - (0,00215 A × 3000 Ω) ≈ 8,55V.
Au second étage, la tension aux bornes de la résistance 1 kΩ (obtenue par le diviseur de tension R1=4 kΩ, R2=1 kΩ sous 15V) est de 3V. En soustrayant 0,7V, on obtient 2,3V aux bornes de la résistance de 220Ω. Le courant collecteur est donc : IC ≈ IE = 2,3V / 220Ω ≈ 10,5mA.
Ces 10,5mA circulent dans les résistances de 470Ω et 220Ω. Lorsqu’on soustrait la chute de tension aux bornes de ces résistances de la tension d’alimentation, on obtient la tension aux bornes du transistor, soit : VCE = VCC - IC × (RC + RE) = 15V - (0,0105 A × (470 Ω + 220 Ω)) = 15V - (0,0105 A × 690 Ω) ≈ 7,76V.
En résumé, la polarisation du 1er étage est telle que IC = 2,15mA et VCE = 8,55V et celle du second étage est IC = 10,5mA et VCE = 7,76V.
Polarisation des transistors PNP
Sens des courants et des tensions
Un transistor PNP est représenté avec des flèches opposées à celles d'un NPN. Puisque les diodes émetteur et collecteur pointent dans des directions opposées à celles d’un transistor NPN, les tensions et les courants sont tous inversés par rapport à ceux d’un transistor NPN dans les mêmes conditions. Autrement dit, pour polariser en direct la diode émetteur d’un transistor PNP, VBE doit avoir la polarité indiquée, c'est-à-dire une tension de base inférieure à celle de l'émetteur. Pour polariser en inverse la diode collecteur, VCB doit avoir la polarité indiquée, c'est-à-dire une tension de collecteur plus négative que celle de la base. Il est important de bien comprendre ces inversions de polarité pour concevoir correctement les circuits basés sur des transistors PNP.
Le transistor en régime dynamique
Théorème de superposition pour le continu et l’alternatif
Condensateurs de couplage et de découplage
En électronique, il est souvent nécessaire de traiter des signaux qui contiennent à la fois une composante continue (polarisation) et une composante alternative (signal à amplifier). Le théorème de superposition permet d'analyser séparément ces deux composantes. Pour le régime dynamique, les condensateurs jouent un rôle fondamental.
Les condensateurs de couplage sont utilisés pour isoler les étages de polarisation les uns des autres tout en permettant le passage du signal alternatif. Pour le courant continu, ils agissent comme des circuits ouverts, bloquant ainsi toute influence mutuelle sur les points de polarisation. Pour le signal alternatif, ils sont choisis de manière à présenter une impédance très faible, agissant comme des courts-circuits, permettant au signal de passer d'un étage à l'autre sans atténuation significative.
Les condensateurs de découplage sont généralement connectés en parallèle avec des résistances d'émetteur ou d'autres points du circuit pour court-circuiter le signal alternatif à la masse (ou à une référence). Ils stabilisent ainsi le point de fonctionnement en continu en évitant que la résistance ne réduise le gain du signal alternatif, tout en maintenant la polarisation continue nécessaire. Ils améliorent le gain en tension en éliminant la rétroaction négative due à la résistance d'émetteur pour le signal alternatif.
Circuits équivalents en courants continu et alternatif
L'application du théorème de superposition implique la création de deux circuits équivalents :
- Circuit équivalent en continu (pour la polarisation) : Dans ce circuit, toutes les sources de tension alternative sont mises à zéro (court-circuit) et toutes les sources de courant alternative sont ouvertes. Les condensateurs sont considérés comme des circuits ouverts. Ce circuit permet de déterminer les tensions et courants de polarisation (point de repos ou point Q) du transistor.
- Circuit équivalent en alternatif (pour l'amplification) : Dans ce circuit, toutes les sources de tension continue sont mises à zéro (court-circuit) et toutes les sources de courant continu sont ouvertes. Les condensateurs sont considérés comme des courts-circuits (pour les fréquences d'intérêt de l'amplificateur). Ce circuit permet d'analyser la réponse du transistor au signal alternatif, y compris le gain en tension, le gain en courant et l'impédance d'entrée et de sortie. Il est crucial pour dimensionner correctement l'amplificateur pour les signaux à traiter.
Modèle dynamique du transistor
Paramètres hybrides du transistor bipolaire
Pour analyser le comportement d'un transistor en régime dynamique (pour les signaux alternatifs), on utilise des modèles simplifiés. Le modèle le plus courant est le modèle en « h » ou modèle hybride. Ce modèle utilise un ensemble de quatre paramètres, appelés paramètres hybrides, pour décrire le comportement du transistor comme un quadripôle. Ces paramètres sont obtenus à partir des caractéristiques statiques du transistor à un point de fonctionnement donné.
Les paramètres hybrides, souvent notés h_ie, h_fe, h_oe, h_re pour un montage émetteur commun, sont définis comme suit :
- h_ie (impédance d'entrée en émetteur commun) : C'est la résistance dynamique d'entrée du transistor lorsque la tension de sortie alternative est nulle. Elle est mesurée en ohms (Ω). Une faible valeur de h_ie signifie que le transistor présente une faible opposition au signal d'entrée.
- h_fe (β, gain en courant en émetteur commun) : C'est le rapport du courant de collecteur alternatif sur le courant de base alternatif, lorsque la tension de sortie alternative est nulle. C'est un paramètre sans dimension et il est équivalent au β dynamique du transistor. C'est un indicateur clé de la capacité d'amplification en courant.
- h_re (rapport de transfert inverse en émetteur commun) : C'est le rapport de la tension d'entrée alternative sur la tension de sortie alternative, lorsque le courant d'entrée alternatif est nul. C'est un paramètre sans dimension qui représente l'effet de la sortie sur l'entrée. Il est souvent négligeable dans les applications courantes.
- h_oe (admittance de sortie en émetteur commun) : C'est la conductance dynamique de sortie du transistor lorsque le courant d'entrée alternatif est nul. Elle est mesurée en siemens (S) ou en mhos (Ω⁻¹). Une petite valeur de h_oe indique une haute résistance de sortie, souhaitable pour certains montages.
Ces paramètres permettent de construire un circuit équivalent du transistor, facilitant l'analyse des gains et des impédances pour un signal alternatif. Ils sont essentiels pour la conception et la simulation d'amplificateurs.
Interprétation physique
L'interprétation physique des paramètres hybrides aide à comprendre le fonctionnement du transistor en régime de petits signaux :
- h_ie représente la résistance que voit le signal alternatif à l'entrée base-émetteur. Elle est directement liée à la pente de la caractéristique d'entrée (VBE/IB).
- h_fe est le gain en courant du transistor pour les signaux alternatifs. C'est la capacité du transistor à amplifier un courant de base en un courant de collecteur beaucoup plus important, reflétant son efficacité d'amplification.
- h_re quantifie la rétroaction interne du transistor, c'est-à-dire à quel point une variation de tension en sortie peut affecter la tension d'entrée. Pour de nombreux calculs simplifiés, h_re est souvent négligé car il est généralement très petit, ce qui simplifie le modèle.
- h_oe représente la facilité avec laquelle le courant peut circuler à la sortie du collecteur, pour un signal alternatif. Une petite valeur de h_oe indique une haute résistance de sortie, ce qui est souvent désirable pour un amplificateur de tension afin de ne pas "charger" le signal.
Ces paramètres ne sont pas constants et dépendent du point de polarisation du transistor, de la température et de la fréquence du signal. Il est important de les connaître pour des analyses précises.
Exercices
Pour approfondir ces concepts, des exercices pratiques sont essentiels. Voici les sujets couramment abordés dans les exercices de ce domaine :
- Couplage : Compréhension de l'utilisation des condensateurs de couplage.
- Découplage : Analyse de l'efficacité des condensateurs de découplage pour stabiliser le gain.
- Circuit équivalent : Construction et utilisation des modèles équivalents en continu et alternatif.
- Circuit équivalent : Application des modèles pour différents types d'amplificateurs.
- Calcul de h11 : Détermination des paramètres hybrides, notamment l'impédance d'entrée.
- Calcul de diverses grandeurs : Exercices sur les gains, impédances, et points de fonctionnement.
- Circuit équivalent : Étude des circuits équivalents pour la réponse en fréquence.
- Circuit équivalent : Résolution de problèmes complexes avec des modèles dynamiques.
Ces exercices sont cruciaux pour maîtriser l'application pratique des concepts de polarisation et de régime dynamique des transistors.
Amplificateurs de signaux faibles
Généralités sur l’amplification
Définition
Un amplificateur est un circuit électronique conçu pour augmenter la puissance, la tension ou le courant d'un signal électrique d'entrée. Il prend un signal faible et produit une version plus forte de ce signal à sa sortie, en conservant autant que possible les caractéristiques de la forme d'onde originale. L'énergie additionnelle pour l'amplification provient généralement d'une source d'alimentation externe. L'objectif est de rendre un signal exploitable, par exemple, pour piloter un haut-parleur ou un autre circuit.
Amplification en tension
L'amplification en tension (Av) est le rapport de la tension de sortie sur la tension d'entrée d'un amplificateur. Un amplificateur de tension est conçu pour fournir une tension de sortie élevée à partir d'une faible tension d'entrée. Sa valeur est souvent exprimée en décibels (dB). Pour une amplification fidèle, l'amplificateur doit avoir une impédance d'entrée élevée pour ne pas perturber la source de signal, et une impédance de sortie faible pour pouvoir piloter une charge sans chute de tension excessive. Un gain en tension élevé est souvent la caractéristique principale recherchée.
Amplification en courant
L'amplification en courant (Ai) est le rapport du courant de sortie sur le courant d'entrée. Un amplificateur de courant, comme un suiveur d'émetteur, est optimisé pour augmenter le courant d'un signal. Il se caractérise généralement par une faible impédance d'entrée pour collecter le courant de la source et une impédance de sortie relativement élevée (ou adaptée à la charge) pour fournir ce courant amplifié. Le gain en courant est essentiel dans les étages de puissance où un courant important est requis, par exemple pour alimenter des charges à faible impédance.
Bilan de puissance
Le bilan de puissance dans un amplificateur concerne la relation entre la puissance d'entrée, la puissance de sortie et la puissance consommée par l'amplificateur à partir de la source d'alimentation. La puissance de sortie est toujours supérieure à la puissance d'entrée (sinon ce serait un atténuateur), la différence étant fournie par la source d'alimentation. Le rendement d'un amplificateur est le rapport entre la puissance utile délivrée à la charge et la puissance totale consommée par l'amplificateur. Un bon rendement est crucial pour minimiser la dissipation thermique et optimiser l'autonomie des appareils portables, ainsi que pour réduire la consommation d'énergie.
Bande passante
La bande passante d'un amplificateur est la gamme de fréquences sur laquelle l'amplificateur peut fonctionner efficacement, c'est-à-dire avec un gain qui ne varie pas de manière significative (typiquement une chute de -3dB par rapport au gain maximum). Les fréquences en dessous de la limite inférieure (fréquence de coupure basse) et au-dessus de la limite supérieure (fréquence de coupure haute) subissent une atténuation croissante. La bande passante est un paramètre essentiel pour les applications audio, vidéo ou radiofréquences, car elle détermine la fidélité de la reproduction du signal et sa capacité à traiter un large spectre de fréquences.
Dynamique de sortie maximum
La dynamique de sortie maximum d'un amplificateur représente la plage de tension ou de courant que l'amplificateur peut fournir à sa sortie sans subir de distorsion significative. Elle est limitée par les tensions d'alimentation et les caractéristiques de saturation ou de blocage des composants actifs (transistors). Dépasser cette dynamique entraîne un écrêtage du signal (clipping), ce qui modifie la forme d'onde originale et introduit des harmoniques indésirables, détériorant la qualité du signal amplifié.
Distorsion
La distorsion est la modification indésirable de la forme d'onde d'un signal lors de son passage à travers un amplificateur. Il existe plusieurs types de distorsion :
- Distorsion harmonique : Introduction de fréquences multiples (harmoniques) du signal original.
- Distorsion d'intermodulation : Création de nouvelles fréquences résultant du mélange de plusieurs fréquences présentes dans le signal d'entrée.
- Distorsion de phase : Décalage des relations de phase entre les différentes composantes fréquentielles du signal.
Minimiser la distorsion est un objectif majeur dans la conception des amplificateurs pour assurer une reproduction fidèle du signal. Une faible distorsion est synonyme de haute fidélité.
Montages fondamentaux du transistor bipolaire
Les trois montages fondamentaux du transistor bipolaire se distinguent par la borne commune entre l'entrée et la sortie du circuit. Chacun offre des caractéristiques différentes en termes de gain, d'impédance d'entrée/sortie et de déphasage. Le choix du montage est crucial en fonction de l'application visée.
Attaque par la base et attaque par l’émetteur
L'attaque par la base est typique du montage émetteur commun, où le signal d'entrée est appliqué entre la base et l'émetteur. L'attaque par l'émetteur est celle du montage base commune, où le signal est appliqué entre l'émetteur et la base. La manière dont le signal est injecté détermine les caractéristiques d'entrée de l'amplificateur et son comportement global en termes d'impédance d'entrée.
Montage émetteur commun
C'est le montage le plus courant pour l'amplification de tension. Le signal d'entrée est appliqué à la base et le signal de sortie est pris au collecteur, l'émetteur étant la borne commune (souvent relié à la masse, ou à la masse via une résistance découplée).
- Caractéristiques :
- Gain en tension élevé (Av ≫ 1).
- Gain en courant élevé (Ai ≫ 1).
- Impédance d'entrée moyenne.
- Impédance de sortie moyenne à élevée.
- Déphasage de 180° entre l'entrée et la sortie.
- Applications : Préamplificateurs audio, étages intermédiaires d'amplificateurs multi-étages. C'est un choix polyvalent pour de nombreuses applications d'amplification de signaux.
Montage collecteur commun
Aussi appelé « suiveur d'émetteur », ce montage a le collecteur comme borne commune. Le signal d'entrée est appliqué à la base et le signal de sortie est pris à l'émetteur.
- Caractéristiques :
- Gain en tension proche de 1 (Av ≈ 1, non inverseur).
- Gain en courant élevé (Ai ≫ 1).
- Impédance d'entrée très élevée.
- Impédance de sortie très faible.
- Applications : Étages de séparation (buffers) pour adapter des impédances, pilotes de ligne, étages de sortie de faible puissance. Il ne fournit pas d'amplification de tension, mais un excellent gain en courant et une bonne adaptation d'impédance, ce qui le rend idéal pour interfacer des étages.
Montage base commune
Dans ce montage, la base est la borne commune, généralement mise à la masse pour le signal alternatif. Le signal d'entrée est appliqué à l'émetteur et le signal de sortie est pris au collecteur.
- Caractéristiques :
- Gain en tension élevé (Av ≫ 1).
- Gain en courant proche de 1 (Ai ≈ 1).
- Impédance d'entrée très faible.
- Impédance de sortie très élevée.
- Pas de déphasage entre l'entrée et la sortie.
- Applications : Amplificateurs haute fréquence (car moins sensible à l'effet Miller), étages d'entrée de certains récepteurs radio, circuits d'adaptation d'impédance où une source à faible impédance doit piloter une charge à haute impédance. Sa faible impédance d'entrée le rend adapté pour des sources de courant.
Résumé
Chaque configuration (émetteur commun, collecteur commun, base commune) a des propriétés distinctes qui la rendent adaptée à des applications spécifiques. Le choix du montage dépend des exigences du circuit en termes de gain en tension, gain en courant, impédances d'entrée et de sortie, et réponse en fréquence. Comprendre ces caractéristiques est essentiel pour la conception d'amplificateurs performants et optimisés pour leur rôle.
Présentation graphique de l’amplificateur en émetteur commun
L'analyse graphique de l'amplificateur en émetteur commun est réalisée en superposant la droite de charge statique et les caractéristiques de sortie du transistor. En faisant varier le courant de base (IB) avec le signal d'entrée, le point de fonctionnement se déplace le long de la droite de charge. Les variations correspondantes de VCE et IC donnent la forme d'onde amplifiée en sortie. Cela permet de visualiser les limites de fonctionnement (blocage et saturation) et d'optimiser le point de repos pour une amplification maximale sans distorsion. C'est une méthode visuelle puissante pour comprendre le comportement dynamique de l'amplificateur.
FAQ - Questions Fréquentes sur la Polarisation et l'Amplification des Transistors Bipolaires
Q1: Qu'est-ce que la polarisation d'un transistor bipolaire ?
La polarisation consiste à établir un ensemble de courants et de tensions continus (le point de repos ou point Q) dans le transistor. Ce point de fonctionnement stable est crucial pour que le transistor puisse amplifier les signaux alternatifs sans distorsion, en le maintenant dans sa zone active de fonctionnement.
Q2: Quelle est la différence entre la polarisation de base et la polarisation par diviseur de tension ?
La polarisation de base est simple mais très sensible aux variations du gain en courant (β) du transistor et de la température. La polarisation par diviseur de tension est plus complexe mais offre une bien meilleure stabilité du point de fonctionnement face aux variations de β et aux changements de température, ce qui en fait la méthode la plus couramment utilisée dans la conception d'amplificateurs stables.
Q3: Comment la température affecte-t-elle la polarisation d'un transistor et comment y remédier ?
Une augmentation de la température entraîne une augmentation des courants IB, IC et IE du transistor. Dans un montage avec polarisation par diviseur de tension et résistance d'émetteur, cette augmentation des courants provoque une diminution de la tension VBE, ce qui tend à réduire le courant de base et donc à stabiliser les courants IC et IE. Ce mécanisme de rétroaction négative permet de compenser les effets de la température et de maintenir la stabilité du point de fonctionnement.