Un transistor était considéré comme une clé électronique. Mais ce ne sont pas toutes les capacités des transistors bipolaires, on pourrait même dire que le mode de fonctionnement clé n'est qu'une petite fraction dans les circuits où des transistors sont utilisés. Dans la part du lion des circuits à transistors, le transistor est utilisé comme dispositif d'amplification. Dans ces circuits, le transistor est utilisé dans la région dite active. Le transistor, en tant que dispositif d'amplification, est inclus dans l'étage amplificateur qui, en plus du transistor, contient également des circuits de puissance, des circuits de charge et de communication avec un étage ultérieur.

Circuits de connexion de transistors

Pour les transistors bipolaires, trois schémas de connexion sont possibles, qui ont la capacité d'amplifier la puissance : avec émetteur commun (CE), base commune (OB) Et collecteur commun (OK). Les circuits diffèrent par la manière dont ils connectent la source de signal et la charge (R H).

Circuit émetteur commun

Régime avec un socle commun

Circuit avec un collecteur commun.

Pour tous les circuits permettant de rendre passant un transistor en l'absence d'un signal fourni par la source (e G), il est nécessaire de fixer la valeur initiale Mode CC– mode repos. Dans ce cas, comme mentionné dans le précédent, la jonction émetteur doit être ouverte et la jonction collecteur doit être fermée. Pour les transistors PNP, ceci est obtenu en appliquant une tension négative au collecteur (tension du collecteur E 0C) et une tension négative à la base (tension de polarisation E 0B). Pour les transistors n-p-n, la polarité de ces tensions doit être opposée. Le mode repos du transistor est déterminé par la position de son point de fonctionnement, qui dépend du courant d'émetteur I E (presque égal au courant de collecteur I C et dépendant de E 0B) et de la tension E 0C.

Paramètres d'amplification du transistor

Les propriétés amplificatrices des transistors pour un petit signal alternatif sont évaluées à l'aide de divers systèmes de paramètres reliant les courants et les tensions d'entrée, mais seuls deux paramètres principaux sont normalisés : h 21e et f T (ou f h21b). Connaissant le paramètre du transistor h 21e pour un mode de repos donné I E, vous pouvez utiliser les formules suivantes pour déterminer les principaux paramètres de l'étage amplificateur dans la région basse fréquence :

où S est la conductivité du transistor, r e est la résistance d'émetteur du transistor.

Ainsi, les valeurs peuvent être calculées |K|- gain en tension du transistor, |K je |- gain de courant du transistor, ZVX— résistance d'entrée du transistor :

Les domaines d'application des étages amplificateurs OE, OB et OK sont déterminés par leurs propriétés.

Cascade d'émetteurs communs fournit une amplification en tension et en courant. Son impédance d'entrée est de l'ordre de plusieurs centaines d'Ohms et son impédance de sortie est de plusieurs dizaines de kOhms. Une particularité est qu'il change la phase du signal amplifié de 180°. Il possède de meilleures propriétés d'amplification par rapport à OB et OK et constitue donc le principal type de cascade pour amplifier les petits signaux.

Cascade avec un socle commun fournit uniquement un gain de tension (presque le même que celui d'origine). La résistance d'entrée de la cascade est (1+h 21e) fois inférieure à celle de l'OE, et la résistance de sortie est (1+h 21e) fois supérieure. Contrairement à l'OE, la cascade OB ne change pas la phase du signal amplifié. La faible impédance d'entrée de l'étage OB limite son utilisation en ULF : en pratique il n'est utilisé que comme élément d'un amplificateur différentiel.

Cascade avec collecteur commun fournit uniquement un gain de courant (presque le même que celui d'origine). Contrairement à la cascade OE, la cascade OK ne change pas la phase du signal amplifié. À K = 1, la cascade OK semble répéter la tension amplifiée en amplitude et en phase. Par conséquent, une telle cascade est appelée émetteur-suiveur. La résistance d'entrée OK dépend de la résistance de charge R H et est grande (presque h 21e fois supérieure à R H), et la résistance de sortie dépend de la résistance de la source de signal R G et est petite (presque h 21e fois inférieure à R G). La cascade OK, en raison de sa grande impédance d'entrée et de sa faible impédance de sortie, est utilisée à la fois dans les ULF préliminaires et puissants.

Circuits de puissance à transistors bipolaires

Pour assurer un mode de fonctionnement donné d'un transistor bipolaire, il est nécessaire de fixer la position du point de repos, déterminée par le courant de repos I C. Pour cela, deux tensions doivent être appliquées aux électrodes du transistor : collecteur et base tension de mélange. La polarité de ces tensions dépend de la structure du transistor. Pour les transistors p-n-p, ces deux tensions doivent être négatives, et pour n-p-n elles doivent être positives, par rapport à l'émetteur du transistor. Les valeurs des tensions du collecteur et de la base doivent être différentes ; De plus, les exigences relatives à la stabilité de ces tensions sont également différentes. Par conséquent, deux circuits d'alimentation distincts sont utilisés : le collecteur et la base.

Puissance du collecteur

Circuits de puissance collectionneur contiennent les éléments indiqués ci-dessous.

La tension entre le collecteur et l'émetteur du transistor U CE est choisie dans les limites

Dans ce cas, la valeur minimale de U C ne doit pas être inférieure à 0,5 V, sinon le point de fonctionnement entre dans la zone de saturation et la distorsion non linéaire augmente.

Schéma du circuit d'alimentation de base

Circuits de puissance socles contient les éléments indiqués ci-dessous

Circuit à courant fixe

Circuit à tension fixe

Circuit de polarisation automatique

Le mode de fonctionnement spécifié du transistor est établi en fournissant le tension de polarisation U B ou créer la base requise dans la chaîne courant de polarisation I B. Dans les deux cas, une tension U BE s'établit entre l'émetteur et la base, égale (selon I B) 0,1...0,3 V (pour les transistors en germanium) ou 0,5...0,7 V (pour ceux en silicium). La polarisation de base peut être réalisée à partir d'une source d'alimentation E 0C commune avec le collecteur ou à partir d'une source d'alimentation distincte des circuits de base E 0V.

Lorsqu'elle est alimentée par E 0C, la polarisation de base peut être fixe (courant ou tension) ou automatique. Schémas avec courant fixe et avec tension fixe n'assure pas la stabilité du point de fonctionnement du transistor lorsque la température change.

Calcul de l'étage amplificateur

Schéma avec changement de vitesse automatique, le plus répandu, contient trois résistances : R b1, R b2 et R E. Grâce à la rétroaction négative créée par R E dans le circuit émetteur, la stabilisation requise du point de fonctionnement est obtenue. Verrouillage C.E. utilisé pour éliminer les retours AC indésirables. Le circuit est efficace pour les transistors au germanium et au silicium. Pour déterminer les valeurs de R b1, R b2 et R E, il faut connaître la tension d'alimentation E 0C et le courant de repos I C. Les valeurs approximatives de R b1, R b2 et R E peuvent être déterminées à l'aide des formules ci-dessous .

Inclus dans les formules ci-dessus b, c Et UBE dépendent du type de transistor et de son mode de fonctionnement.

Pour les transistors au germanium, on choisit : b ≈ 0,2 ; s – dans les 3…5 ; U BE – entre 0,1…0,2.

Pour les transistors au silicium : b ≈ 0,1 ; s – entre 10...25 ; U BE – entre 0,6…0,7.

En augmentant c et diminuer b La stabilité du circuit est réduite. Les grandes valeurs de U BE sont choisies pour les grandes valeurs de I C.

La théorie, c’est bien, mais sans application pratique, ce ne sont que des mots.

Les amplificateurs contiennent des transistors, ainsi que des éléments tels que des résistances, des condensateurs et des inductances. Les paramètres des éléments utilisés (leurs valeurs nominales et tensions) dépendent des exigences de l'amplificateur, ainsi que du type de transistors utilisés. Avec l’avènement de différents types de transistors, de nouvelles configurations de circuits amplificateurs sont devenues possibles. En biopolaire R-n-R- ou n -R-n-le transistor crée des régions alternées avec différents types de conductivité dans un certain ordre, formant une base, un émetteur et un collecteur. Le transistor s'appelle bipolaire, puisque le transfert de charge y est effectué à la fois par des électrons et des trous. DANS champ même (unipolaire) Dans les transistors, les charges sont portées par des porteurs d'un seul type : soit des électrons, soit des trous. Les transistors à effet de champ (FET) comportent trois régions appelées grille, source et drain. Selon le type de support utilisé, il existe deux types de transistors à effet de champ : R- et I-canal. Différents types de transistors ont des caractéristiques différentes, qui sont décrites plus en détail dans cette section.

Le circuit le plus courant pour construire un amplificateur basé sur un transistor bipolaire est un circuit avec un émetteur commun (mis à la terre) (CE) ; Des variantes de tels schémas sont présentées sur la Fig. 11.1. Le terme « émetteur commun » indique que dans un circuit approprié, la résistance entre la borne de l'émetteur et la masse est faible pour un signal, mais cela ne signifie pas qu'elle soit faible dans tous les cas pour le courant continu. Ainsi, par exemple, dans les diagrammes présentés à la Fig. 1.1, UN Et b, les émetteurs sont directement mis à la terre, et dans le circuit de la Fig. 1.1, une résistance est connectée entre l'émetteur et la masse, shuntée par un condensateur. Par conséquent, si la réactance de ce condensateur pour le signal est faible, nous pouvons supposer que l'émetteur est pratiquement mis à la terre pour le signal.

Pour fonctionner en classe A (section 1.4), la tension de polarisation entre la base et l'émetteur doit être directe (déverrouillage) et entre le collecteur et l'émetteur - inverse (blocage). Pour réaliser cette polarisation, la polarité des alimentations est choisie en fonction du type de transistor utilisé. Pour transistors R-n - type p (Fig. 11 L, a) le plus de la source de polarisation doit être connecté à l'émetteur de type p et le moins à la base de type i. Ainsi, la polarisation directe est obtenue à un potentiel de base négatif par rapport à l'émetteur. Pour inverser la polarisation d'un collecteur de type p, son potentiel doit être négatif. Pour ce faire, la source d'alimentation est connectée par le pôle positif à l'émetteur et le pôle négatif au collecteur.

Le signal d'entrée crée une résistance R. 1 chute de tension, qui est ajoutée algébriquement à la tension de polarisation constante. En conséquence, le potentiel de base total change en fonction du signal. À mesure que le potentiel de base change, le courant du collecteur change, et donc la tension aux bornes de la résistance. R.2. Avec une demi-onde positive de la tension d'entrée, la polarisation directe diminue et le courant traversant R. 2 diminue en conséquence. Chute de tension par R. 2 diminue également, entraînant un déphasage de 180° entre les signaux d'entrée et de sortie.

Si le transistor n est utilisé - R.- de type n (Fig. 1.1.6), alors la polarité des deux sources d'alimentation est inversée. Dans ce cas, la jonction de base s'avère également polarisée dans le sens direct, et la jonction collecteur dans le sens opposé. Comme dans le cas précédent, un déphasage de 180° se forme entre les signaux d'entrée et de sortie.

En figue. 1.1, a et b montrent les principaux éléments de l'amplificateur, et le circuit amplificateur utilisé dans la pratique est illustré à la Fig. 1.1.6. Ici, le condensateur C 1 ne laisse pas passer la composante constante du signal d'entrée, mais présente une faible réactance pour sa composante variable, qui est ainsi fournie à la résistance R. 2 . (C'est ce qu'on appelle R.C.-connexion; il est décrit plus en détail dans la section. 1.5). La tension de polarisation directe de la base provient du diviseur de tension Ri- R2, qui est connecté à la source d'alimentation. La valeur de polarisation directe requise de la base du transistor est obtenue en choisissant correctement le rapport des valeurs de résistance R. 1 Et R. 2 . De plus, dans le transistor n - R.- Le potentiel de base de type n est réglé plus positif que celui de l'émetteur. La résistance du collecteur sur laquelle le signal de sortie est généré est généralement appelée résistance de charge et est désignée R n. Grâce au condensateur d'isolement C 3, le signal est envoyé à l'étage suivant. Les circuits d'entrée et de sortie doivent avoir un point de terre commun (Fig. 1.1, UN).

Le facteur d'amplification du courant de base pour un circuit avec OE est donné par la relation suivante :

où p est le facteur d'amplification du courant de base ;

DI b - incrément de courant de base ; DI k - l'incrément correspondant du courant du collecteur à -

Riz. 1.1. Circuits émetteurs communs.

Ainsi, p est égal au rapport de l'incrément du courant du collecteur à l'incrément correspondant du courant de base à une tension de collecteur constante. Le gain de courant du signal est également appelé coefficient de transfert en courant continu [ Avec une valeur de résistance suffisamment grande R. 2 la composante alternative du courant de signal est pratiquement égale à la composante alternative du courant de base. - Note éd.]

La résistance R 3 (Fig. 1.1.5) a un effet stabilisant sur le courant du transistor lorsque la température change. La chute de tension aux bornes de R3 crée une polarisation inverse (coupure) au niveau de la jonction émetteur du transistor, car elle augmente le potentiel de l'émetteur. Par conséquent, il réduit la polarisation de base directe positive de la quantité de cette chute de tension. La présence d'une composante de tension alternative sur Rz entraînerait une diminution du signal de sortie et, par conséquent, du gain de l'amplificateur (voir Section 1.8). Pour éliminer cet effet, la résistance Rз est shuntée avec le condensateur C2.

Lorsque le transistor chauffe, la composante continue du courant du collecteur augmente. En conséquence, la tension chute aux bornes Rz, ce qui entraîne une réduction de la polarisation de base directe ainsi que du courant de collecteur. De ce fait, une compensation partielle de la dérive en température du courant est réalisée.

Riz. 1.2. Circuits sources communs

En figue. La figure 1.2 montre un circuit amplificateur à transistor à effet de champ équivalent à un circuit OE, appelé circuit à source commune. Dans ce circuit, la grille correspond à la base du transistor bipolaire, la source à l'émetteur et le drain au collecteur. Dans le diagramme 1.2, UN FET avec canal de type n est affiché. Pour un transistor avec un canal de type P, la flèche sur la grille sera dirigée dans le sens opposé. En figue. 1.2, b montre également un transistor avec un canal de type D, et sur la Fig. 1.2, V- avec un canal de type p.

Les circuits de polarisation FET diffèrent des circuits de polarisation à transistors bipolaires en raison de différences significatives dans les caractéristiques de ces dispositifs. Les transistors bipolaires sont des amplificateurs courant de signal et reproduire en sortie le courant du signal d'entrée amplifié, tandis que dans les transistors à effet de champ, le courant du signal de sortie est contrôlé par celui appliqué à l'entrée tension du signal.

Il existe deux types de PT : avec contrôle R.- Jonction N et métal-oxyde-semi-conducteur (MOS). (Les transistors MOS sont également appelés transistors à effet de champ à grille isolée.) Les deux types de transistors à effet de champ sont fabriqués avec n – et les canaux P.

Dans le diagramme de la Fig. 1.2, et un PT avec un contrôle est utilisé R.- Transition en I, et dans le diagramme de la Fig. 1.2, b - Transistor MOS fonctionnant en mode enrichissement. En figue. 1.2, V montre un MOSFET fonctionnant en mode d'épuisement. Dans les transistors MOS, la grille est représentée comme une plaque de condensateur, qui symbolise la capacité résultant de la formation d'une très fine couche d'oxyde qui isole le contact métallique de la borne de grille du canal. (Le terme « transistor MOS » est dérivé de cette méthode de production.)

Étant donné que les FET sont pilotés par la tension d'entrée plutôt que par le courant comme les transistors bipolaires, le paramètre de gain de courant du signal est remplacé par la conductance. g m. La conductance de transfert est une mesure de la qualité d'un transistor à effet de champ et caractérise la capacité de la tension de grille à piloter le courant de drain. L'expression de la conductivité de transfert est la suivante :

Unité g m, appelé Siemens, est l'inverse de l'unité de résistance (1 cm = 1/ohm). Comme il ressort de l'expression (1.2), le paramètre g m pour un FET, c'est le rapport entre l'incrément du courant de drain et l'incrément de tension de grille à une tension constante entre la source et le drain.

Dans un transistor à effet de champ avec une commande R.- Canal à jonction n et type n (Fig. 1.2, a) lorsqu'une tension négative est appliquée à la grille, le canal est dépourvu de porteurs de charge et la conductivité du canal diminue. (Pour un FET à canal P, la conductivité diminue lorsqu'une tension positive est appliquée à la grille.) Étant donné qu'un FET à unijonction n'a que deux zones avec des types de conduction différents (les bornes de source et de drain sont connectées à une zone et la borne de grille à l'autre), la conductivité entre source et drain du même type que la conductivité du canal. Ainsi, contrairement à un transistor bipolaire, qui possède UQ 3 = Le courant du collecteur 0 est égal à 0, le courant du canal peut circuler même à une tension grille-source nulle. Puisque le courant du canal est fonction de la tension Uzi, le canal du transistor à effet de champ avec la commande R.- une jonction n peut conduire le courant dans les deux sens : de la source vers le drain et dans le sens opposé (dans un transistor bipolaire, le courant du collecteur en mode de fonctionnement a toujours un sens). Dans ce cas, le point de fonctionnement (par exemple, pour les circuits de classe A) de ces transistors est défini en appliquant une tension biais inverse grille, contrairement à la polarisation directe de la jonction de base dans les transistors bipolaires [Dans un transistor avec une commande R.- une jonction n applique généralement une tension de blocage U 8i à la jonction (négative pour le canal n) et le courant maximum dans le canal est obtenu à U 3 i = 0. Le sens du courant dans le canal dépend du polarité de la source d'alimentation connectée au canal ; Lorsque la polarité de l'alimentation est inversée, la borne qui était le drain devient la source et vice versa. - Note éd.].

Comme indiqué ci-dessus, la grille des transistors MOS est isolée du canal par un diélectrique, tel que le dioxyde de silicium (SiO 2). Dans ce cas, la porte a une résistance d'entrée très élevée et peut être alimentée à la fois avec une polarisation directe pour enrichir le canal en porteurs (ce qui augmentera le courant qui passe) et une polarisation inverse pour appauvrir le canal en porteurs (ce qui réduira le canal actuel). un). Il est donc possible de fabriquer deux types différents de transistors MOS : pour fonctionner en modes enrichi et appauvri (on entend ici les transistors MOS avec canal intégré).

Un MOSFET à déplétion a un courant de drain avec une polarisation d'entrée nulle. La tension de polarisation inverse réduit le courant de drain à une certaine valeur en fonction de la plage dynamique requise du signal d'entrée. Comme le montre la fig. 1.2.6, pour les transistors de type à déplétion, la ligne représentant le canal est continue, ce qui signifie la présence d'un circuit fermé et la circulation du courant dans le canal (courant de drain) à polarisation de grille nulle.

Dans les MOSFET de type enrichi, le courant de drain à polarisation nulle est faible. La tension de polarisation augmente le courant de drain jusqu'à une certaine valeur en fonction de la plage dynamique du signal d'entrée. Pour les transistors MOS de type enrichi, la ligne représentant le canal est intermittente, ce qui symbolise une coupure de circuit à polarisation nulle. Afin d'augmenter le courant jusqu'à la quantité nécessaire au fonctionnement normal d'un circuit tel qu'un amplificateur, une polarisation appropriée doit être utilisée.

Caractéristiques de performance des circuits illustrés à la Fig. 1.D sont similaires aux caractéristiques des circuits présentés à la Fig. 1.11. Schéma de la Fig. 1.2, dans la version la plus adaptée à une utilisation pratique. Comme dans le cas évoqué précédemment, il existe une inversion de phase entre les signaux d’entrée et de sortie. La tension d’alimentation est généralement notée Ec. Afin de réduire la chute de tension du signal aux bornes de la résistance interne des sources de puissance et de polarisation, celles-ci sont shuntées avec des condensateurs de taille appropriée (Fig. 11.2, a). Les courants de signal des circuits de grille et de drain sont fermés via ces condensateurs.

Considérons un circuit permettant de connecter un transistor avec un émetteur commun.
- le terme même du nom de cette inclusion parle déjà des spécificités de ce dispositif. L'émetteur commun, qui en abrégé est OE, implique le fait que l'entrée d'un circuit donné et la sortie ont un émetteur commun.
Regardons le schéma :

dans ce circuit, nous voyons deux alimentations, le premier 1,5 volts est utilisé comme signal d'entrée pour le transistor et l'ensemble du circuit. La deuxième source d'alimentation est de 4,5 volts, son rôle est d'alimenter le transistor et l'ensemble du circuit. L'élément du circuit Rн est la charge du transistor ou, plus simplement, le consommateur.
Retraçons maintenant le fonctionnement de ce circuit lui-même : une source d'alimentation de 1,5 volt sert de signal d'entrée pour le transistor, entrant dans la base du transistor, elle l'ouvre. Si l'on considère le cycle complet du passage du courant de base, ce sera comme ceci : le courant passe du plus au moins, c'est-à-dire qu'en provenance d'une source d'alimentation de 1,5 volt, à savoir de la borne +, le courant passe par le émetteur commun traversant le socle et ferme son circuit à la borne de la batterie 1,5 volts. Au moment où le courant traverse la base, le transistor est ouvert, permettant ainsi à la deuxième source d'alimentation de 4,5 volts d'alimenter Rn. Voyons le flux de courant provenant de la deuxième source d'alimentation de 4,5 volts. Lorsque le transistor est ouvert par le courant d'entrée de base, le courant circule de la source d'alimentation de 4,5 volts à travers l'émetteur du transistor et quitte le collecteur directement vers la charge Rн.
Le gain est égal au rapport entre le courant du collecteur et le courant de base et peut généralement aller de quelques dizaines à plusieurs centaines. Un transistor connecté selon un circuit émetteur commun peut théoriquement fournir une amplification maximale du signal en termes de puissance, par rapport à d'autres options de connexion du transistor.
Considérons maintenant le circuit de connexion d'un transistor avec un collecteur commun :


Sur ce schéma, nous voyons qu'il y a un collecteur commun à l'entrée et à la sortie du transistor. Pour cette raison, ce circuit est appelé OK avec un collecteur commun.
Considérons son fonctionnement : comme dans le circuit précédent, un signal d'entrée arrive à la base (dans notre cas c'est le courant de base) et ouvre le transistor. Lorsque le transistor s'ouvre, le courant de la batterie 4,5 V passe de la borne + de la batterie à travers la charge Rн, entre dans l'émetteur du transistor, traverse le collecteur et termine son cercle. Lorsqu'elle est activée de cette manière, l'entrée OK de la cascade a une résistance élevée, généralement de quelques dixièmes de mégohm à plusieurs mégohms, en raison du fait que la jonction collecteur du transistor est verrouillée. Au contraire, l'impédance de sortie de la cascade est faible, ce qui permet d'utiliser de telles cascades pour adapter la cascade précédente à la charge. Une cascade avec un transistor connecté selon un circuit collecteur commun n'augmente pas la tension, mais augmente le courant (généralement 10 ... 100 fois). Nous reviendrons sur ces détails dans de prochains articles, car il n’est pas possible d’aborder tout et tout le monde d’un coup.
Considérons un circuit permettant de connecter un transistor avec une base commune.


Le nom OB nous en dit déjà beaucoup - cela signifie que lorsque le transistor est activé, il existe une base commune par rapport à l'entrée et à la sortie du transistor.
Dans ce circuit, le signal d'entrée est fourni entre la base et l'émetteur - c'est à cela que nous sert une batterie d'une valeur nominale de 1,5 V, le courant passant son cycle du positif à travers l'émetteur du transistor le long de sa base, ainsi ouvrir le transistor pour le passage de la tension du collecteur à la charge Rн. La résistance d'entrée de la cascade est faible et varie généralement de quelques à plusieurs centaines d'ohms, ce qui est dû à l'inconvénient de l'inclusion décrite du transistor. De plus, pour le fonctionnement d'une cascade avec un transistor connecté selon un circuit à base commune, deux alimentations distinctes sont nécessaires et le gain en courant de la cascade est inférieur à l'unité. Le gain de tension de la cascade varie souvent de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de fois.
Ici, nous avons examiné trois circuits pour connecter un transistor, pour approfondir nos connaissances, je peux ajouter ce qui suit :
Plus la fréquence du signal arrivant à l'entrée de l'étage à transistor est élevée, plus le gain en courant est faible.
La jonction collecteur du transistor a une résistance élevée. Une augmentation de la fréquence entraîne une diminution de la capacité réactive de la jonction collectrice, ce qui entraîne son shuntage important et une détérioration des propriétés d'amplification de la cascade.

TRANSISTORS BIPOLAIRES

Un transistor bipolaire est un dispositif semi-conducteur constitué de trois régions présentant des types de conductivité électrique alternés et conçu pour amplifier un signal.

Les transistors bipolaires sont des dispositifs semi-conducteurs à usage universel et sont largement utilisés dans divers amplificateurs, générateurs, dispositifs d'impulsions et de commutation.

Les transistors bipolaires peuvent être classés par matériau : germanium et silicium ;par type de conductivité : type pn-r et n- p- n; en termes de puissance : faible (Pbalançoire< 0,3W), moyenne (R balançoire= 1,5W) et grand (Pbalançoire> 1,5W); par fréquence : basse fréquence, moyenne fréquence, haute fréquence et micro-ondes.

Dans de tels transistors, le courant est déterminé par le mouvement de porteurs de charge de deux types : les électrons et les trous. C'est de là que vient leur nom : bipolaire.

Transistor bipolaireest une plaque de germanium ou de silicium dans laquelle sont créées trois régions avec des conductivités électriques différentes. Pour type transistorn-R- nla région médiane a une conductivité de trou et les régions les plus externes ont une conductivité électronique.

Transistors type p-n-p ont une région médiane avec une conductivité électronique et les extrêmes avec une conductivité de trou.

La région médiane du transistor est appelée la base, une région extrême est l’émetteur et la seconde est le collecteur. Le transistor possède donc deux R- n- transition : émetteur - entre l'émetteur et le socle et collecteur - entre le socle et le collecteur.

L'émetteur est la zone du transistor permettant d'injecter des porteurs de charge dans la base. Collecteur - une zone dont le but est d'extraire les porteurs de charge de la base. La base est la région dans laquelle les porteurs de charge non majoritaires pour cette région sont injectés par l'émetteur.

La concentration des porteurs de charge majoritaires dans l'émetteur est plusieurs fois supérieure à la concentration des porteurs majoritairesla charge dans la base et dans le collecteur est légèrement inférieure à la concentration dans l'émetteur. Par conséquent, la conductivité de l’émetteur est bien supérieure à la conductivité de la base et la conductivité du collecteur est inférieure à la conductivité de l’émetteur.

Selon laquelle des bornes est commune aux circuits d'entrée et de sortie, il existe trois circuits pour connecter le transistor : avec une base commune (CB), un émetteur commun (CE) et un collecteur commun (CC).

Le circuit d’entrée, ou de contrôle, sert à contrôler le fonctionnement du transistor. Dans le circuit de sortie, ou contrôlé, des oscillations amplifiées sont obtenues. La source des oscillations amplifiées est incluse dans le circuit d'entrée et la charge est connectée au circuit de sortie.

Le principe de fonctionnement d'un transistor en utilisant l'exemple du transistor p-n-p – type inclus dans un circuit avec une base commune (CB).

Tensions externes de deux alimentations EE et EÀconnecté au transistor de telle manière que la jonction émetteur P1 est polarisée dans le sens direct et la jonction collecteur P2 est polarisée dans le sens opposé.

Si une tension inverse est appliquée à la jonction du collecteur et que le circuit émetteur est ouvert, un petit courant inverse circule dans le circuit collecteur.jeco. Il apparaît sous l'influence d'une tension inverse et est créé par le mouvement directionnel des porteurs de charge minoritaires, des trous de base et des électrons du collecteur à travers la jonction du collecteur. Le courant inverse circule dans le circuit : +EÀ, base-collecteur, −EÀ.

Lorsqu'une tension constante EE est connectée au circuit émetteur dans le sens direct, la barrière de potentiel de la jonction émetteur diminue. L'injection de trous dans la base commence.

La tension externe appliquée au transistor s'avère être appliquée principalement aux transitions P1 et P2, car ils ont une résistance élevée par rapport à la résistance des régions de base, d'émetteur et de collecteur. Par conséquent, les trous injectés dans la base la traversent par diffusion. Dans ce cas, les trous se recombinent avec les électrons de la base. Comme la concentration de porteurs dans la base est bien inférieure à celle dans l’émetteur, très peu de trous se recombinent. Avec une faible épaisseur de base, presque tous les trous atteindront la jonction du collecteur P2. A la place des électrons recombinés, les électrons de la source d'énergie E pénètrent dans la baseÀ. Les trous se recombinant avec les électrons de la base créent un courant de baseje B.

Sous l'influence de la tension inverse EÀ,la barrière de potentiel de la jonction collectrice augmente, et l'épaisseur de la jonction P2 augmente. Les trous pénétrant dans la région de la jonction du collecteur tombent dans le champ accélérateur créé à la jonction par la tension du collecteur et sont attirés par le collecteur, créant ainsi un courant de collecteur.jeÀ. Le courant du collecteur circule dans le circuit : +EÀ, base-collecteur, -EÀ.

Ainsi, en b ipolaire Il existe trois types de courant circulant dans un transistor : l'émetteur, le collecteur et la base.

Dans le fil, qui constitue la borne de base, les courants de l'émetteur et du collecteur sont dirigés dans des directions opposées. Le courant de base est égal à la différence entre les courants de l'émetteur et du collecteur :je B = je E- jeÀ.

Processus physiques dans un type transistorn-R- nprocéder de la même manière que les processus dans un transistor de type pn-R.

Courant total de l'émetteurjeE est déterminé par le nombre de porteurs de charge principaux injectés par l'émetteur. La majeure partie de ces porteurs de charge atteignant le collecteur crée un courant de collecteurjeÀ. Une petite partie des porteurs de charge injectés dans la base se recombinent dans la base, créant un courant de basejeB. Par conséquent, le courant de l'émetteur sera divisé en courants de base et de collecteur, c'est-à-direje E = je B + jeÀ.

Le courant de sortie du transistor dépend du courant d'entrée. Un transistor est donc un dispositif commandé en courant.

Les modifications du courant de l'émetteur provoquées par les modifications de la tension de jonction de l'émetteur sont entièrement transmises au circuit collecteur, provoquant une modification du courant du collecteur. Et parce que tension de la source d'alimentation du collecteur EÀnettement plus que l'émetteur Eeuh, alors la puissance consommée dans le circuit collecteur PÀ, il y aura beaucoup plus de puissance dans le circuit émetteur Peuh. Ainsi, il est possible de contrôler une puissance élevée dans le circuit collecteur du transistor avec une faible puissance dépensée dans le circuit émetteur, c'est-à-dire il y a une augmentation de puissance.

Circuits de commutation pour transistors bipolaires

Le transistor est inclus dans le circuit de telle sorte que l'une de ses bornes est l'entrée, la seconde est la sortie et la troisième est commune aux circuits d'entrée et de sortie. Selon l'électrode commune, il existe trois circuits pour connecter les transistors : OB, OE et OK. Pour transistorsn-R- ndans les circuits de commutation, seules la polarité des tensions et le sens des courants changent. Pour tout circuit de commutation à transistors, la polarité des alimentations doit être choisie de telle sorte que la jonction émetteur soit activée dans le sens direct et la jonction collecteur dans le sens inverse.

Caractéristiques statiques des transistors bipolaires

Le mode de fonctionnement statique du transistor est le mode dans lequel il n'y a aucune charge dans le circuit de sortie.

Les caractéristiques statiques des transistors sont les dépendances exprimées graphiquement de la tension et du courant du circuit d'entrée (caractéristiques courant-tension d'entrée) et du circuit de sortie (caractéristiques courant-tension de sortie). Le type de caractéristiques dépend de la méthode de mise sous tension du transistor.

Caractéristiques d'un transistor connecté selon le circuit OB

je E = F(U EB) à U Ko = const(UN).

je K = F(U Ko) à je E = const(b).

Caractéristiques statiques d'un transistor bipolaire connecté selon le circuit OB.Les caractéristiques courant-tension de sortie ont trois domaines caractéristiques : 1 – forte dépendancejeÀ depuis UKo ; 2 – faible dépendancejeÀ depuis UKo ; 3 – panne de la jonction collecteur.Une caractéristique des caractéristiques de la région 2 est leur légère augmentation avec l'augmentation de la tension.U Ko.

Caractéristiques d'un transistor connecté selon le circuit OE :

La caractéristique d'entrée est la dépendance :

je B = F(U Battre U CE = const(b).

La caractéristique de sortie est la dépendance :

je K = F(U CE) à je B = const(UN).

Mode de fonctionnement du transistor bipolaire

Le transistor peut fonctionner selon trois modes en fonction de la tension à ses jonctions. Lors du fonctionnement en mode actif, la tension à la jonction de l'émetteur est continue et à la jonction du collecteur, elle est inverse.

Le mode de coupure, ou blocage, est obtenu en appliquant une tension inverse aux deux jonctions (les deux p-n- les passages à niveau sont fermés).

Si aux deux jonctions la tension est continue (les deux p-n- les transitions sont ouvertes), alors le transistor fonctionne en mode saturation.En mode coupure et en mode saturation, il n'y a quasiment aucun contrôle du transistor. En mode actif, ce contrôle est effectué le plus efficacement et le transistor peut remplir les fonctions d'un élément actif d'un circuit électrique - amplification, génération.

étage amplificateur à transistor bipolaire

Le circuit le plus largement utilisé est le circuit de commutation à transistor avec un émetteur commun.Les principaux éléments du circuit sont l'alimentation EÀ, élément contrôlé - transistorVermont et résistance R.À. Ces éléments forment le circuit de sortie de l'étage amplificateur, dans lequel, en raison du flux de courant contrôlé, une tension alternative amplifiée est créée à la sortie du circuit.D'autres éléments du circuit jouent un rôle de soutien. Condensateur CR.est séparatif. En l'absence de ce condensateur dans le circuit source du signal d'entrée, un courant continu serait créé à partir de la source d'alimentation E.À.

Résistance R.B, inclus dans le circuit de base, assure le fonctionnement du transistor en l'absence de signal d'entrée. Le mode repos est fourni par le courant de base de reposje B = E À/ R. B. Utiliser une résistanceR.Àune tension de sortie est créée.R.Àremplit la fonction de créer une tension variable dans le circuit de sortie en raison du flux de courant contrôlé à travers le circuit de base.

Pour le circuit collecteur de l’étage amplificateur, on peut écrire l’équation d’état électrique suivante :

E À= Uhé+ jeÀR.À,

somme de la chute de tension aux bornes de la résistanceR.k et tension collecteur-émetteurUhéle transistor est toujours égal à une valeur constante - la force électromotrice de la source d'alimentation EÀ.

Le processus d'amplification est basé sur la conversion d'énergie d'une source de tension constante EÀdans l'énergie de la tension alternative dans le circuit de sortie en raison des changements dans la résistance de l'élément contrôlé (transistor) selon la loi spécifiée par le signal d'entrée.

Au début de ce chapitre, nous avons vu comment les transistors, fonctionnant en mode saturation ou coupure, peuvent être utilisés comme interrupteurs. Dans la dernière section, nous avons vu comment les transistors se comportent dans leurs modes « actifs », entre les extrêmes de saturation et de coupure. Étant donné que les transistors sont capables de contrôler le courant de manière analogique (variant doucement), ils sont également utilisés comme amplificateurs pour les signaux analogiques.

L'un des circuits amplificateurs à transistor les plus faciles à étudier a montré précédemment les capacités de commutation du transistor (figure ci-dessous).

Transistor NPN comme simple interrupteur (la figure montre les directions du flux d'électrons)

On l'appelle circuit à émetteur commun car (en ignorant la batterie d'alimentation) la source de signal et la charge ont un point de connexion commun au transistor - l'émetteur (comme le montre la figure ci-dessous). Et, comme nous le verrons dans les sections suivantes de ce chapitre, ce n’est pas la seule manière d’utiliser un transistor comme amplificateur.

Étage amplificateur à émetteur commun : les signaux d'entrée et de sortie, lorsqu'ils sont connectés à un transistor, ont un point commun - l'émetteur

Auparavant, un petit courant provenant d’une cellule solaire saturait un transistor qui allumerait une lampe. Sachant maintenant que les transistors sont capables de « tirer » le courant du collecteur en fonction de la quantité de courant de base fournie par la source du signal d'entrée, nous pouvons voir que dans ce circuit, la luminosité de la lampe peut être contrôlée par la luminosité de la lumière tombant. sur la cellule solaire. Lorsque peu de lumière atteint la cellule solaire, la lampe brille faiblement. À mesure que davantage de lumière atteint la cellule solaire, la luminosité de la lampe augmente.

Supposons que nous souhaitions utiliser une cellule solaire comme mesureur de luminosité. Nous souhaitons mesurer la luminosité de la lumière incidente à l’aide d’une cellule solaire, en utilisant son courant de sortie pour piloter une aiguille indicatrice. Pour ce faire, vous pouvez connecter l'indicateur directement à la cellule solaire (figure ci-dessous). En fait, les mesureurs de luminosité les plus simples en photographie fonctionnent de la même manière.

Bien que cette méthode puisse fonctionner lors de la mesure de la lumière à une luminosité modérée, elle ne fonctionnera pas à une faible luminosité. Puisque la cellule solaire doit fournir l'énergie nécessaire à l'indicateur pour déplacer l'aiguille, ce système sera forcément limité dans sa sensibilité. En supposant que nous devions mesurer de très faibles intensités lumineuses, nous devons trouver une autre solution.

La solution la plus directe à ce problème consiste peut-être à utiliser un transistor (image ci-dessous) pour gagner courant de la cellule solaire afin qu'une plus grande déviation de l'aiguille indicatrice puisse être obtenue pour une lumière plus faible.

Le courant de la cellule solaire à faible luminosité doit être augmenté (la figure montre la direction du mouvement des flux d'électrons)

Le courant traversant l’indicateur dans ce circuit sera β fois supérieur au courant traversant la cellule solaire. Pour un transistor avec β égal à 100, cela donne une augmentation significative de la sensibilité de mesure. Il est sage de noter que l’énergie supplémentaire nécessaire pour déplacer l’aiguille indicatrice provient de la batterie située sur le côté droit du circuit, et non de la cellule solaire elle-même. Tout ce que fait le courant de la cellule solaire, c'est contrôler le courant de la batterie pour fournir une lecture de compteur plus élevée que celle que la cellule solaire pourrait fournir sans aide.

Étant donné que le transistor est un dispositif de régulation de courant et que le mouvement de l'aiguille indicatrice est déterminé par le courant traversant la bobine indicatrice, la lecture du compteur ne doit dépendre que du courant de la cellule solaire et non de la tension fournie par la batterie. . Cela signifie que la précision du circuit est indépendante de l’état de la batterie, ce qui est une caractéristique importante ! Tout ce qui est requis de la batterie est une certaine tension et un courant de sortie minimum qui peuvent dévier l'aiguille indicatrice vers la pleine échelle.

Une autre façon d'utiliser un circuit émetteur commun consiste à produire une tension de sortie déterminée en entrée plutôt qu'un courant de sortie spécifique. Remplaçons le comparateur à cadran par une simple résistance et mesurons la tension entre le collecteur et l'émetteur (photo ci-dessous).

Lorsque la cellule solaire est obscurcie (aucun courant ne circule), le transistor sera en mode coupure et se comportera comme un interrupteur ouvert entre le collecteur et l'émetteur. Cela entraînera une chute de tension maximale entre le collecteur et l'émetteur, donnant une Vout maximale égale à la tension totale de la batterie.

À pleine puissance (éclairage maximal), la cellule solaire entraînera la saturation du transistor, le faisant se comporter comme un interrupteur fermé entre le collecteur et l'émetteur. Le résultat sera une chute de tension minimale entre le collecteur et l'émetteur, ou une tension de sortie presque nulle. En réalité, un transistor ouvert ne pourra jamais atteindre une chute de tension nulle entre le collecteur et l'émetteur en raison des deux jonctions PN à travers lesquelles doit circuler le courant du collecteur. Cependant, cette « tension de saturation collecteur-émetteur » sera assez faible, de l'ordre de quelques dixièmes de volt, selon le transistor spécifique utilisé.

Pour les sorties de cellules solaires pour des niveaux de lumière compris entre zéro et maximum, le transistor sera en mode actif et la tension de sortie sera comprise entre zéro et la pleine tension de la batterie. Il est important de noter que dans un circuit émetteur commun, la tension de sortie inversé par rapport au signal d’entrée. Autrement dit, à mesure que le signal d’entrée augmente, la tension de sortie diminue. Pour cette raison, le circuit amplificateur à émetteur commun est appelé inversion amplificateur.

Une simulation rapide SPICE du circuit (figure et netlist ci-dessous) testera nos conclusions sur ce circuit amplificateur.

Circuit amplificateur à émetteur commun avec numéros de nœuds dans SPICE (liste de connexion ci-dessous) *amplificateur à émetteur commun i1 0 1 dc q1 2 1 0 mod1 r 3 2 5000 v1 3 0 dc 15 .model mod1 npn .dc i1 0 50u 2u . plot dc v(2,0) .fin

Au début de la simulation (dans la figure ci-dessus), lorsque la source de courant (cellule solaire) produit un courant nul, le transistor est en mode coupure et la tension de sortie de l'amplificateur (entre les nœuds 2 et 0) est égale aux 15. volts de tension de la batterie. À mesure que le courant de la cellule solaire commence à augmenter, la tension de sortie diminue proportionnellement jusqu'à ce que le transistor atteigne la saturation à un courant de base de 30 µA (courant de collecteur de 3 mA). Remarquez comment le graphique de la tension de sortie est parfaitement linéaire (1 volt passe de 15 volts à 1 volt) jusqu'au point de saturation où il n'atteint jamais zéro. Cet effet a été mentionné précédemment : un transistor entièrement passant ne peut pas atteindre une chute de tension exactement nulle entre le collecteur et l'émetteur en raison de la présence de jonctions internes. Ce que nous constatons est une forte diminution de la tension de sortie de 1 volt à 0,2261 volt à mesure que le courant d'entrée augmente de 28 µA à 30 µA, puis une nouvelle diminution de la tension de sortie (bien que par incréments beaucoup plus petits). La tension de sortie la plus basse obtenue à partir de cette simulation est de 0,1299 volts, soit presque zéro.

Jusqu’à présent, nous avons vu comment un transistor agit comme un amplificateur pour des signaux de tension et de courant constants. Dans l'exemple de mesure de l'éclairement à l'aide d'une cellule solaire, nous souhaitions amplifier le signal de sortie CC de la cellule solaire pour piloter un indicateur à cadran CC ou obtenir une sortie de tension constante. Cependant, ce n’est pas la seule manière d’utiliser un transistor comme amplificateur. Il arrive souvent qu'un amplificateur AC soit nécessaire pour amplifier les signaux variables courant et tension. L'un des cas les plus courants est celui de l'électronique audio (radio, télévision). Nous avons vu précédemment un exemple de signal audio provenant d'un diapason activant un commutateur à transistor (image ci-dessous). Voyons si nous pouvons modifier ce circuit pour transférer l'énergie vers le haut-parleur plutôt que vers la lampe.

Commutateur à transistor activé par le son (la figure montre les directions du flux d'électrons)

Dans le circuit d'origine, un pont redresseur double alternance était utilisé pour convertir le signal de tension alternative du microphone en tension continue afin de piloter l'entrée du transistor. Il suffisait d'allumer la lampe à l'aide d'un signal sonore provenant du microphone : à ces fins, un tel circuit était suffisant. Mais maintenant, nous voulons amplifier le signal de tension alternative et le transmettre au haut-parleur. Cela signifie que nous ne pouvons plus redresser le signal de la sortie microphone, car nous avons besoin d'un signal non déformé pour alimenter le transistor ! Retirons le pont redresseur du circuit et remplaçons la lampe par un haut-parleur.

Étant donné que le microphone peut générer des tensions supérieures à la chute de tension directe aux bornes de la jonction PN base-émetteur, j'ai placé une résistance en série avec le microphone. Simulons le circuit de la figure ci-dessous en utilisant SPICE. La liste des connexions est donnée ci-dessous.

Modèle SPICE d'un amplificateur audio avec un amplificateur à émetteur commun à émetteur commun vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0) r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02 m 0,74m .plot tran v(1,0) i(v1) .end

Les graphiques de simulation (image ci-dessus) montrent à la fois la tension d'entrée (un signal de tension alternative avec une amplitude de 1,5 volts et une fréquence de 2 000 Hz) et le courant traversant la batterie de 15 volts, qui est le même que le courant traversant le haut-parleur. Ici, nous voyons une onde sinusoïdale complète de la tension alternative d'entrée (avec des demi-ondes positives et négatives) et des demi-ondes du courant de sortie d'une seule polarité. Si nous envoyions réellement ce signal à un haut-parleur, le son qui en sort serait considérablement déformé.

Quel est le problème avec ce schéma ? Pourquoi ne reproduit-il pas avec précision la forme d'onde complète de la tension alternative du microphone ? La réponse à cette question peut être trouvée en vérifiant soigneusement le modèle de transistor basé sur une diode et une source de courant (figure ci-dessous).

Le courant du collecteur est contrôlé ou régulé en mode courant constant en fonction de la quantité de courant circulant à travers la jonction base-émetteur. Notez que les deux chemins de circulation du courant à travers le transistor sont unidirectionnels : un seul sens ! Malgré notre intention d'utiliser un transistor pour amplifier un signal alternatif, il s'agit essentiellement d'un dispositif continu qui ne peut gérer les courants que dans un seul sens. Nous pouvons appliquer un signal d'entrée de tension alternative entre la base et l'émetteur, mais les électrons dans ce circuit ne pourront pas circuler pendant le demi-cycle lorsque la jonction base-émetteur est polarisée en inverse. Par conséquent, le transistor restera en mode coupure pendant toute cette partie de la période. Il ne "s'allumera" en mode actif que si la tension d'entrée est de la polarité correcte pour polariser en direct la jonction base-émetteur, et seulement lorsque cette tension est suffisamment grande pour dépasser la chute de tension directe de la jonction. N'oubliez pas que les transistors bipolaires sont des dispositifs contrôlés en courant : ils régulent le courant du collecteur en fonction du flux de courant de la base vers l'émetteur, plutôt que de la présence de tension entre la base et l'émetteur.

La seule façon d’amener le transistor à émettre un signal vers le haut-parleur sans déformer sa forme d’onde est de maintenir le transistor actif à tout moment. Cela signifie que nous devons maintenir le courant dans la base pendant toute la durée du signal d'entrée. Par conséquent, la jonction PN base-émetteur doit être polarisée en direct à tout moment. Heureusement, cela peut être réalisé en utilisant une tension de polarisation constante ajoutée au signal d'entrée. En connectant une source de tension continue avec un niveau suffisamment élevé en série avec une source de signal de tension alternative, la polarisation directe peut être maintenue en tous points de l'onde sinusoïdale du signal (figure ci-dessous).

La polarisation V maintient le transistor en mode actif amplificateur à émetteur commun vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0,02m 0,78m .plot tran v(1,0) i(v1) .end Grâce à la polarisation V, le courant de sortie I(v(1)) n'est pas déformé

En présence d'une source de tension de polarisation de 2,3 volts, le transistor reste en mode actif pendant toute la durée de l'onde sinusoïdale, reproduisant correctement la forme d'onde sur le haut-parleur (figure ci-dessus). Notez que la tension d'entrée (mesurée entre les nœuds 1 et 0) fluctue entre environ 0,8 volts et 3,8 volts, comme prévu, la crête à crête est de 3 volts (l'amplitude de la tension source est de 1,5 volts). Le courant de sortie (circulant à travers le haut-parleur) varie de zéro à près de 300 mA et est déphasé de 180° par rapport au signal d'entrée (du microphone).

La figure ci-dessous montre une autre vue du même circuit, cette fois avec plusieurs oscilloscopes connectés aux points d'intérêt pour afficher les signaux correspondants.

L'entrée de la base est décalée vers le haut. Sortie inversée.

La partie importante est la nécessité d'une polarisation dans le circuit amplificateur à transistor pour obtenir une reproduction complète de la forme d'onde. Une section distincte de ce chapitre sera entièrement consacrée aux objets et aux méthodes de déplacement. Pour l'instant, il suffit de comprendre qu'une polarisation peut être nécessaire pour produire les formes d'onde de tension et de courant correctes à la sortie de l'amplificateur.

Maintenant que nous disposons d’un circuit amplificateur fonctionnel, nous pouvons examiner sa tension, son courant et son gain. Un transistor typique utilisé dans ces études a une valeur de β = 100, comme en témoigne la courte impression des paramètres du transistor ci-dessous (cette liste de paramètres a été raccourcie par souci de concision).

Paramètres du transistor bipolaire SPICE :

Le type npn est 1.00E-16 bf 100.000 nf 1.000 br 1.000 nr 1.000

β est répertorié sous l'abréviation « bf », qui signifie en fait « bêta, en avant ». Si nous voulions insérer notre propre coefficient β pour l'étude, nous pourrions le faire dans la ligne .model de la netlist SPICE.

Puisque β est le rapport entre le courant du collecteur et le courant de base et que nous avons la charge en série avec le collecteur du transistor et notre source en série avec la base, le rapport entre le courant de sortie et le courant d'entrée sera bêta. Le gain de courant dans cet exemple d'amplificateur est donc de 100.

Le gain de tension est un peu plus difficile à calculer que le gain de courant. Comme toujours, le gain de tension est défini comme le rapport entre la tension de sortie et la tension d'entrée. Pour déterminer cela expérimentalement, nous modifierons notre dernière analyse SPICE pour tracer non pas le courant de sortie, mais la tension de sortie, afin de comparer les deux tracés de tension (image ci-dessous).

Amplificateur à émetteur commun vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) v(3) .fin Tension de sortie V(1) aux bornes de la résistance r haut-parleur pour comparaison avec le signal d'entrée

Lorsqu'il est tracé sur la même échelle (0 à 4 volts), nous voyons que le signal de sortie dans la figure ci-dessus a une amplitude inférieure à celle du signal d'entrée, et il est également à un niveau de polarisation plus élevé que le signal d'entrée. Étant donné que le gain de tension d'un amplificateur CA est déterminé par le rapport d'amplitude, nous pouvons ignorer toute différence de décalage CC entre les deux signaux. Malgré cela, le signal d'entrée est toujours supérieur au signal de sortie, ce qui indique que le gain de tension est inférieur à 1 (dB négatif).

Pour être honnête, ce gain de basse tension n’est pas typique de tous les amplificateurs à émetteurs courants. Ceci est une conséquence de la grande inadéquation entre l'impédance d'entrée et l'impédance de charge. Notre résistance d'entrée (R1) est ici de 1000 ohms, et la charge (haut-parleur) n'est que de 8 ohms. Puisque le gain en courant est déterminé uniquement par β, et puisque ce paramètre β est fixe, le gain en courant pour cet amplificateur ne changera pas avec une modification de l'une de ces résistances. Cependant, le gain en tension dépend de ces résistances. Si nous modifions la résistance de charge en la rendant plus grande, la chute de tension à ses bornes augmentera proportionnellement aux mêmes valeurs de courant et nous verrons un signal avec une plus grande amplitude sur le graphique. Essayons de simuler à nouveau le circuit, mais cette fois avec une charge de 30 ohms (photo ci-dessous).

Amplificateur à émetteur commun vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) v(3) .fin Augmenter le haut-parleur à 30 ohms augmente la tension de sortie

Cette fois, l'oscillation de la tension de sortie est beaucoup plus grande que la tension d'entrée (image ci-dessus). En y regardant de plus près, nous constatons que l'oscillation du signal de sortie est d'environ 9 volts, soit environ 3 fois l'oscillation du signal d'entrée.

Nous pouvons effectuer une autre analyse informatique de ce circuit, en instruisant cette fois SPICE du point de vue de la tension alternative, nous donnant des valeurs d'amplitude de tension d'entrée et de sortie au lieu de formes d'onde (tableau ci-dessous).

Liste nette SPICE pour imprimer les valeurs de tension alternative d'entrée et de sortie.

Amplificateur à émetteur commun vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v(1,0 ) v(4,3) .fin fréquence v(1) v(4,3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00

Les mesures des amplitudes des signaux d'entrée et de sortie ont montré 1,5 volts à l'entrée et 4,418 volts à la sortie. Cela nous donne un gain de tension de 2,9453 (4,418 V/1,5 V), soit 9,3827 dB.

Étant donné que le gain de courant pour un étage amplificateur à émetteur commun est fixé à β et que les tensions d'entrée et de sortie seront égales aux courants d'entrée et de sortie multipliés par les résistances correspondantes, nous pouvons obtenir une formule pour approximer le gain de tension :

Comme vous pouvez le constater, le gain de tension calculé est assez proche des résultats de la simulation. Avec un comportement parfaitement linéaire des transistors, ces deux ensembles de valeurs seront exactement égaux. SPICE fait un travail intelligent en tenant compte de nombreuses bizarreries du transistor bipolaire lors de leur analyse, il existe donc un léger écart entre les valeurs calculées et les résultats de la simulation.

Ces gains de tension restent les mêmes quel que soit l'endroit du circuit où nous mesurons la tension de sortie : entre le collecteur et l'émetteur ou aux bornes de la résistance de charge, comme nous l'avons fait lors de la dernière analyse. La modification de la valeur de la tension de sortie pour toute valeur de tension d'entrée donnée restera inchangée. Pour preuve de cette affirmation, considérons les deux analyses SPICE suivantes. La première simulation de la figure ci-dessous est effectuée dans le domaine temporel pour obtenir des tracés des tensions d'entrée et de sortie. Vous remarquerez que les deux signaux sont déphasés de 180°. La deuxième simulation du tableau ci-dessous est une analyse de tension alternative, fournissant simplement des lectures de tension de crête pour l'entrée et la sortie.

Liste des composés SPICE pour la première analyse :

Amplificateur à émetteur commun vinput 1 5 sin (0 1,5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2,3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0,02m 0,74m .plot tran v(1,0) v(3,0) .fin Un étage amplificateur à émetteur commun avec haut-parleur R amplifie le signal de tension

Liste des connexions SPICE pour l'analyse AC :

Amplificateur à émetteur commun vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v(1,0 ) v(3,0) .fin fréquence v(1) v(3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00

Nous avons toujours une tension de sortie maximale de 4,418 volts avec une tension d'entrée maximale de 1,5 volts. La seule différence par rapport aux données de la dernière simulation est que dans la première simulation, nous pouvons voir la phase de la tension de sortie.

Jusqu'à présent, dans les exemples de circuits présentés dans cette section, nous n'avons utilisé que des transistors NPN. Les transistors PNP peuvent également être utilisés dans tout type de circuit d'étage amplificateur tant que les polarités et les directions du courant sont correctes, et le circuit émetteur commun ne fait pas exception. L'inversion et l'amplification du signal de sortie d'un amplificateur sur transistor PNP est similaire à un amplificateur sur transistor NPN, seules les polarités des batteries seront opposées (figure ci-dessous).

Résumons :

• Les étages amplificateurs à transistor à émetteur commun sont ainsi nommés car les tensions d'entrée et de sortie ont un point de connexion commun au transistor - l'émetteur (sans compter les alimentations).
• Les transistors sont essentiellement des dispositifs à courant constant : ils ne peuvent pas gérer directement les tensions ou les courants qui changent de direction. Pour qu'ils fonctionnent pour amplifier les signaux de tension alternative, le signal d'entrée doit être polarisé avec une tension continue pour maintenir le transistor actif pendant toute la période d'onde sinusoïdale du signal. C'est ce qu'on appelle le décalage.
• Si la tension de sortie dans un circuit amplificateur à émetteur commun est mesurée entre l'émetteur et le collecteur, elle sera déphasée de 180° par rapport à la tension d'entrée. Ainsi, un amplificateur à émetteur commun est appelé circuit amplificateur inverseur.
• Le gain de courant d'un amplificateur à transistor à émetteur commun avec une charge connectée en série avec le collecteur est β. Le gain de tension d'un amplificateur à transistor à émetteur commun peut être calculé approximativement à l'aide de la formule :
  \
  où Rout est une résistance connectée en série avec le collecteur ; et Rin est une résistance connectée en série avec la base.