Le transistor bipolaire Pascal MASSON (pascal.masson@unice.fr) Edition 2008-2009 Pascal MASSON École Polytechnique Universitaire de Nice SophiaSophia-Antipolis Cycle Initial Polytechnique -Cycle PolytechniqueLe transistor bipolaire 1645 Initial route des Lucioles, 06410 BIOT Sommaire I. Historique II. Caractéristiques du transistor III. Les fonctions logiques IV. Amplification en classe A V. Multivibrateur astable ABRAHAM BLOCH VI. Amplification en classe B VII. Amplificateur opérationnel Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire I. Historique I.1. Définition Le transistor bipolaire est un composant électronique utilisé comme : interrupteur commandé, amplificateur, stabilisateur de tension, modulateur de signal … Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire I. Historique I.2. Histoire du transistor 1947 : John BARDEEN et Walter BRATTAIN inventent le transistor à contact (transistor) au laboratoire de physique de la société BELL (USA). Cette découverte est annoncée en juillet 1948. Transistor à contact 1948 1948 : Herbert MATARE et Heinrich WELKER inventent (indépendamment de BELL) aussi le transistor à contact en juin 1948 (en France). Ce transistor sera appelé le Transistron 1948 Transistron pour le distinguer de celui de BELL. 1948 : en janvier William SHOCKLEY invente le transistor à jonction (bipolaire) mais la technique de fabrication ne sera maitrisée qu’en 1951 Transistor à jonction 1948 Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire I. Historique I.2. Histoire du transistor Les transistors replacent les contacteurs électromécaniques des centraux téléphoniques et les tubes dans les calculateurs. 1953 – calculateur (93 transistors + 550 diodes) Sonotone 1010 1953 : première application portative transistor entant que sonotone. Régency TR-1 (4 transistors) 1954 : première radio à transistors. Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire du I. Historique I.3. Histoire des premiers circuits intégrés 1958 : Jack KILBY de Texas Instrument présente le premier circuit (oscillateur) entièrement intégré sur une plaque de semiconducteur. 1958 – premier circuit intégré 1960 : production de la première mémoire Flip Flop par la Fairchild Semiconductor. 1960 – Flip Flop en circuit intégré 1965 : à partir du nombre de composants par circuit intégré fabriqué depuis 1965, Gordon MOORE (Fairchild Semiconductor) prédit que le nombre de composants intégrés (par unité de surface) doublera tous les 12 mois. Cette loi est toujours vraie ! Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire société II. Caractéristiques du transistor II.1. Définition d’un transistor bipolaire Le transistor bipolaire est créé en juxtaposant trois couches de semiconducteur dopés N+, P puis N pour le transistor NPN (courant dû à un flux d’électrons) ou dopés P+, N puis P pour le transistor PNP (courant dû à un flux de trous). Le niveau de dopage décroit d’un bout à l’autre de la structure. Un faible courant de base, IB, permet de commander un courant de collecteur, IC, bien plus important. II.2. Représentation collecteur collecteur émetteur collecteur IC VCE base VBE IB N P N+ Pascal MASSON VCE base IE émetteur base IC Transistor NPN -Cycle Initial Polytechnique- VBE IB P N P+ IE émetteur Transistor PNP Le transistor bipolaire II. Caractéristiques du transistor II.3. Fonctionnement du transistor NPN IC Si la tension VBE est suffisante, la diode BE (base –émetteur) est passante : Courant de trous de B vers E. IB N P Courant d’électrons de E vers B VCE N+ qV qV I = IS . exp BE = (ISt + ISe ). exp BE kT kT VBE IE Si la tension VCE est suffisante, les électrons qui arrivent dans la base sont envoyés dans le collecteur. La diode CB est polarisée en inverse. Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire II. Caractéristiques du transistor II.3. Fonctionnement du transistor NPN Par convenance on pose : VT = q ( = 25.6 mV à 300K ) kT Les trois courants du transistors bipolaire sont donc les suivants : IB : courant de trous de B vers E. V I B = ISt . exp BE VT IC IB N P VCE N+ VBE IE IC : courant d’électrons de E vers C VBE I C = ISe . exp VT IE : courant de trous de B vers E + courant d’électrons de E vers C V I = IS . exp BE VT Le rapport, β, entre les courants IC et IB dépend entre autres des niveaux de dopage de l’émetteur et de la base ainsi que de l’épaisseur de la base : IC = β.IB Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire II. Caractéristiques du transistor II.3. Caractéristiques IB(VBE) du transistor NPN Pour débloquer (rendre passant) le transistor NPN, il faut que la jonction base-émetteur soit polarisée en direct avec une tension supérieure à la tension de seuil, VS, de cette diode : VBE > VS. La caractéristique IB(VBE) est celle de la diode base-émetteur en ne considérant que le courant de trou. Ici le courant de trous est bien plus faible que le courant d’électrons. collecteur IC VCE base VBE IB N P N+ inverse directe IE émetteur Pascal MASSON IB (A) 0 -Cycle Initial Polytechnique- VS VBE (V) Le transistor bipolaire II. Caractéristiques du transistor II.3. Caractéristiques IB(VBE) du transistor PNP Pour débloquer (rendre passant) le transistor PNP, il faut que la jonction base-émetteur soit polarisée en direct avec une tension supérieure (en valeur absolue) à la tension de seuil, VS, de cette diode soit : VBE < −VS. La caractéristique IB(VBE) est celle de la diode base-émetteur en ne considérant que le courant des électrons. Ici le courant des électrons est bien plus faible que le courant des trous. collecteur IB (A) IC VCE base VBE IB P N P+ directe inverse IE émetteur Pascal MASSON −VS -Cycle Initial Polytechnique- 0 VBE (V) Le transistor bipolaire II. Caractéristiques du transistor II.3. Caractéristiques IC(VCE) du transistor NPN Si la jonction BC est polarisée en inverse, alors le courant d’électrons peut traverser cette jonction. Dans ce cas le courant IC est indépendant de VCE : régime linéaire (IC = β.IB) Si VCE = 0 alors aucun courant ne circule entre l’émetteur et le collecteur Le basculement entre ces deux fonctionnements se produit à la tension VCEsat (sat pour saturation) : le courant IC n’est pas proportionnel à IB. saturé Linéaire collecteur IC VCE base VBE IB IB3 IB2 > IB1 N P N+ IB1 IE émetteur Pascal MASSON IB4 IC (A) 0 -Cycle Initial Polytechnique- VCEsat VCE (V) Le transistor bipolaire III. Les fonctions logiques III.1. L’inverseur La loi des mailles dans la boucle de sortie donne : VCE = VS = 24 − R.I C On obtient alors la droite de charge : Si VE = 0 V : VBE Si VE = 24 V : VBE IC (A) IC 24 V −6V B IB4 R R1 E VE 0V Pascal MASSON RB IB VBE S VCE = VS -Cycle Initial Polytechnique- A 0 VCE (V) Le transistor bipolaire III. Les fonctions logiques III.1. L’inverseur La loi des mailles dans la boucle de sortie donne : VCE = VS = 24 − R.I C On obtient alors la droite de charge : On trace maintenant la caractéristique VS(VE) de l’inverseur. VS (V) A 24 IC (A) B IB4 IB3 IB2 > IB1 VCEsat B 24 VE (V) Pascal MASSON IB1 -Cycle Initial Polytechnique- A 0 VCE (V) Le transistor bipolaire III. Les fonctions logiques III.1. L’inverseur Table de vérité et symbole logique : E S 0 1 1 0 E S=E En pratique on définit un gabarie pour l’inverseur VS (V) 24 VCEsat 24 VE (V) Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire III. Les fonctions logiques III.2. La fonction NI (NON-OU, NOR) IC 24 V −6V Schéma électrique d’une porte NI : R2 E2 RB R R1 E1 VBE 0V Table de vérité et symbole logique : E1 E2 Pascal MASSON S = E1+E2 -Cycle Initial Polytechnique- IB E2 E1 S 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 Le transistor bipolaire S VCE = VS III. Les fonctions logiques III.3. La fonction mémoire à deux portes NI Le but est de stocker l’information 1 ou 0. Schémas logique le la mémoire : 0 Set 0 Reset Table de vérité : Q 0 Set Reset 0 0 Q 0 Q 1 1 Q Chronogramme : Set 1 0 t Reset 1 0 t Q 1 0 t Q 1 0 t Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire III. Les fonctions logiques III.3. La fonction mémoire à deux portes NI Symbole logique de la mémoire RS (bascule RS) : Schémas électrique de cette mémoire : Set Q Reset Q 24 V −6V Set R2 R1 RB R Reset Q R2 RB R R1 Q 0V Mémoire de type RAM (Random Acces Memory) qui s’apparente à la SRAM (Static) : l’information disparaît si on éteint l’alimentation. Si le pont de base consomme 1 µ A (sous 30 V) et que l’on stocke 106 bits alors la mémoire disperse au moins 30 W ! Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire III. Les fonctions logiques III.3. La fonction mémoire à deux portes NI 1971 : 256-bit TTL RAM (Fairchild) Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire IV. Amplification classe A IV.1. Principe de fonctionnement L’amplificateur de classe A amplifie tout le signal VDD d’entrée. On travaille dans la partie linéaire du transistor IC = β.IB RC qui est polarisé en statique à IB0 et IC0. Le courant IB oscille autour de IB0 et donc IC oscille autour de IC0 avec IC = β.IB. IB Sans signal d’entrée, l’ampli consomme IC0 : mauvais rendement (au mieux 50 %). IC (A) ICmax IC0 ICmin 0 Pascal MASSON IC VS VCE = VS VE = VBE IC (A) IBmax IB0 IBmin ICmax IC0 IC = β.IB t ICmin VCE (V) -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire IV. Amplification classe A IV.2. Eléments du montage Les résistances R1 et R2 constituent le pont de base : polarisation de la base Le condensateur C ne laisse passer que la variation de Ve et non la composante continue : évite de modifier la polarisation de la base. VDD CL est aussi un condensateur de liaison qui permet à la charge RL (résistance d’entrée du R1 bloc suivant) de ne pas modifier la C polarisation du transistor. RC IP VBE Ve Pascal MASSON CL Vs RL R2 -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire IV. Amplification classe A IV.3. Point de repos du montage Le point de repos correspond aux valeurs des tensions et des courants lorsqu’on ne considère que le régime statique (ne dépend pas du temps). C et CL se comportent comme des interrupteurs ouverts. En règle générale on impose IP >> IB : On peut aussi faire le calcul de IB avec : V I P = BE R1.(I P + I B ) = VDD − VBE et R2 VDD R1 RC d’où IP VBE R2 Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire VCE IV. Amplification classe A IV.4. Régime petit signal : paramètres h IC (A) VCE0 IC (A) ICmax IC0 IC0 t ICmin IB (A) IBmax IB0 0 VCE0 VCE (V) Composantes statique + dynamique VBE0 VBE (V) IB (A) t Pascal MASSON I C ( t ) = I C0 + i c (t ) I B ( t ) = I B0 + i b (t ) VBE ( t ) = VBE0 + v be (t ) VCE ( t ) = VCE0 + v ce (t ) Définition des paramètres hybrides ib v be = h ie .i b + h re .v ce bipolaire vbe i c = h fe .i b + h oe .v ce -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire ic vce IV. Amplification classe A IV.4. Régime petit signal : paramètres h IC (A) VCE0 hfe Détermination de hie h ie = hoe IC0 ∂v be ∂V = BE ∂i b v = 0 ∂I B V = V CE CE 0 ce Détermination de hfe IB0 0 IB (A) VBE0 VBE (V) hie ! VCE0 VCE (V) hre ∂i c =β ∂i b v =0 ce Détermination de hoe h oe = Les paramètres h dépendent du point de repos Pascal MASSON h fe = ∂i c ∂v ce i = 0 b Détermination de hoe -Cycle Initial Polytechnique- h re = ∂v be ∂v ce i = 0 b Le transistor bipolaire IV. Amplification classe A IV.5. Schéma électrique petit signal VDD R1 Rg C RC eg Pascal MASSON schéma, on ne Les autres sont équivalents à la masse. Aux fréquences considérées, les capacités de liaison sont Vs des court-circuits. RL ib RB varient. IP R2 Rg ce considère que les signaux qui CL VBE eg Pour vbe B ic C hie hre.vce hfe.ib 1/hoe vce RC E -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire RL IV. Amplification classe A IV.6. Caractéristiques de l’amplificateur R B.h ie R B + h ie Impédance d’entrée : R e = R B // h ie = Impédance de sortie : Rs = RC (R // R L )ic = − h fe . R C .R L v A V = ce = − C v be h ie .i b h ie R C + R L Gain en tension : Ou en utilisant le cours sur les quadripôles : h11 ⇒ h ie AV = − R C .h 21 h11 + h11.h 22 .R C − h12 .h 21.R C Rg eg ib RB vbe RC ⇒ R L h12 ⇒ h fe = β avec h 21 ⇒ h re = 0 B C hie hfe.ib h 22 ⇒ h oe = ic vce RC E Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire RL 1 RC IV. Amplification classe A IV.6. Caractéristiques de l’amplificateur Gain en tension à vide: h A V0 = A V R → ∞ = − fe .R C L h ie Gain composite : v Re A vg = ce = A V eg Rg + Re Quadripôle équivalent : R e = R B // h ie = R B.h ie R B + h ie R gs = R s = R C e gs = A vg .e g Rg i2 i1 Rgs eg Pascal MASSON v1 Re egs -Cycle Initial Polytechnique- v2 Le transistor bipolaire RL IV. Amplification classe A IV.7. Fréquences de coupure hautes Nous considérons la capacité entre la base et le collecteur : CBE Elle peut être ramenée en entrée et en sortie du transistor avec le théorème de MILLER : Z1 = Z2 = 1 j.C BC1.ω = 1 j.C BC2 .ω = 1 1 j.C BC .ω 1 − A V 1 C BC1 = C BC (1 − A V ) >> C BC . AV j.C BC .ω 1 − A V C BC2 = C BC . 1 − AV ≈ C BC AV Rg eg Pascal MASSON RB hie CBC1 -Cycle Initial Polytechnique- hfe.ib CBC2 RC Le transistor bipolaire RL IV. Amplification classe A IV.7. Fréquences de coupure hautes ( v ce h fe R e // C BC1 ) =− . R eq // C BC2 Gain composite : A vg = eg h ie R g + (R e // C BC1 ) Am v ce h fe R eq .R e 1 1 soit A vg = =− . . . eg h ie R g + R e 1 + jωC BC1 R g // R e 1 + jωC BC2 R eq ( ) ( ) Gain aux fréquences moyennes Il existe deux fréquences de coupure hautes avec FHF1 << FHF2 : Fréquence de 1 1 = FHF FHF2 = coupure haute FHF1 = 2πC BE1 R g // R e 2πC BE2 R eq de l’ampli Rg ( eg Pascal MASSON RB ) hie CBC1 -Cycle Initial Polytechnique- hfe.ib CBC2 Req RC Le transistor bipolaire RL IV. Amplification classe A IV.7. Fréquences de coupure hautes Diagramme de bode en amplitude (échelle semi-log) : Avg(db) h R eq .R e fe 20 log − . h ie R g + R e 20 Am 0 − 20 db/dec − 20 − 40 − 40 db/dec 1 Pascal MASSON 103 FHF1 106 -Cycle Initial Polytechnique- FHF2 109 F (Hz) Le transistor bipolaire IV. Amplification classe A IV.7. Fréquences de coupure hautes Diagramme de bode en phase (échelle semi-log) : ϕ(°) − 90 gain Am négatif − 180 − 270 − 360 1 Pascal MASSON 103 FHF1 106 -Cycle Initial Polytechnique- FHF2 109 F (Hz) Le transistor bipolaire IV. Amplification classe A IV.8. Fréquence de transition FT Le paramètre h21 n’est pas constant avec la fréquence. A partir de la fréquence de coupure Fβ, ce paramètre décroit de 20 db/dec. FT est inversement proportionnel au temps de transit des porteurs entre les contacts émetteur et collecteur h 21 = h21(db) β 1+ j (temps nécessaire au transistor pour F Fβ répondre à une variation de tension de petite amplitude). 0 FT est obtenue lorsque β =1 (0 db). Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Fβ FT F (Hz) Le transistor bipolaire IV. Amplification classe A IV.9. Produit gain-bande Le produit gain bande correspond au produit du gain (en moyenne fréquence) par la fréquence de coupure haute : R eq h fe R eq .R e 1 1 1 A m .FHF = − . . =− . . h ie R g + R e 2πC BC1 R g // R e R g 2πC BC h ie + R eq h fe ( h ie << R eq h fe Comme ) alors A m .FHF = − Le produit gain bande est AVg(db) donc une constante : si on Am’ augmente Am Am alors on 1 2πC BC R g ≈− R eq Rg .FHF2 diminue FHF ! 0 Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- FFH’ FFH Le transistor bipolaire F (Hz) IV. Amplification classe A IV.10. Fréquences de coupure basses On prend en considération les capacités de liaison C et CL. Re v v v RL .A V 0 . Gain composite : A vg = 1 = 1 . be = 1 1 e g v be e g R L + RS + Re + Rg + Am jωC L jωC h fe R eq .R e 1 1 A vg = − . . . j j h ie R e + R g 1 − 1− ωC L (R L + R C ) ωC R e + R g ( ) Il existe deux fréquences de coupure basses : 1 1 FBF1 = FBF2 = 2πC R g + R e 2 πC L (R L + R C ) CL C R ( ) g Rs eg Pascal MASSON vbe Re -Cycle Initial Polytechnique- AV0.vbe vl Le transistor bipolaire RL IV. Amplification classe A IV.10. Fréquences de coupure basses Diagramme de bode en amplitude (échelle semi-log) : Avg(db) h R eq .R e fe 20 log − . h ie R g + R e 20 Am 0 20 db/dec − 20 − 40 40 db/dec 1 FBF1 Pascal MASSON FBF2 103 FHF1 106 -Cycle Initial Polytechnique- FHF2 109 F (Hz) Le transistor bipolaire IV. Amplification classe A IV.10. Fréquences de coupure basses Diagramme de bode en phase (échelle semi-log) : ϕ(°) − 90 gain Am négatif − 180 − 270 − 360 1 FBF1 Pascal MASSON FBF2 103 FHF1 106 -Cycle Initial Polytechnique- FHF2 109 F (Hz) Le transistor bipolaire IV. Amplification classe A IV.11. Résistance d’émetteur Si le transistor chauffe il risque de s’emballer et d’être détruit. La résistance RE évite l’emballement thermique du transistor : T° IB VE VBE IB On obtient alors la droite de charge : VDD VDD VCE IC = − RC + R E RC + R E R1 IC (A) C RC IP VBE Ve 0 Pascal MASSON VCE0 R2 CL Vs RL RE VDD VCE (V) -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire IV. Amplification classe A IV.11. Résistance d’émetteur v h fe A V0 = l == − .R C ve h ie + R E (1 + h fe ) Gain en tension à vide : Le gain à vide (et donc le gain composite) a été diminué par l’introduction de la résistance RE. Rg eg ib RB B C hie ic hfe.ib ve E RC vl RE Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire RL IV. Amplification classe A IV.11. Résistance d’émetteur v h fe A V0 = l == − .R C ve h ie + R E (1 + h fe ) Gain en tension à vide : Le gain à vide (et donc le gain composite) a été diminué par l’introduction de la résistance RE. On ajoute la capacité de découplage CE (passe bas) qui permet la suppression de VDD la résistance RE en régime alternatif : R1 augmentation du gain. C RC IP VBE Ve Pascal MASSON R2 -Cycle Initial Polytechnique- CL CE Vs RL RE Le transistor bipolaire IV. Amplification classe A IV.11. Résistance d’émetteur v h fe A V0 = l == − .R C ve h ie + R E (1 + h fe ) Gain en tension à vide : Le gain à vide (et donc le gain composite) a été diminué par l’introduction de la résistance RE. On ajoute la capacité de découplage CE (passe bas) qui permet la suppression de la résistance RE en régime alternatif : IC (A) augmentation du gain. statique dynamique Droite de charge statique 1 pente = − RC + R E Droite de charge dynamique 1 pente = − RC Pascal MASSON 0 -Cycle Initial Polytechnique- VCE0 VDD VCE (V) Le transistor bipolaire V. Multivibrateur astable Abraham BLOCH V.2. Fonctionnement VDD Circuit dont le schéma s’apparent à celui de la mémoire RS et qui fournit un signal carré. t0 t1 V CE1 VBE1 VCE2 VBE2 t2 VDD RC1 C1 C2 0 VC2 0.6 V T1 t 0.6 V t R2 R1 0.6 V T2 On considère ici que VCEsat ≈ 0 Instant t = t0− t VC2 = VDD − 0.6 V VBE2 dévient égal à 0.6 V t Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire RC2 VDD V. Multivibrateur astable Abraham BLOCH V.2. Fonctionnement VDD Circuit dont le schéma s’apparent à celui de la mémoire RS et qui fournit un signal carré. t0 t1 V CE1 VBE1 VCE2 t2 VDD RC1 C1 VDD C2 RC2 0.6 V T1 − V t 0.6 V t R2 R1 DD 0 + 0.6 V T2 Instant t > t0+ VBE1 devient égal à 0.6 V C1 se charge via RC1 VBE2 t ce qui bloque le transistor T1 La capacité C2 doit se charger pour t Pascal MASSON VBE1 devient égal à 0 − (VDD − 0.6) assurer VC2 = VDD en fin de charge. -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire V. Multivibrateur astable Abraham BLOCH V.2. fonctionnement VDD Circuit dont le schéma s’apparent à celui de la mémoire RS et qui fournit un signal carré. t0 t1 V CE1 VBE1 VCE2 VBE2 t2 VDD RC1 0 C1 C2 DD RC2 VDD 0.6 V T1 − V t 0.6 V t R2 R1 + 0.6 V T2 Instant t = t1 VCE2 devient égal à ≈ 0 t VBE1 devient égal à 0 − (VDD − 0.6) ce qui bloque le transistor T1 La capacité C2 doit se charger pour t Pascal MASSON assurer VC2 = VDD en fin de charge. -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire V. Multivibrateur astable V.2. Fonctionnement VDD Circuit dont le schéma s’apparent à celui de la mémoire RS et qui fournit un signal carré. t0 t1 V CE1 VBE1 VCE2 t2 RC1 C1 R2 R1 C2 RC2 VDD T1 t 0.6 V t T2 La période du signal carré dépend des valeurs de R1, R2, C1 et C2 Il faut aussi RC1 << R1 et RC2 << R2 VBE2 t t Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire VI. Amplification classe B VI.1. Définition et principe de fonctionnement L’amplificateur de classe B n’amplifie que la VDD moitié du signal d’entrée. Il crée beaucoup de distorsion mais a un RC rendement bien meilleur que le classe A avec en théorie 78.5 %. IB Le point de repos se situe à la limite du IC (A) IC0 0 Pascal MASSON VCE = VS VE = VBE blocage du transistor ICmax IC VS IC (A) IBmax IB0 VCE (V) ICmax IC0 -Cycle Initial Polytechnique- t Le transistor bipolaire VI. Amplification classe B VI.2. Amplificateur push-pull VDD Les deux transistors ont le même gain β. Amplificateur de puissance et non de tension NPN IL Si VE = 0, les deux transistors sont bloqués et VS = 0. VE PNP Si VE > 0.6 V, le transistor NPN est en régime linéaire et le PNP est bloqué : RL VS − VDD VS = VE – 0.6. Si VE < − 0.6 V, le transistor PNP est en VS (V) VE (V) régime linéaire et le NPN est bloqué. 0.6 VS = VE + 0.6. Distorsion pour les faibles valeurs de VE. 0 t − 0.6 Saturation de VS si |VE| > VDD. Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire VI. Amplification classe B VI.2. Amplificateur push-pull VDD Les deux transistors ont le même gain β. Amplificateur de puissance et non de tension NPN IL Si VE = 0, les deux transistors sont bloqués et VS = 0. VE Si VE > 0.6 V, le transistor NPN est en régime linéaire et le PNP est bloqué : VS = VE – 0.6. Si VE < − 0.6 V, le transistor PNP est en régime linéaire et le NPN est bloqué. VS = VE + 0.6. Distorsion pour les faibles valeurs de VE. RL VS PNP − VDD VS (V) VDD − VDD − 0.6 0.6 VDD VE (V) Saturation de VS si |VE| > VDD. Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire VI. Amplification classe B VDD VI.2. Amplificateur push-pull Afin d’éviter la distorsion du signal, on place un pont de base avec deux diodes polarisées en directe (et passantes). 0.6 V NPN IL VE PNP L’amplificateur push-pull est utilisé comme étage de sortie des générateurs de fonction et RL VS les amplificateurs audio. − VDD VS (V) VDD − VDD − 0.6 0.6 Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- VDD VE (V) Le transistor bipolaire VII. Amplificateur opérationnel VII.1. Définition Les premiers amplis opérationnels (réalisé à l’aide VDD de tubes à vide) étaient destinés aux calculatrices analogiques, d’où leur nom. Il se caractérise par deux entrées (une inverseuse, notée −, une non inverseuse, notée +), une sortie et Vd V1 V2 − VDD VS un gain A liés par la relation : VS = A.(V1 – V2) = A.Vd L’impédance d’entrée très grande (≥ 500 kΩ), l’impédance de sortie est presque nulle et la bande passante part du continu. Le gain est très grand (≈ 50000) ce qui signifie qu’un amplificateur opérationnel alimenté sous ± 15 V sature pour Vd = 300 µV ! Il est constitué de plusieurs montages de base : paire différentielle, miroirs de courant, amplificateur push-pull … Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire VII. Amplificateur opérationnel VDD VII.2. La paire différentielle Présentation RC RC C’est l’étage d’entrée de l’amplificateur. C1 Elle est constituée de : Deux transistors identiques montés en B1 C2 T1 T2 émetteur commun. Une source de courant I0 (miroir de courant) I0 La somme des courants IE1 et IE2 est toujours − VDD égale à I0. Donc si IE1 augmente alors IE2 diminue. Variation de VC1 et VC2 avec VB1 : VB1 IE1 VRC1 VC1 IE2 VRC2 VC2 B1 : entrée inverseuse pour C1 et non inverseuse pour C2 Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire B2 VII. Amplificateur opérationnel VDD VII.2. La paire différentielle Expressions des courants IE1 et IE2 RC RC Tensions de base : C1 B1 C2 T1 T2 I0 IE − VDD IE0 0 Pascal MASSON VBE0 VBE -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire B2 VII. Amplificateur opérationnel VDD VII.2. La paire différentielle Expressions des courants IE1 et IE2 Courant IE1 : Courant IE2 : RC V I V I E1 = IS . exp BE1 = 0 . exp d VT 2 2 VT RC C1 B1 C2 T1 VBE2 I 0 Vd = . exp − I E 2 = IS . exp V 2 2 V T T I0 Courants normalisés en posant : I E1 I E1 1 = = I0 I E1 + I E 2 V 1 + exp − d VT B2 T2 IE/I0 1 − VDD IE2/I0 IE1/I0 0.5 I E1 I E2 1 = = I0 I E1 + I E 2 Vd 1 + exp VT Pascal MASSON Vd −4VT -Cycle Initial Polytechnique- −VT VT 4VT Le transistor bipolaire VII. Amplificateur opérationnel VDD VII.2. La paire différentielle Expressions des tensions VC1 et VC2 RC Tension VC1 : VC1 = VDD − R C .I C1 ≈ VDD − R C .I E1 Vd R C .I 0 VC1 = VDD − . exp 2 2 VT RC C1 C2 B1 T1 Tension VC2 : VC2 = VDD − B2 T2 I0 V R C .I 0 . exp − d 2 2VT VC E0 − VDD VC1 VC2 E0 − RC.I0 / 2 E0 − RC.I0 Pascal MASSON Vd −4VT -Cycle Initial Polytechnique- −VT VT 4VT Le transistor bipolaire VII. Amplificateur opérationnel VDD VII.2. La paire différentielle Expressions du gain en tension RC Si |Vd| << VT VC2 ≈ VDD − R C .I 0 2 RC C1 V 1 − d 2 VT C2 B1 T1 B2 T2 Si on s’intéresse aux variations : I0 ∂V R .I Av = C2 = C 0 ∂Vd 4 VT VC E0 − VDD VC1 VC2 E0 − RC.I0 / 2 E0 − RC.I0 Pascal MASSON Vd −4VT -Cycle Initial Polytechnique- −VT VT 4VT Le transistor bipolaire VII. Amplificateur opérationnel VII.2. La paire différentielle B1 Régime dynamique C1 hie Expression de hie I ∂V V h ie = BE = T = C0 VT ∂I B V = V I B0 h fe CE CE 0 vd Expression de ib2 RC vc1 RC vc2 E1 = E2 hie ib2 B2 1 vd i b2 = − h ie 2 hfe.ib1 hfe.ib2 C2 Expression de vc2 v c2 = − R C .h fe .i b2 = R C .h fe R .I vd = C 0 vd 2.h ie 4.VT Expression du gain en tension v R .I Av = c2 = C 0 vd 4.VT Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire VII. Amplificateur opérationnel VDD VII.3. Le miroir de courant Principe R4 La tension VBE d’un transistor est imposée par ≈ I0 une diode T4 En régime linéaire, le courant de collecteur est T3 VBE indépendant de VCE et donc de la valeur de la charge de collecteur I0 − VDD Amélioration du montage IC La diode est remplacée par un transistor bipolaire identique à T3 mais monté en diode. I0 IB0 ∆VCE 0 Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire VCE VII. Amplificateur opérationnel VII.4. Le suiveur de tension VDD Présentation L’entrée du montage se trouve sur la base du transistor T5 et la sortie sur la résistance d’émetteur. En régime de petit signal, le collecteur est à la masse. VE Ce montage réalise une adaptation d’impédance avec une résistance d’entrée élevée, une résistance de sortie faible et un gain égal à 1. ib5 ve B1 hie R5 VS − VDD E1 hfe.ib5 R5 vs RL C1 Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire RL VII. Amplificateur opérationnel VII.4. Le suiveur de tension VDD Calcul des grandeurs fondamentales Résistance d’entrée : Re = T5 Ve h ie .i b5 + (R 5 // R L )( . 1 + h fe )i b5 = ≈ h ie + h fe (R 5 // R L ) i b5 i b5 VE R5 VS Résistance de sortie : R 5 h ie + R g vs vs vs Rs = = = ≈ ( ) v v 1 + h is h ie + R g + h fe R 5 s − (1 + h )i s + fe v − VDD fe b5 s R5 R 5 h ie + R g Gain en tension : ( ( ib5 ve B1 hie ) (1 + h fe )(R 5 // R L )i b5 v Av = s = Ve h ie .i b5 + (1 + h fe )(R 5 // R L )i b5 E1 hfe.ib5 ) R5 vs RL Comme hie << hfe(R5 // RL), alors Av ≈ 1 C1 Pascal MASSON RL -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire VII. Amplificateur opérationnel VII.5. Schéma électrique globale VDD R4 RC RC R6 R7 T7 Entrée + T1 T2 Entrée − Sortie I0 T5 T8 T6 T4 T3 R5 R8 − VDD Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire VII. Amplificateur opérationnel VII.6. Application : amplificateur inverseur R2 Les entrées ± ne consomment pas de courant. R1 I Loi des mailles appliquée au montage : VE = R1.I − Vd − Vd = R 2 .I + VS avec Vd VS = A.Vd VE On élimine I en divisant ces deux équations. VS VS + A VE + R1 A+G VE A = = = VS 1 R2 (A + 1) − G (A + 1) − − VS 1 + VE A On obtient alors l’expression du gain G : G = A VS avec G= VS VE −A R ≈− 2 R R1 1 + 1 (A + 1) R2 Hors saturation de la sortie, Vd reste très faible et négligeable devant les autres tensions. On remplace habituellement ″− Vd″par ε. Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire VII. Amplificateur opérationnel VII.6. Application : amplificateur suiveur R Le courant I est très faible (base du bipolaire) I et la valeur de ε est négligeable ce qui donne : VS = R.I + ε + VE ≈ VE de sortie très faible. On peut donc prélever la Circuit L’impédance d’entrée est très grande et celle ε A VE tension VE sans modifier le circuit. En pratique R est égal à l’impédance de sortie du circuit. Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire VS VII. Amplificateur opérationnel VII.6. Application : additionneur Somme des courants : V2 I = I1 + I 2 V1 I2 R2 I1 R1 R ε I A Application de la loi des nœuds à VS l’entrée − : V2 − ε V1 − ε ε − VS + = R2 R1 R soit V2 V1 V + =− S R 2 R1 R Tension de sortie : R R VS = − V1 + V2 R2 R1 Si R1 = R2 : VS = − Si R1 = R2 = R : VS = −(V1 + V2 ) Pascal MASSON R (V1 + V2 ) R1 -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire VII. Amplificateur opérationnel VC C VII.7. Application : intégrateur Rappels : Q = C.V et dQ dV I= =C dt dt R ε Loi des mailles : et VE = R.I A VE VS VS = − VC Expression de VS : VE = − R.C. I dVS dt VS = − VC0 − VE VS dVS = − 1 R.C ∫ 1 VE dt R.C VE dt 0 IB0 VC0 est la tension initiale aux bornes du condensateur Pascal MASSON -Cycle Initial Polytechnique- Le transistor bipolaire
