Semi-conducteurs suite

Nous avons des besoins variés en électronique. Nous savons depuis l'étude sur les générateurs qu'ils soient continus ou alternatifs que ceux-ci ont une résistance interne Ri ou impédance propre Zi (le i est pour Input = Entrée). Quand nous couplons un générateur à un récepteur (une résistance par exemple), nous essayons de transférer le maximum de puissance et c'est là que les impédances entrent en jeu.

Essayons de modéliser simplement un générateur de tension alternative “v” d'impédance Zi transférant son énergie à un récepteur d'impédance R (ce récepteur R pourrait être l'impédance d'entrée d'un étage à transistor).

Nous comprenons intuitivement que le générateur de tension charge un pont diviseur formé par Zi et R. Si par exemple Zi est beaucoup plus grand que R, toute la tension fournie par le générateur va se développer aux bornes de son impédance interne, le récepteur ne verra pratiquement rien. On mesure donc qu'il sera parfois nécessaire d'avoir des montages amplificateurs ayant des caractéristiques d'entrée - sortie différentes. Ceci nous est donné par trois montages fondamentaux du transistor en amplificateur.

On l'appelle ainsi car du point de vue alternatif, l'émetteur est à la masse par l'intermédiaire du condensateur de découplage CE. De ce fait il se trouve être commun à l'entrée et à la sortie. Ce type de montage est certainement celui qui est le plus utilisé. Nous avons déjà étudié le fonctionnement mais rappelons que la tension à amplifier est superposée à la polarisation continue. VBE augmente ce qui fait croître IC. Quand IC croît la chute de tension RC IC croît également. Parallèlement si RC IC croît, la tension VCE diminue. Au demi cycle suivant c'est l'inverse qui se produit, RC IC diminue, VCE augmente.

On constate donc qu'à une augmentation de la tension d'entrée, correspond une diminution de la tension de sortie. Attention, notez que la tension de sortie est beaucoup plus élevée que la tension d'entrée, car nous avons réalisé un amplificateur. Ici nous parlons de la phase du signal pas de son amplitude.

Le montage Émetteur Commun pour les raisons que nous venons d'expliquer déphase le signal de 180°

Des variations de IC, ce qui provoque des variations de VRC que l'on récupère grâce à un condensateur. Les variations de IC sont produites par la tension d'entrée qui déplace le point de repos sur la droite de charge du transistor.

Le gain peut être défini comme le rapport des variations de la tension de sortie sur les variations de la tension d'entrée

Pour déterminer cette amplification, on considère le circuit équivalent en alternatif de l’amplificateur de la page précédente.(schéma de gauche de la figure ci-dessous). Comme la source est en parallèle avec R1 et R2, vi se trouve entre base et émetteur du transistor. En considérant le circuit équivalent du transistor en AC, on obtient le schéma de droite de la figure ci-dessous.

Cette relation est importante car elle vous fournit les clefs de l'amplification. Le signe "-" indique que le signal de sortie est déphasé de 180° par rapport au signal d'entrée.

Exemple : Voici le montage, on ne se préoccupera pas de la valeur des condensateurs que l'on considérera comme des courts-circuits en alternatif. Nous allons calculer, la valeur de l'amplification, l'impédance d'entrée et l'impédance de sortie.

1 - Nous voulons calculer la valeur de r'e, pour ce faire, nous devons connaître IE. Calculons la tension sur la base VB

La base est à la masse en alternatif (voir le condensateur), les signaux à amplifier sont envoyés sur l'émetteur et la sortie amplifiée est sur le collecteur. Les signaux injectés sur l'émetteur produiront des variations de tension sur la jonction base – émetteur, ce qui fera varier IB et donc IC. Quant à la polarisation, elle est identique à celle du montage EC.

Pour déterminer l’amplification et les impédances d’entrée et de sortie, on considère le circuit équivalent en alternatif de l’amplificateur ci-dessus. Le signal d’entrée vi se trouve aux bornes de RE. En considérant le circuit équivalent du transistor en AC, on obtient le schéma de droite de la figure ci-dessous.

Impédance d'entrée du circuit : L’impédance d’entrée du circuit est égale à :

Impédance de sortie du circuit : L’impédance de sortie Zo du circuit est :

Cette fois c'est le collecteur qui est directement relié au plus (pour les signaux alternatifs le + équivaut à la masse) d'où le nom de collecteur commun. Le circuit de polarisation est le classique pont de base. Vous remarquerez que l'émetteur n'est pas découplé, on peut déjà en déduire que le gain sera loin d'être maximum. On utilise ce montage quand on doit coupler une source haute impédance à une charge basse impédance. Voyons le comportement de l'engin.

Il existe un montage à collecteur commun très répandu, souvent sous la forme d'un seul boîtier à trois broches, appelé Darlington. Constitution : Il s'agit de deux étages collecteurs communs reliés ensemble.

L'intérêt de ce type de montage est d'obtenir un transistor équivalent avec b = b1 x b2. De plus l'isolement de la charge par rapport à la source est augmenté car l'impédance d'entrée est augmentée et l'impédance de sortie diminuée.

Nous avons jusqu'à présent raisonné sur des montages complètement isolés du monde extérieur, or il n'en est pas ainsi dans la vie et tous les montages amplificateurs verront à leur entrée une source et à leur sortie une charge. Nous allons brièvement esquisser le tableau.

Nous allons prendre pour notre étude le classique montage “émetteur commun” et visualiser ce que voient les courants alternatifs et continus d'un tel montage. Une fois ceci effectué, nous pourrons ramener tous nos montages amplificateurs à de simples modèles.

Nous voici ancrés dans la réalité maintenant. Nous avons rajouté une source de tension alternative v ayant une impédance interne RI. À la sortie nous avons connecté une charge RL (L pour Load). Nous allons maintenant, grâce à des règles simples réduire ce schéma à la fois pour le continu et pour l'alternatif à des modèles simples.

1 - Court-circuiter les sources de tension alternatives et ouvrir les sources de courant

Il reste ceci pour le continu, ce qui nous permet de calculer facilement les tensions et courants continus dans ce montage.

1 - Court-circuiter les sources de tension continues et ouvrir les sources de courant

Et voici ci-dessus ce qui reste pour l'alternatif. Nous avons court-circuité les sources de tensions continues ce qui a amené R1 à être en // sur R2 et le collecteur est ramené à la masse par RC. La charge se retrouve alors en // sur RC. Nous avons aussi court-circuité le condensateur de découplage ce qui a eu pour effet de mettre directement l'émetteur à la masse.

La partie gauche représente l'entrée du montage où une source de tension v, charge un ensemble composé d'une impédance interne RI et d'une charge formée par R1 et R2 en parallèle. Il s'agit d'un classique pont diviseur. La tension d'entrée effective à amplifier sera VI.

La partie droite représente la sortie côté collecteur. Une source de tension (A x VI) est appliquée à un pont diviseur formé par la résistance de collecteur et la résistance de charge. La tension effective amplifiée et VO.

Comme on peut le constater, le facteur d'amplification seul (A) ne suffit pas à décrire le comportement de l'étage amplificateur. Une bonne partie de la tension est “perdue” aux bornes des résistances internes.

Tableau récapitulatif des caractéristiques des trois montages fondamentaux

	Émetteur Commun	Base Commune	Collecteur Commun
Signal d’entrée	Base	Émetteur	Base
Signal de sortie	Collecteur	Collecteur	Émetteur
Impédance d'entrée	Moyenne	Basse	Élevée
Impédance d'entrée	variable selon la polarisation, de l'ordre de quelques KW Zi = R1//R2//br^’e	ordre de grandeur : quelques dizaines W Zi = r^’e//RE	Plus élevée qu'un montage émetteur commun Zi = R1//R2//b(r^’e+RE)
Impédance de sortie	Moyenne	Moyenne	Basse
Impédance de sortie	Zo= Rc	Zo= Rc	ordre de grandeur : quelques dizaines W Zo=RE//[r^’e+(R1//R2) / b]
Phase entrée/sortie	180°	0^o	0^o
Gain en tension	Élevé A = -Rc/r^’e	Élevé A = Rc/r^’e	Très légèrement inférieur à 1
Gain en Courant	Élevé	Très légèrement inférieur à 1	Élevé
Utilisation	C'est le montage de base, on le retrouve partout.	Montage utilisé en HF du fait de sa bande passante supérieure à l'émetteur commun et adaptateur d’impédance	C'est l'adaptateur d'impédance par définition

Retenez qu'il existe trois montages fondamentaux, que le montage émetteur commun est le plus utilisé et que l'on peut réduire assez simplement ce type de montage à un modèle simple.