J AUVRAY Systèmes Electroniques LES COMPOSANTS ACTIFS

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1 J AUVRAY Systèms lctroniqus LS OMPOSANTS ATIFS L TRANSISTOR IPOLAIR Il st constitué d 3 couchs d smi-conductur rspctivmnt N P t N (ou PNP).La couch cntral, la bas,st minc, sa largur doit êtr très infériur à la longuur d diffusion ds porturs injctés dans ctt zon. Tsté avc un ohmètr un transistor s comport comm dux diods têt bêch. Avc un tl apparil il st ainsi possibl d détrminr si un transistor st n bon état t d rpérr son 'sx' PNP ou NPN t la position d sa bas. N P N invrs, ou ils sont capturés t attignnt l collctur. 'st l'fft transistor qui s traduit par la rlation simpl I αi.α infériur à st l gain n courant n bas commun. n introduisant I I +I on obtint la formul fondamntal du transistor : I βi avc βα/(-α) β st l gain n courant du transistor. I I I n fonctionnmnt normal la jonction bas émttur st polarisé dans l sns passant ( V,7V) t la jonction bas collctur dans l sns bloquant (V >V ) Pour un dopag d'émttur très supériur à clui d la bas, l courant mttur-as st ssntillmnt constitué par ls porturs négatifs passant d vrs.la largur d la bas étant infériur à la longuur d diffusion d cs élctrons dans l matériau d bas, la plus grand parti d'ntr ux parvint dans la région d charg d'spac d la jonction, polarisé n I Zon d charg d'spac mttur as ollctur N P W N L fonctionnmnt du transistor st oncntration d'élctrons dans la bas décrit à l'ordr zéro (utilisé pour calculr sa polarisation ) : I βi z t V,7V modèl simpl considèr qu la tnsion bas émttur st constant, il st donc inadapté au calcul d'un montag amplificatur dans lqul la tnsion d'ntré modifi précisémnt ctt tnsion., pour un fonctionnmnt n régim variabl il faut introduir la caractéristiqu xact d la jonction : I I xp( / ) V Pour d ptits variations d I t V autour d'un point d polarisation on st donc conduit au schéma du prmir ordr classiqu rproduit ci contr. s schémas n donnnt cpndant qu'un approximation grossièr du fonctionnmnt du transistor, aussi bin n courant continu qu pour ls ptits signaux.. I as h i mttur I i i ollctur ta.i Schéma pour ptits signaux Modélisation Modèl continu : brs t Moll

2 J AUVRAY Systèms lctroniqus Pour fair travaillr un transistor bipolair autour d V il faut tnir compt ds dux diods t.. Dans l sns dirct (collctur du coté + pour un NPN) l comportmnt n continu du transistor st rprésnté convnablmnt par l schéma [A] ci dssous. L comportmnt invrs s'obtint n invrsant l schéma, la jonction d command étant la diod. Figur []. L modèl d'brs t Moll st obtnu n associant ls dux schémas précédnts. L transistor st alors décrit par ls dux équations : A I dirct V V I I (xp ) + α I (xp ) V V I α D I (xp ) I O (xp ) On constat n particulir qu pour V comportmnt st décrit par la sul équation: I -I xp(v /) I mttur V arly L modèl d Gumml t Pound utilisé par SPI st un modification du modèl d'brs t Moll qui inclus l'fft arly. A a s ollct Mais c modèl n'xpliqu pas l'augmntation du β avc la tnsion d collctur, pour l'xpliqur il faut fair appl à l'fft arly.ls porturs injctés dans bas sont capturés par l champ intrn xistant dans la zon d charg d'spac d la jonction collctur. Ls équations d diffusion ds porturs montrnt qu la concntration ds porturs vari linéairmnt ntr l'émttur t l bord d ctt zon, c'st c qui a été rprésnté sur un figur précédnt. Si la tnsion d collctur augmnt il n st d mêm d l'épaissur W d la zon, tout s pass comm si la largur d la bas était réduit, c qui s traduit par un augmntation du β.l calcul Ic montr qu touts ls caractéristiqus d'un It transistor convrgnt vrs un point sur la parti négativ d l'ax ds tnsions,c'st la tnsion d'arly.figur ci contr. Pour un transistor rél ctt convrgnc n'st qu'approximativ. Vc Modèl pour ptits signaux L transistor considéré comm un quadripôl st l plus souvnt décrit par sa matric h : v hi + hv bc i hi + hv avc v V v V i I i I Rbc On put lui associr l schéma équivalnt n π rprésnté ci contr, ou: R h R /h R /R h t Rb Rc gvb g β/h b Modèl d ordr Lorsqu la charg xtériur placé ntr collctur t émttur st ptit dvant l /h t pour ds fréquncs faibls ls trms h t h puvnt êtr négligés,(il faut ls gardr ou ls négligr tous ls dux )Il n rst alors qu ls équations du modèl simplifié, ordr, : v h i I i β i corrspondant au schéma simplifié ci contr : schéma simplifié donn toujours un valur trop grand du gain d un étag, l rrur étant d autant plus grand qu l résultat st proch d la valur du β l h βi

3 J AUVRAY Systèms lctroniqus Modèl HF, schéma d Giacoltto n Zon charg d'spac as Vc Vc+DVc ollctur x Pour tnir compt du comportmnt du transistor lorsqu la fréqunc augmnt on introduit ls capacités intrns b t bc. n sont pas sulmnt ls capacités normals ds jonctions polarisés mais ds capacités d diffusion. onsidérons d'abord ; nous avons vu plus haut qu la concntration ds porturs minoritairs dans la bas ( ds élctrons pour un transistor NPN ) décroissait linéairmnt d l'émttur à la zon d charg d'spac d la jonction d collctur. s porturs n transit ont un charg total qui st proportionnll à la surfac coloré n blu pâl dans la figur ci contr, donc proportionnll au courant émttur I. Qk I Si c courant vari d I Q vari d Qk I mais I V /h Donc Qk/h. V qui st d la form Q V ou st la capacité d diffusion. La natur d fait intrvnir l'fft arly. Si la tnsion collctur bas vari, il n st d mêm d la largur ffctiv d la bas, la répartition ds porturs n transit st donc modifié, la charg vari d'un quantité proportionnll au triangl coloré n blu foncé. tt variation st snsiblmnt proportionnll à V, l cofficint d proportionnalité st la capacité d diffusion annoncé. Mêm n faisant intrvnir cs condnsaturs intrns, l modèl n'st pas satisfaisant car on constat qu l'impédanc d'ntré n tnd pas vrs zéro lorsqu la fréqunc augmnt ( c qui srait l cas à caus d qui courtcircuit l'ntré ) Il faut fair intrvnir la résistanc du matériau d bas qui s comport comm un résistanc n séri avc l'ntré. L modèl obtnu st l Rb Rb ' ' c Rc Rc R c Rc R gvb schéma d Giacoltto, il st rprésnté ci contr. Pour un transistor d faibl puissanc h st d l ordr d -3, Rb c st donc fois plus grand qu Rb c st à dir d l ordr du MΩ t son action st négligabl dvant cll d b c on l néglig l plus souvnt. Fréquncs d coupur : L gain n courant apparnt du quadripôl st l quotint Ic/ Ib pour Vc. n négligant b c dvant b si un courant i st injcté dans la bas, la tnsion sur la bas rb ' intrn st : v i + jr ω L courant d sorti étant i gv b ' On n déduit l gain n courant β d la form : β β ω + j ω β avc t ω β β gr b ' r gv 3

4 J AUVRAY Systèms lctroniqus c st la pulsation d coupur du gain n courant, pour ls transistors courants ll st d l ordr d qulqus MHz au plus. On donn plus souvnt dans ls documntations commrcials la pulsation ω I au dlà d laqull l gain n courant tomb n dssous d. n écrivant qu l modul d β st égal à il st facil d montrr qu ω I βo.ωβ v Amplificatur à charg résistiv, fft Millr Nous considérrons qu la résistanc d charg R L st faibl dvant r t l impédanc du condnsatur b c Alors la tnsion d sorti s écrit : v gv R b Rb g ' ' Si i st l courant d ntré on put écrir au nœud : (avc g/r) i v g + j ω) + ( v v ) j ω gv +grlc L ( c RL v ws Rb R RL ' +grlb on n déduit l impédanc d ntré sur la bas : Z rb + g + jω[ + grl c ] qui corrspond au schéma ci contr: La capacité apparnt d ntré n st pas sulmnt du à b mais surtout à b c multiplié par l gain d l étag. st l fft Millr. D façon général soit un amplificatur d gain G shunté par un condnsatur, l courant circulant dans vaut : ( v v ) jω jω( G) v st à dir qu l impédanc d ntré st cll d un condnsatur (-G) qui si G st grand t négatif s écrit G.L condnsatur st multiplié par l gain. Z Avc ls approximations faits l schéma d G v Gv l amplificatur st rprésnté ci dssous. R L t la fréqunc d coupur du gain n tnsion : rb + rb ' ω S t R rb rb ' L + RL g c tt fréqunc d coupur st très infériur à la fréqunc d transition présnté plus haut, qulqus dizains d MHz au plus, ll n tnd pas vrs l infini si la charg RL tnd vrs zéro t chut rapidmnt si ctt charg augmnt au dlà L calcul montr alors qu l gain global put s mttr sous la form : G G avc : G + + j ω ω S r b g Rg Frqunc d coupur d R L,qui vaut n général qulqus cntains d ohms sulmnt. Avc un N95 on a par xmpl : b 8pF b c pf r bb Ω r b kω g3-3 β f β Mhz f I Mhz mais f S Mhz t RL7Ω RL 4

5 J AUVRAY Systèms lctroniqus Ls trois montags Il st d'usag d distingur trois montags d bas suivant l'élctrod qui st commun à l'ntré t la sorti. L montag émttur commun 'st l plus naturl t aussi l plus mployé. Nous rappllrons rapidmnt ss propriétés n utilisant l modèl d ordr, l modèl d'ordr ( V,7V t Ic βib ) st utilisé pour l calcul du point d polarisation Impédanc d ntré h n parallèl sur la résistanc d polarisation R Impédanc d sorti Rc Gain n tnsion -βr c /h L paramètr h étant invrsmnt proportionnl au courant bas, h /I t kt/q6mv pour 3 K Rb v Rc v L montag collctur commun Très utilisé lui aussi pour ss qualités d adaptatur d impédanc. n prmièr approximation l gain vaut V V -,7V rlation ntr ls tnsions continus sur la bas t l émttur. L schéma équivalnt prmt d écrir : v hi + R ( β + ) i v R ( β + ) i d ou l impédanc d ntré Z h + ( β ) R + qui pour ds valurs pas trop faibl d R st d l ordr d βr, résultat important à rtnir. L courant d sorti circulant dans la charg st i (β+)i mais si on fait intrvnir la sourc d attaqu d résistanc intrn R G : v u -(R G +h ).I h + RG c st à dir : v v β + i xprssion qui montr qu l impédanc d sorti sur l émttur st h + R G, si l impédanc d sourc st élvé t β grand dvant β + Uo V i Rg R R H V βi V ( β+)i,ctt xprssion s simplifi n Z S R G /β autr résultat fondamntal. Rmarqu important : L montag collctur commun st très souvnt utilisé comm adaptatur d impédancs, on constat cpndant parfois ds instabilités ( oscillations ) qui sont surprnants puisqu son gain st infériur à l unité. L schéma d Giacoltto prmt d comprndr l origin ds cs problèms, n fft si la charg 5

6 J AUVRAY Systèms lctroniqus d émttur st capacitiv l impédanc d ntré d un montag put avoir un parti réll négativ. La courb précédnt st obtnu avc un N dont l émttur st chargé par un résistanc d kω n parallèl avc un condnsatur d nf.la parti réll d l impédanc attint 5kΩ au voisinag d Mhz.La mis n plac d un résistanc dans l circuit d collctur modifi la courb mais n touch pas notablmnt au résultat. Un tll impédanc négativ put êtr l origin d oscillations qu il st très difficil d éliminr,un résistanc n séri avc la bas put êtr nécssair. L montag bas commun Dans c drnir cas c st la bas qui st l point commun ntr l ntré t la sorti, c st à dir la mass pour ls ptits variations. L signal d ntré st alors appliqué à l émttur. Sur l schéma équivalnt au nœud mttur Rc + βi V R R V h Rc V I R b I V i + i i + β v hi mais h soit v + i β l impédanc d ntré au nivau émttur st très bass d l ordr d h /β, c st la caractéristiqu ssntill du montag, par contr l gain st au sign près l mêm qu pour l montag. L montag st surtout utilisé n haut fréquncs car ls impédancs ds sourcs sont naturllmnt basss (5Ω) t d plus la bas à la mass isol l ntré d la sorti, la capacité émttur collctur st faibl c qui réduit l fft Millr. Application : Montag cascod La figur ci contr rprésnt un amplificatur utilisant un N t attaqué par un sourc d impédanc intrn 6Ω.Son gain maximal st d l ordr d t sa band passant. à 3d d nviron Mhz. L montag cascod consist à placr n séri un transistor monté n émttur commun t un autr n bas commun. L'impédanc d'ntré du bas commun constitu la charg d collctur d l émttur commun. Si ls dux transistors sont idntiqus, travaillant avc l mêm Ic ils ont l mêm h. Or l impédanc d ntré d un montag st h /β t l gain d un montag -βr c /h., c st au sign près l mêm n. Avc Rc h /β l montag aura un gain d sulmnt,donc un fft Millr faibl [ ( -G) ] mais l montag rdonn au montag total l gain d un sul. L nsmbl a donc l mêm gain qu l montag mais un impédanc d ntré bin moins capacitiv c qui accroît énormémnt la band passant. Dans l montag ci dssous R détrmin l courant dans Q donc aussi dans Q alors qu l pont R R défini l potntil du collctur d Q.L condnsatur découpl la bas d Q d façon qu c transistor fonctionn n bas commun. 6

7 J AUVRAY Systèms lctroniqus Ls courbs d gain ci dssous montrnt ls prformancs rmarquabls du montag cascod, pour un gain voisin d clui du montag la fréqunc d coupur st multiplié par. L transistor n saturation Un transistor fonctionn n saturation lorsqu son courant collctur st limité par ls élémnts xtériurs à un valur infériur à βi b.l point d fonctionnmnt s trouv alors sur la parti ohmiqu ds caractéristiqus t la tnsion V st faibl,voisin d zéro pour un courant faibl. ( Pour ds courants plus importants ctt tnsion st r.i ou r st la résistanc d saturation du transistor, pnt d la caractéristiqu issu d l'origin.) Dans cs conditions la puissanc dissipé dans l transistor st faibl, sinon null, l composant s comport comm un intrruptur frmé. I aractéristiqu It Rb Droit d charg Rc Rb < bta Rc Vc 7

8 J AUVRAY Systèms lctroniqus n dhors ds applications n commutation pur, il faut évitr d saturr un transistor car son rtour à l'état bloqué st considérablmnt allongé. n fft l courant bas étant plus grand qu nécssair, un charg important st stocké dans la bas t son évacuation prnd du tmps. onsidérons par xmpl l montag suivant ; un signal carré 5V st appliqué à l'ntré t compt tnu ds valurs d R t R satur largmnt l transistor. son état d rpos qu'au bout d 7nS. L signal d sorti st rproduit ci dssous, courb. On constat: Qu l signal d sorti dscnd après un rtard d'nviron ns mais surtout, après la disparition du signal d'ntré n commnc à rmontr qu'après un rtard d près d 4nS t n rtrouv L tmps d dscnt st amélioré si l'on diminu la résistanc d'attaqu R, mais la saturation st ncor plus fort c qui accroît ncor l rtard à la rmonté. La solution st d placr n parallèl sur R un ptit condnsatur, dont la valur st voisin d la capacité d'ntré du transistor, l'amélioration st spctaculair comm l montrnt ls courbs ci dssous ( L signal d'ntré st la trac infériur, cll du miliu rprésnt la tnsion d sorti sans capacité accélératric, cll du haut avc 47 pf, dans c drnir cas l fonctionnmnt st quasimnt parfait. ) Ls transistors d puissanc Il xist ds transistors d puissanc capabl d gérr ds courants d plusiurs dizains d ampèrs t pour crtains ds tnsions jusqu'à V. L calcul ds circuits utilisant cs transistors st délicat car lurs paramètrs h t h sont faibls t mal connus c qui nlèv à l approximation habitull ( β t h sulmnt ) tout précision. L gain n courant d cs élémnts st n général faibl, 5 au plus pour un courant d A, qulqus unités sulmnt pour A t au dlà.d plus cs transistors ont l plus souvnt un fréqunc d coupur faibl, l célèbr N355 a du mal à travaillr au dlà d la band audio (khz). Un problèm prmannt st l rfroidissmnt d cs composants dont la jonction n doit jamais dépassr un tmpératur d 85 sous pin d dstruction. rfroidissmnt st assuré garc à ds radiaturs, plaqus d métal fixés sur l boîtir du composant t qui évacunt la chalur par rayonnmnt ou conduction. 8

9 J AUVRAY Systèms lctroniqus alcul ds radiaturs : ntr ls dux facs d un paroi travrsé par un flux thrmiqu P (puissanc n watts ) il xist un différnc d tmpératur : T R TH P R TH st la résistanc thrmiqu d la paroi. T T Dans un transistor la puissanc thrmiqu PV.I st créé au nivau d la jonction d collctur. tt puissanc doit d abord passr du matériau au boîtir, puis du boîtir au radiatur t nfin du radiatur à l air ambiant. s trois intrfacs sont parcourus par la mêm puissanc. Or on put écrir : T jonction T ambiant (T jonction -T boitir )+(T boitir -T radiatur )+(T radiatur -T ambiant ) st à dir n introduisant ls résistancs thrmiqus : T jonction T ambiant T(Rjb+Rbr+Rra)P I VIPmax 5V P T-TRth.P Ou ls Rij sont ls résistancs thrmiqus ds intrfacs jonction boîtir, boîtir radiatur t radiatur ambiant. La puissanc maximal indiqué dans ls caractéristiqus commrcials st toujours la puissanc maximal admissibl à 5 boîtir. onsidérons par xmpl un N355 donné pour 8W max. la vut dir qu si l boîtir st maintnu à 5 la jonction attint la limit 85 pour un puissanc dissipé d 8W. La résistanc jonction boîtir st donc : Rjb(85-5)/8 /W Plaçons c transistor sur un radiatur dont la résistanc thrmiqu st d /W : Rra /W, si l on considèr qu l contact ntr l boîtir t l radiatur st thrmiqumnt parfait c st à dir qu Rbr alors la puissanc dissipabl pour un tmpératur ambiant d 5 st P(85-5 /(+)33,75 Watts sulmnt. mod d calcul st valabl pour tous ls composants d puissanc.mais ls transistors d puissanc sont l objt d un phénomèn très gênant, l scond claquag. L plus souvnt un composant st caractérisé par la puissanc maximal qu il put dissipr c st à dir l produit VI d la tnsion t du courant à ss borns. Sur l résau d caractéristiqu l point d fonctionnmnt statiqu doit s trouvr n dssous d l hyprbol d dissipation d équation VIPmax.Pour ls transistors d puissanc cla n st malhurusmnt vrai qu pour un tnsion infériur à 5V.Au dlà la dissipation admis st fortmnt réduit. Par xmpl un transistor capabl d supportr 5V t un puissanc d W pourra êtr polarisé à un courant moyn d A si VcV,mais sra détruit pour A sous V.A ctt tnsion d V la valur maximal du courant st put êtr d ma sulmnt t ma pour 5V (au liu d ma.) scond claquag st un phénomèn thrmiqu local très rapid. Sous V t,9a l transistor st détruit n qulqus dizains d microsconds bin qu la puissanc qu il Scond claquag dissip n soit qu d 9W Aux tnsions basss au contrair, l nsmbl du matériau constituant l transistor intrvint t la constant d tmps thrmiqu put dépassr la scond. n conséqunc si un fusibl st placé n séri avc l transistor, n dssous d 5V l fusibl protèg l transistor alors qu au dlà d V c st l transistor qui st détruit avant l fusibl. V 9