Notions élémentaires sur le transistor

Transcription

1 PHLMA Travaux Pratiques 1ère année TP : Transistor ipolaire Transistor ipolaire I Notions élémentaires sur le transistor Un transistor est constitué de deux jonctions PN tête-bêche. Les deux jonctions sont les jonctions base-émetteur et base-collecteur. Il existe deux types de transistors bipolaires : NPN les électrons majoritaires de l'émetteur diffusent à travers la base et atteignent le collecteur ; PNP les trous majoritaires de l'émetteur diffusent à travers la base et atteignent le collecteur. A RTNIR : n fonctionnement normal direct (conduction), un transistor bipolaire s'utilise de telle façon que : la jonction base-émetteur soit polarisée en direct (conductrice) ; la jonction base-collecteur soit polarisée en inverse (bloquée). «L'effet transistor» permet une amplification de puissance importante, car à l'aide d'un faible courant base, sous une tension base-émetteur faible (inférieure au volt), on obtient le passage d'un fort courant émetteur à travers la jonction base-collecteur polarisée en inverse sous une tension importante (quelques volts à quelques dizaines de volts). Dans le TP, nous tracerons les caractéristiques statiques d'un transistor NPN. Pour un transistor PNP; les tensions et les courants de polarisation sont de signes opposés (par rapport au transistor NPN). Les transistors sont ainsi représentés : NPN PNP II Polarisation du transistor La polarisation d'un transistor consiste à fixer les tensions et les courants continus aux niveaux des jonctions base-émetteur et collecteur-émetteur. es tensions et courants seront notés en lettres capitales. xemple : I 0 : courant de base V 0 : tension base-émetteur I 0 : courant de collecteur V 0 : tension collecteur-émetteur II.1 aractéristiques statiques Les relations générales du transistor bipolaire sont : I = I + I Lorsque le transistor est polarisé dans sa zone de conduction (V 0,6V), on définit ß, le gain en courant statique tel que : I β = (de l'ordre de 50 à 1000, suivant les transistors). I TP 143-1

2 PHLMA Travaux Pratiques 1ère année Lorsque le transistor est bloqué (V <<0,6), I = 0 et I = 0. Lorsque le transistor est saturé (V > 0,6V), V 0 et I < ß I. TP : Transistor ipolaire On définit le point de repos (ou de fonctionnement) du transistor par le quadruplet (I 0, V 0, I 0, V 0 ). Le zéro en indice indique qu'il s'agit du courant fixé par la polarisation. L'allure du réseau de caractéristiques est donnée Figure 1. β I P 0 I =I 0 I I =0 V 0 V V 0 V Figure 1: Réseau de caractéristiques II.2 xemple de schéma de polarisation (émetteur commun) Les résistances et la source d'alimentation continue du schéma d'étude représenté à la Figure 2 sont calculées ou imposées pour obtenir le quadruplet de polarisation voulu. R 1 R c I 0 I 0 M Figure 2 : Polarisation par pont de résistances d'un étage émetteur commun Les relations tension-courant sont : = R I 0 + V 0 et I 0 = β I 0 R 2 V0 0,6 V lorsque l'on choisit R 1 et telles que >> I 0 (par exemple R 1 + R 2 = 10.I 0, afin de bien fixer le potentiel V 0 ). L'allure des caractéristiques dans le plan I =f(v ) est représentée à la Figure 3. On remarque que le dipôle - est équivalent à un générateur de courant dont la valeur ne dépend que de I. L équation = R I + V est caractéristique du circuit dans lequel est branché le transistor. lle fixe la polarisation du montage et par son intersection avec une des caractéristiques du transistor, elle fixe également le point de fonctionnement du transistor. La droite définie par cette équation est appelée la droite de charge. TP 143-2

3 PHLMA Travaux Pratiques 1ère année TP : Transistor ipolaire I /R I = ste I 0 I 0 V 0 Figure 3: Réseau de caractéristiques (I, - V ) V III tude en régime dynamique III.1 Schéma équivalent petits signaux du transistor bipolaire Pour l'étude du régime dynamique on utilisera le schéma équivalent petits signaux du transistor donné Figure 4. v be i b r b βi b r ce c v ce Figure 4 : Schéma petits signaux du transistor Le schéma de la Figure 4 représente le transistor en régime dynamique, c'est à dire pour des "petites" variations de I c, I, V et V autour du point de fonctionnement. Les variations seront notées i c, ib, v ce et v be. Les grandeurs réelles I c, I, V et V sont obtenues en appliquant le théorème de superposition : I = I 0 + i b ; I = I 0 + i c ; V = I 0 + v ce et V = V 0 + v be Dans le schéma r b représente la pente de la courbe V = f(i ) autour du point de fonctionnement (I 0, V 0 ), et r ce la pente de la caractéristique V =f'(i c ) au point de fonctionnement (I 0, V 0 ). III.2 Application à l'amplificateur à émetteur commun Afin de superposer un signal sinusoïdal à l'entrée du montage sans modifier sa polarisation, on ajoute un condensateur de liaison le (voir Figure 5). n appliquant un signal sinusoïdal, sur la base du transistor, le courant dans la base va évoluer autour de la valeur I 0. Il s'en suit des variations sinusoïdales de I et V de plus grande amplitude, autour de leurs valeurs de polarisation. TP 143-3

4 PHLMA Travaux Pratiques 1ère année TP : Transistor ipolaire R 1 R c ls le I I Figure 5 : Montage amplificateur à émetteur commun III.3 Travail de préparation A partir du schéma de la Figure 5, faire le schéma petits signaux du montage amplificateur en supposant que les impédances des condensateurs le et ls sont négligeables aux fréquences de travail. v s alculer le gain en tension du montage G = v en fonction de r b, r ce, R, β. III.4 Amplificateur avec résistance d'émetteur Afin de stabiliser le point de fonctionnement vis à vis des variations de température, on ajoute une résistance d'émetteur (voir Figure 6). e R 1 R c ls le I I R Figure 6 : Montage à émetteur commun avec résistance d'émetteur III.5 Travail de préparation A partir du schéma de la Figure 6, faire le schéma petits signaux du montage amplificateur en supposant que les impédances des condensateurs le et ls sont négligeables aux fréquences de travail. La valeur de r ce est grande devant les autres résistances et sera négligée dans le schéma. v s alculer le gain en tension du montage G = v en fonction de r b, R, R et β. e TP 143-4

5 PHLMA Travaux Pratiques 1ère année TP : Transistor ipolaire n supposant β 100, r b de l'ordre de 1kΩ, R =100Ω et R =1kΩ, montrer que le gain en tension est peu dépendant des paramètres du transistor. omparer au gain sans résistance d'émetteur. TP 143-5

6 PHLMA Travaux Pratiques 1ère année TP : Transistor ipolaire Partie Pratique I Relevé des caractéristiques statiques Les caractéristiques du transistor seront tracées en utilisant la maquette de test et le programme «Traceur». Le relevé du réseau de caractéristiques se présente sous la forme d une feuille partagée en 4 quadrants comme dans la Figure 1. Pour V =1V, relever la courbe I (V ) (chelles : I <50µA et V <1V).Vérifier que cette caractéristique est indépendante de V en effectuant une nouvelle mesure pour V =5V. Tracer I (I ) pour V = 5V Tracer I (V ) pour I = 10 et 50 µa, ainsi que la courbe passant par le point I 1 =5mA et V 1 =5V. Imprimer le réseau des courbes. xploiter ces caractéristiques et commenter les résultats. Donner les paramètres petits signaux r b, r ce et β correspondant au point de fonctionnement I 1 =5mA et V 1 =5V. II Amplificateur émetteur commun II.1 Montage sans résistance d'émetteur Réaliser le montage de la Figure 7. est constitué de boîtes à décades afin de pouvoir faire varier le point de polarisation. Faire varier et relever I et V. Reporter les points dans la caractéristique I (V ). A quoi correspond la courbe ainsi relevée? Régler de sorte que le point de polarisation soit I 1, V 1 (voir I de la partie pratique). Placer en un signal sinusoïdal d amplitude 10mV crête à crête et de fréquence 1kHz. Justifier ces choix. Visualiser le signal V et justifier son allure. Visualiser et mesurer v s. Donner le gain du montage et comparer aux valeurs attendues. Augmenter la tension jusqu'à ce que présente des distorsions. Justifier les valeurs de celles-ci. R 1 = 100kΩ R = 1kΩ le = 1µF = 10V V Figure 7 : Montage d'étude de l'amplificateur à émetteur commun TP 143-6

7 PHLMA Travaux Pratiques 1ère année TP : Transistor ipolaire II.2 Montage amplificateur avec résistance d'émetteur Réaliser le montage de la Figure 8 en ajoutant simplement la résistance R et régler de sorte que le point de fonctionnement soit celui donné par I 1, V 1. Mesurer le gain du montage, comparer au montage sans résistance d'émetteur et aux valeurs attendues. R 1 = 100kΩ R =1kΩ le = 1µF = 10V V R =100Ω Figure 8 : Montage amplificateur avec résistance d'émetteur II.3 Montage amplificateur avec résistance d'émetteur et condensateur de découplage Ajouter un condensateur de 680nF en parallèle avec la résistance R. omment évolue le point de fonctionnement (une fois le condensateur chargé). Mesurer le gain du montage et comparer aux gains des montages précédents. Tracer le diagramme de ode du montage. TP 143-7