Fonctions et composants lmentaires de l lectronique Le

Fonctions et composants élémentaires de l ’électronique Le transistor bipolaire

Le transistor bipolaire • • Constitution-symbole Caractéristiques – Fonctionnement Utilisation – Modes de fonctionnement Modélisation Caractéristiques constructeur Choix d’un transistor Applications

Constitution- Symbole NPN PNP COLLECTEUR N BASE P P N BASE EMETTEUR COLLECTEUR BASE N P COLLECTEUR BASE EMETTEUR

Caractéristiques - Fonctionnement • • Caractéristiques d’entrée IB=f(VBE) Caractéristiques de Transfert IC=f(IB) Caractéristiques de sortie IC=f(VCE) Résumé – réseau de caractéristiques

Caractéristiques d’entrée IB=f(VBE) Caractéristique d’entrée Schéma de principe IB(µA) IC IB VCE VBE Evolution temporelle des signaux VBE(V) IB(µA) VBE(V)

Caractéristiques de Transfert IC=f(IB) Caractéristique de transfert Schéma de principe IC(m. A) IC IB VCE VBE Evolution temporelle des signaux VBE(V) IB(µA) IC(m. A) IB(µA)

Caractéristiques de sortie IC=f(VCE) Evolution temporelle des signaux Schéma de principe VCE(V) IC IBo VCE IC(m. A) VBEo Caractéristique de sortie IC(m. A) IB(µA) IB 1> IBo IB 1 IBo VBEo VBE 1 VBE(V) VCE(V)

Réseau de caractéristiques IC(m. A) IB 3> IB 2> IB 1 À VCE= constante IB 1> IB 0>0 IB=0 IB(µA) VCE(V) À VCE= constante VBE(V)

Utilisation – Mode de fonctionnement • Fonctionnement statique • Fonctionnement dynamique

Fonctionnement statique On parle de fonctionnement statique quand toutes les grandeurs (courants et tensions) sont des grandeurs continues, c’est-à-dire qui ne varient pas dans le temps. On les notera en MAJUSCULE.

Fonctionnement statique RB Caractéristique d’entrée IBo IB(µA) VP VBEo Point de fonctionnement Circuit d’attaque Le point de fonctionnement est imposé par le circuit d’attaque. On peut le déterminer graphiquement en traçant la droite d’attaque, d’équation: Généralement, VP est connue et il faut choisir RB pour fixer IB 0. IBo VBE(V)

Fonctionnement statique Caractéristique de transfert IC 0 IC(m. A) RC RB VCC IBo IC 0 VP IB 0 étant fixé, on en déduit IC 0 par: IC 0 = b IB 0 Ce qui est vrai si on autorise l’existence d’un courant IC => un circuit de charge IB 0 IB(µA)

Fonctionnement statique Caractéristique de sortie IC 0 IC(m. A) RC RB IBo VCC IBo IC 0 VP VCE 0 La valeur de VCE 0 est fixée par VCC et RC, et peut être déterminée graphiquement en traçant la droite de charge d’équation: VCC VCE(V) La droite de charge passe forcément par IC 0. En pratique, VCC est généralement connue, on choisit alors RC pour fixer IC 0 et VCE 0.

Fonctionnement statique • VP et RB fixe le courant IB 0. • VCC et RC fixe la tension VCE 0. C’est ce qu’on appelle POLARISER le transistor.

Montages de polarisation Montage à résistance de base Montage à contre réaction collecteur base Montage à pont de base

Fonctionnement dynamique On parle de fonctionnement dynamique quand toutes les grandeurs (courants et tensions) sont des grandeurs variables dans le temps. On les notera en MINUSCULE. Généralement l’étude se fait en régime sinusoïdal, autour du point de polarisation.

Fonctionnement dynamique • Généralement l’étude se fait en régime sinusoïdal, autour du point de polarisation, c’est-à-dire pour VP+v(t). • v(t)=V. sin(2 pft) ve(t) VP VP+V t v(t) V -V t VP-V t

Fonctionnement dynamique RB Caractéristique d’entrée IBo v(t) ve(t) VP IB(µA) VBEo B Circuit d’attaque Lorsque v(t) varie de –V à +V, ve(t) varie de VP-V à VP+V. La droite d’attaque se déplace alors dans le plan (IB, VBE) et le point de fonctionnement se déplace entre les points A et B au rythme (à la fréquence) de v(t). IBo A VBEo VBE(V)

Fonctionnement dynamique IB(µA) B IBo A VBEo t Le signal variable v(t) conduit à une variation de VBE et IB entre les point A et B. VBE(V) t

Fonctionnement dynamique L’exploitation de la caractéristique de transfert permet de la même façon de déterminer les variations du courant IC autour de IC 0. IC(m. A) IC(µA) ICM IC 0 ICm t IB 0 t IB(µA)

Fonctionnement dynamique D’après le schéma, lorsque IC varie, la tension au bornes de la résistance de polarisation RC varie également et par conséquent la tension VCE aussi. Graphiquement, la variation de IB autour de IB 0 se traduit par le balayage de toutes les caractéristiques de sortie (translation) correspondant aux différentes valeurs de IB parcourues. On retrouve alors les même variations de IC entre ICm et ICm qu’avec la caractéristique de transfert. On retrouve également la variation de la tension VCE entre: IC RC v(t) ve(t) VP IC(m. A) ICM IBo IC 0 ICm VCEm = VCC-RCICM VCEM = VCC-RCICm VCC RB VCEm VCE 0 VCEM VCC VCE(V)

Fonctionnement dynamique IC(m. A) IB 3> IB 2> IB 1 À VCE= constante IB 1> IB 0>0 IB=0 IB(µA) VCE(V) À VCE= constante VBE(V) Dans ce cas le fonctionnement est linéaire.

Fonctionnement dynamique IC(m. A) IB 3> IB 2 ICSAT IB 2> IB 1> IB 0>0 IB(µA) Mais que se passe t-il si on augmente l’amplitude du signal v(t)? VCESAT IB=0 VCE(V) Saturation VBE(V) Blocage

Modélisation • En fonctionnement linéaire • En commutation

Modélisation IB(µA) i. B IB(µA) B IBo Mo v. BE A On va raisonner sur la caractéristique d’entrée. Puis on En fonctionnement linéaire utilisera la même méthode pour modéliser les autres caractéristiques. VBEo t VBE(V) t

Modélisation i. B La caractéristique ib=f(v. BE) est une droite. Elle traduit donc une relation du type: v. BE = h 11. ib v. BE Où h 11 à la dimension d’une résistance et correspond à l’inverse du coefficient directeur de la droite (dérivé autour du point de fonctionnement). Ce qui se traduit par le schéma électrique équivalent suivant: B i. B v. BE E h 11

Modélisation En exploitant l’ensemble du réseau de caractéristique du transistor, on aboutit au schéma équivalent en régime sinusoïdal: B v. BE i. B i. C=h 11*i. B h 11 E 1/h 22 C v. CE

Modélisation En commutation C Au blocage, on a: IB= 0 et IC = 0 quelque soit VCE. Le transistor est donc équivalent à un interrupteur ouvert entre collecteur et émetteur. A la Saturation, on a: E C IC = ICSAT<b. IB et VCE= VCESAT 0. Le transistor est donc équivalent à un circuit fermé entre collecteur et émetteur. E

Caractéristiques constructeurs • Valeurs limites • Caractéristiques statiques • Caractéristiques dynamiques

Caractéristiques constructeurs Valeurs limites de fonctionnements ICM: Courant collecteur maximum admissible. IC(m. A) VCEo. M: Tension collecteur-émetteur maximale admissible à l’état bloqué. PTOT: Puissance maximale consommée par le transistor. IB(µA) VCE(V) Ptot = VCEM*ICM VBE(V)

Caractéristiques constructeurs Valeurs limites de fonctionnements VCBo. M: Tension collecteur-base maximale admissible à l’état bloqué. VBEo. M: Tension négative base-émetteur maximale admissible à l’état bloqué. TJ: Température maximum de la jonction en fonctionnement. Fortement lié à la puissance consommée par le transistor.

Caractéristiques constructeurs Caractéristiques Statiques VCEsat: Tension collecteur-émetteur minimale existant quand le transistor est saturé. VBEsat: Tension base-émetteur minimale existant quand le transistor est saturé. IEB 0: Courant résiduel maximum parcourant la jonction base émetteur à l’état bloqué. ICB 0: Courant résiduel maximum parcourant la jonction collecteur base à l’état bloqué. Ce courant varie énormément avec la température. h. FE: Gain en courant (b) du transistor en régime linéaire.

Caractéristiques constructeurs Caractéristiques Dynamiques En régime de fonctionnement linéaire CBC 0: Capacité parasite entre la base et le collecteur (de l’ordre de 10 p. F). A prendre en compte en HF. b f. T: Fréquence de transition. Le gain en courant chute en fonction de la fréquence. On note f. T la fréquence pour laquelle b=1. h. FE 1 f f. T

Caractéristiques constructeurs Caractéristiques Dynamiques En régime de commutation Switching caractéristiques td: Delay time: temps de retard entre l’application d’un courant Ib et le début de variation de IC. tr: Rise time: temps de montée du courant IC. ton: Switch on time: temps de saturation du transistor. ts: stockage time: temps de retard entre l’annulation d’un courant IB et le début de variation de IC. tf: Fall time: temps de descente du courant IC. IB t td IC ts 100% 90% 10% 0% tr ton tf toff: Switch off time: temps de blocage du transistor. t

Choix d’un transistor Commutation Linéaire Limites d’emploi ICM VCEo. M VBEo. M TJ Ptot ICM VCEM VBE 0 M TJ Ptot Performances ton toff VCEsat ICB 0 CBCo h. FE f. T h 21=f(Ic) VBE =f(T°) CBCo en HF Défauts et dérives

Applications • En fonctionnement linéaire: Amplification, oscillateur, multiplieur, à la base de tous les circuits intégrés analogiques (AOps, Multiplieur, etc. ) • En commutation: Amplificateur de courant ( à la base de tous les circuits logiques TTL), pilotage de moteur pas à pas, de LED, etc.