Polarisation des transistors bipolaires

E. TISSERAND
Université de Nancy
Les transistors bipolaires
Commutation et polarisation
I - Caractéristiques des transistors bipolaires
1) Présentation
Un transistor bipolaire est une triode constituée par l’association série de deux diodes PN en sens
inverse. Le point de jonction des diodes est appelé base, les deux autres électrodes sont
respectivement l’émetteur et le collecteur.
Il existe deux modèles de transistors bipolaires :
Le modèle NPN dans lequel les diodes ont en commun une zone semi-conductrice de type P.
C
IC
C
C
N
B
P
N
VCE
IB B
B
VBE
E
E
E
Constitution interne et symbole d’un transistor bipolaire NPN
Le modèle PNP dans lequel les diodes ont en commun une zone semi-conductrice de type N.
E
E
P
B
E
VEB
VEC
B
N
P
IB
B
C
C
IC
C
Constitution interne et symbole d’un transistor bipolaire PNP
Note : la flèche dans le symbole fournit trois indications importantes :
Le type de transistor NPN ou PNP ;
La position de l’émetteur ;
Le sens de circulation du courant I E de l’émetteur et donc celui des courants IB et IC
Quatre grandeurs suffisent à définir l’état électrique d’un transistor bipolaire
Type NPN
Grandeurs d’entrée
I B , VBE
Grandeurs de sortie
I C , VCE
Type PNP
I B , VEB
I C , VEC
Propriété fondamentale du transistor bipolaire
Le courant de base IB permet de rendre conducteur l’espace collecteur-émetteur
1
2) Caractéristiques d’entrée et de sortie d’un transistor NPN
a) Caractéristique d’entrée dans le plan
(I B ; VBE )
Le quadrant 1 du graphe donné en figure suivante représente la courbe caractéristique d’entrée d’un
transistor NPN. On reconnaît la caractéristique d’une diode : celle de l’espace base-émetteur. Elle
est en pratique indépendante des grandeurs de sortie du transistor.
b) Caractéristique de sortie dans le plan
(VCE , I C ) à
I B = Cste
Elle est représentée dans le quadrant 3
Nous constatons que :
Pour une tension VCE > VCESat le courant de collecteur IC est en grande partie
proportionnelle au courant de base I B
Pour une faible tension VCE < VCESat le courant IC dépend en grande partie de VCE
c) Caractéristique dans le plan (I B , I C )
Elle est représentée dans le quadrant 2
Pour VCE > VCESat nous avons : I C
= βI B
d) Caractéristique dans le plan (VCE , VBE )
Elle est représentée dans le quadrant 4
Pour VCE > VCESat nous avons : VBE (VCE ) ≈ C ste
IC
à IB4
Quadrant 2
Quadrant 3
à IB3
à IB2
à IB1
IB
VCEsat
VCE
VBE0
Quadrant 1
Quadrant 4
VBE
Caractéristiques statiques d’un transistor NPN
E. TISSERAND
Université de Nancy
3) Caractéristiques d’entrée et de sortie d’un transistor PNP
On relève le même type de caractéristiques que précédemment mais en considérant cette fois-ci les
grandeurs I B ; VEB ; VEC ; I C avec le sens indiqué sur la figure du transistor PNP
(
)
II - Transistor bipolaire en commutation
1) Régime de commutation - Définition
Dans le montage donné en figure ci-après, le transistor est commandé par la tension d’entrée VE qui
présente deux états notés respectivement 0 et 1. Il s’agit d’une commande binaire de type tout ou
rien au cours de laquelle le transistor est en commutation.
En régime de commutation, le transistor présente deux modes de fonctionnement :
en mode rien : aucun courant ne circule dans la charge R C , le transistor est dit bloqué, la
tension VCE est maximale c'est-à-dire égale à VCC .
VCC
. Le transistor est dit saturé et la
RC
en mode tout : le courant IC est maximal, proche de
tension VCE est minimale c'est-à-dire proche de 0.
VCC
RC
C
IC
VCE
RB IB B
VE
VBE
E
Transistor NPN en commutation – Montage de base
2) Mise en commutation
La résistance de charge R C du circuit est considérée fixe.
Le courant de collecteur est donné par l’égalité : IC =
VCC − VCE
RC
Cette équation correspond à la droite de charge du plan (IC , VCE ) .
IC
VCC
RC
Q1
Q0
0 VCESat
VCE
VCC
Droite de charge du circuit
3
Pour le mode rien, le courant IC doit être nul. Il suffit pour cela que la tension VE soit inférieure au
seuil de conduction VBE 0 (0,7 V) de la jonction base-émetteur. Pour plus de simplicité on fixera le
niveau bas de VE à 0. Le point de fonctionnement correspond au point Q 0 de la droite de charge.
Pour le mode tout, le courant collecteur est maximal et vaut : I CSat =
VCC − VCESat
RC
Le point de fonctionnement correspondant est Q1
En pratique VCESat est faible (0,2 V) et on peut considérer I CSat
≈
VCC
RC
Ce point n’est atteint que si le courant I B est supérieur à la valeur
I CSat
V
≈ CC
β
βR C
I BSat =
(1)
Pour un lot de transistor de même type, le paramètre β varie fortement, on retiendra la valeur β min i
fournit par le constructeur.
Le courant I B est limité par R B selon la relation
IB =
VE − VBE 0 VE − 0,6
≈
RB
RB
(2)
où VE correspond ici au niveau haut de la tension d’entrée
La valeur R est déterminée de manière à ce que la condition I B > I BSat soit respectée
Tableau résumé
On note I CSat =
I
VCC − VCESat
et I BSat = CSat
β min
RC
Régime de commutation
Transistor bloqué
Transistor saturé
IB = 0 ⇒ IC = 0
I B > I BSat ⇒ I C = I CSat < β I B
VCC
0 < I B < I BSat ⇒ I C = β I B
VCC
RC
RC
IC=0
IB=0
RB
Régime linéaire
VCE
=
VCC
VE=0
VCC
IC ≈
RB IB
VE
0
RC
IC=0
IC ≈
VCC
RC
VCE
≈
0
t
IC
C
IB B
VCC
RC
VCE
=
VCC
ICQ
VCE
≈
0
VBE
iC(t)
IC
VCC
RC
E
IB
IBQ
0
iB(t)
t
E. TISSERAND
Université de Nancy
III - Polarisation des T. bipolaires en zone linéaire
Nous considérons ici la polarisation du transistor NPN dans sa zone linéaire.
L’état de repos du transistor est caractérisé par les 4 grandeurs statiques : I BQ , VBEQ , I CQ , VCEQ
Les valeurs de ces points sont fixées par les paramètres extérieurs au transistor, ce sont l' (les)
alimentation(s) et les résistances de polarisation.
1) Montage fondamental à deux sources de tension
Détermination des résistances en fonction des
grandeurs de repos ( I BQ , VBEQ , I CQ , VCEQ )
souhaitées
VCC
RC
ICQ
RB IBQ
VBB
RB =
VCEQ
VBEQ
RC =
VBB
IB
I BQ
VCC − VCEQ
I CQ
avec I CQ = βI BQ
(D)
ICQ
VBEQ
(∆)
avec VBEQ ≈ 0,7 V
IC
VCC
RC
IBQ
RB
VBB − VBEQ
(IBQ)
VBB
VCEsat
VBE
(∆) Droite d’attaque : VBE = − R B I B + VBB
VCC
VCEQ
(D) Droite de charge :
IC
=−
VCE
VCE VCC
+
RC
RC
2) Polarisation par résistance de base
Détermination des résistances en fonction des
grandeurs de repos ( I BQ , VBEQ , I CQ , VCEQ )
souhaitées
VCC
RB
RC
ICQ
IBQ
RB =
VCEQ
VBEQ
RC =
5
VCEQ − VBEQ
I BQ
VCC − VCEQ
I CQ + I BQ
avec VBEQ ≈ 0,7 V
avec I CQ = βI BQ

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