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LES MONTAGES AMPLIFICATEURS FONDAMENTAUX
             A TRANSISTORS BIPOLAIRES




Philippe ROUX © 2005
AMPLIFICATEUR A TRANSISTOR NPN MONTE EN EMETTEUR COMMUN


            1° PARTIE : CONCEPTION DU MONTAGE EMETTEUR COMMUN

        On considère le montage donné en figure 1 qui représente un transistor NPN alimenté sous
une tension d’alimentation V CC de 20V. Ce transistor a été polarisé « en tension » par les résistances
R1 et R2, de telle manière que son courant de repos de collecteur soit fixé à 6.5 mA. Sur le schéma
est indiqué la valeur du potentiel par rapport à la masse de la base, de l’émetteur et du collecteur.



                                                                                  + VCC = +20 V
                                                                       IC repos
                                                                       6.5 mA
                                     R1         22 kΩ        RC        2 kΩ


                                                                  C      7V
                                            B     68 µA
                                  1.25 V
                                                 IB repos
                                                              E         0.65 V


                                     R1         1.8 kΩ       RE        100 Ω




                                   Figure 1 : transistor NPN polarisé
        On désire obtenir un montage amplificateur dit « en émetteur commun ». Pour cela il est
nécessaire d’exciter le montage entre base et masse par un générateur sinusoïdal indépendant de
résistance interne Rg tel que : eg = Egm sin (ωt). La tension de sortie vs du montage doit alimenter
une résistance d’utilisation Ru (figure 2).

                        + VCC = +20 V
                                                                                                        vs
                                                                                                 7V


                                   ve
                                                 R1       22 kΩ         RC        2 kΩ
                            1.25V
                 ve                                                                          CL2                    vs
          0V                      CL1                                        C                                0V
                                                         B
                                                                                   0.65 V
                Rg                                                         E
                                                                                            vs     vs        RU
                             ve            ve
                 +                                                      RE
               eg                                R1       1.8 kΩ                                             2 kΩ
                                                                      100 Ω          CD
                    -



                             Figure 2 : Montage amplificateur en émetteur commun

                                                                                                                         1
On doit dans un premier temps résoudre un problème. En effet, le générateur eg délivre une
tension sinusoïdale ve qui évolue autour de zéro volt. Cette tension ne peut pas être appliquée
directement entre la base et la masse qui doit rester au potentiel de 1.25 V pour que le transistor
reste correctement polarisé.
        De même, et pour la même raison, on ne peut pas connecter directement la résistance Ru
entre le collecteur et la masse. On doit donc pour résoudre ce problème, utiliser des condensateurs
de « liaisons » CL1 et CL2 qui se comportent :

   •   En régime continu comme des circuits ouverts.
   •   En régime sinusoïdal comme une impédance de module |ZCL| = (ω.CL)-1 qui sera négligeable
       devant les résistances du circuit à condition de choisir une valeur convenable pour CL1 et
       CL2.

    On peut aussi mettre en parallèle avec la résistance RE une capacité CD dite de « découplage »
qui se comporte encore comme un court-circuit pour le régime sinusoïdal imposé par eg.


              2° PARTIE : ANALYSE GRAPHIQUE DE L’AMPLIFICATION :
                          DROITE DE CHARGE DYNAMIQUE

        On va s’intéresser aux tensions sinusoïdales qui sont représentées en figure 2 et qui évoluent
autour des tensions continues indiquées sur cette même figure. Sachant que la tension continue VCC
est fixe par principe, ses variations sont nulles. La tension VCC se comporte donc pour les variations
comme un court-circuit.

      Dessinons dans ces conditions le schéma du montage aux variations (figure 3) en tenant
compte du fait que les condensateurs se comportent eux aussi comme des court-circuits.

                                                                   ic
                                                    ib


                               Rg                                  vce
                                                          vbe      vs       R C //R u
                                        ve
                                +
                              eg               R 1//R 2
                                   -



                                                      Figure 3

Le schéma de la figure 3 conduit à définir la droite de charge dynamique du transistor liant la
variation de la tension vce à celle de ic. Cette droite est différente de la droite de charge statique
(figure 4). En effet :

   •   Elle passe par le point de repos (lorsque eg (t) est nul)

   •   Son coefficient directeur est tel que : ∆VCE = - (RC//Ru) ∆IC.



                                                                                                     2
Caractéristique de transfert                    IC en mA                      Caractéristiques de sortie
                                                             20
          VCE = 6.35 V                                                                                                   IBen µA
                                                                                                                             18 0

                     =    94                                                                                                 16 0
                                                             15
                                                                                                                             14 0
                                                      Saturation
                                                                                Droite de charge dynamique
                                                                                                                             12 0

                                                             10
                                                                                                                             10 0

                                                                                                                              80
      Variations de i c                               6.5 mA                               P repos
                                                                                                                              60
                                                               5
                                                                                                                              40

                                                                                                                              20
   IBen µA                                                                                                     Blocage
                                                                                                                                    VCC
                                                                   0
200              150            100              50                               5               10                15         20
                                         68 µA                         0,45           6.35 V                              VCE en V


                                                                       0,5
                                                                                               Variations de V ce

                                                                       0,55


                               P repos                                 0,6
                                                                              0.618 V
                                                                       0,65            Variations de V be


                                                                       0,7
200              150            100              50
IB en µA            Caractéristique d’entrée                       VBE en V


                                            Figure 4 : illustration de l’effet amplificateur

        La figure 4 illustre avec les caractéristiques du transistor l’effet amplificateur. En effet, la
variation de la tension vbe (égales à ve) autour de la tension VBE repos de 0.618 V, entraîne une
variation du courant de collecteur autour de sa valeur de repos soit 6.5 mA. Compte-tenu de la
droite de charge dynamique, on obtient des variations de la tension vce (égales à vs) de part et d’autre
de sa valeur de repos 6.35 V. La tension sinusoïdale de sortie vs est donc en opposition de phase et
d’amplitude beaucoup plus grande que celle de ve.

        Cependant l’amplitude de la tension d’entrée ve doit être faible sous peine de voir apparaître
une distorsion de la tension de sortie vs. En effet, si on augmente l’amplitude de vbe, la non-linéarité
de la caractéristique d’entrée va produire une tension de sortie non sinusoïdale.

        En résumé, pour être en régime linéaire, on doit se contenter d’appliquer des petites
variations sinusoïdales à l’entrée du montage.

       Dans tous les cas, la tension de sortie vs ne peut pas dépasser les deux limites qui
correspondent au blocage et à la saturation du transistor.


                                                                                                                                      3
3° PARTIE : SCHEMA EQUIVALENT AU TRANSISTOR NPN (OU PNP) AUX
                        FREQUENCES MOYENNES ET AUX PETITES VARIATIONS

  Si l’amplitude de la tension d’entée ve est suffisamment petite (petites variations), le transistor NPN
(ou PNP) peut être simulé par le schéma équivalent linéaire suivant :


                                                                          vbe                    rce
                                                              B
                                                                         rbe
                                                                   ib                   E                      C        ic
                                                                                              gm vbe
                                                                                              ou β i b


                                           Figure 5 : schéma équivalent au transistor NPN (ou PNP)

     •         La jonction BE passante, est représentée par sa résistance dynamique rbe

     •         Entre collecteur et émetteur, l’effet transistor est représenté par un générateur de courant
               dépendant de vbe ou de ib à savoir : [gm.vbe] ou [ .ib].

     •         La résistance rce représente la résistance interne du générateur de courant dépendant.

 1) Mesure des paramètres sur les caractéristiques du transistor.

 Les paramètres rbe, β et rce se déterminent graphiquement autour du point de repos :

                                                dVBE                           dIC                                     dVCE
                                    rbe     (        )                     (        )                   r          (        )
                                                dI B P r e p o s               dI B VCE c o n s t a n t ce              dIC IC c o n s t a n t
 2) Calcul des paramètres

 Il est plus commode de calculer les paramètres rbe, gm (transconductance) et rce du transistor à partir
 de la connaissance :
              • Son courant de repos IC repos (6.5 mA)
              • Du gain en courant β (94)
                  •        De sa tension de Early VA (- 247 V) :

                       UT                                          IC r e p o s                                          VA         VC E    repos
         rbe                              361            gm                         260mS                    rce                                    39k
                      IC    repos                                    UT                                                        IC    repos




                                                                                                                                                          4
4° PARTIE : DETERMINATION DES PERFORMANCES DU MONTAGE
                      AMPLIFICATEUR EMETTEUR COMMUN

      Le calcul des performances du montage amplificateur s’effectue sur le schéma de la figure 6.
Ce schéma est obtenu en remplaçant dans la figure 3, le transistor par son schéma équivalent en
[gm.vbe].


                           ig              ib                  B                        C                    ic

                                                                   g m vbe
                  Rg
                                                                                                       vce
                            ve              vbe rbe                                         rce                   R C //R u
                       +                                                                               vs
                  eg
                       -             R1 //R 2

                                                               E



                                                Schéma équivalent au transistor

              Figure 6 : schéma équivalent aux petites variations du montage complet.

Les résultats du calcul des performances du montage sont résumés dans le tableau suivant :

                                                          vs
         Gain en tension en charge: AV                                AV         gm .(R ce // RC // Ru )                 253
                                                          ve
                                                vs
         Gain en tension à vide: AV0                                  AV        gm .(R ce // RC )                 494
                                                ve
                                                                              ve
         Résistance d’entrée vue par (eg, Rg) :                       Re             R1 // R2 // rbe 296
                                                                              ig
         Résistance de sortie vue par Ru *                            Rs      Rce // RC 1.9k
                                                                                        2 R
         Gain en puissance Ap                                         AP      10log(A e ) 40dB
                                                                                        v
                                                                                          Ru

(*)Méthode « de l’ohmmètre » permettant de calculer Rs :
          • Court-circuiter eg (et non ve).
          • Enlever Ru et mettre à sa place un générateur sinusoïdal u qui débite un courant i.
Dans ces conditions Rs est l'expression du rapport u / i.

Compte-tenu des résultats du tableau, l’étage amplificateur prend la forme de synthèse suivante :

                                           B                                                            C
                                                                                  1.9k Ω
                                                                                    Rs
                            Rg
                                                                       +
                                          ve     Re                                               vs         Ru
                                 +                                              Av0 v e
                            eg                                          -
                                                           296 Ω             -494 v e
                                 -                    E




                                         Réprésentation synthétique de l’étage amplificateur



                                                                                                                               5
5° PARTIE : PERFORMANCES DU MONTAGE AMPLIFICATEUR EN EMETTEUR
    COMMUN SANS CAPACITE DE DECOUPLAGE DE LA RESISTANCE D’EMETTEUR

        Le montage étudié précédemment est caractérisé par un gain en tension important.
Cependant, il faut pour cela découpler la résistance d’émetteur RE par un condensateur de
découplage Cd de forte valeur.
        On se propose d’étudier maintenant les performances du montage sans la capacité Cd sachant
que la polarisation est inchangée. Le nouveau schéma équivalent au montage complet aux petites
variations en “β ib” (plus pratique pour ce montage) est indiqué en figure 7. La résistance interne rce
du transistor est négligée car elle complique inutilement les calculs.




                                                  Schéma équivalent au transistor
                                                                            β ib
                                 ig       B     ib                E                            C

                                                          rbe
                     Rg
                                  ve           R1 //R 2                RE           vs             R C //R u
                       +
                     eg
                          -                                           (β+1) ib




                                           Figure 7
L’analyse du schéma permet de déterminer les expressions des performances du montage :

              Résistance d’entrée                                Gain en tension                   Résistance de sortie
         ve
    Re         R1 // R2 // rbe        (       1)R E                 (RC // Ru )
         ig                                               Av                             9.6          Rs = RC = 2 kΩ
                                                                 rbe (     1)RE
                    1.4 kΩ

Ce montage amplificateur en émetteur commun “avec RE” présente des avantages par rapport au
montage où la résistance RE est découplée par Cd :

•        Sa résistance d’entrée est plus grande
•        Dans certaines conditions, son gain en tension ne dépend plus du gain en courant β du
                                                                            RC // Ru
         transistor. En effet, pour rbe << (β+1) RE), on obtient alors : Av          = -10.
                                                                              RE




                                                                                                                          6
6° PARTIE : REPONSE EN FREQUENCE DU MONTAGE EMETTEUR COMMUN

       Le schéma équivalent de la figure 7 a permis de calculer le gain du montage Av aux
fréquences moyennes (-9.6). Le signe négatif du gain indique que la tension de sortie vs est en
opposition de phase avec la tension d’entrée ve.
       Si on fait varier la fréquence du générateur d’excitation eg dans un large domaine de
fréquences, le module du gain Av ne sera pas constant. La figure 8 montre alors la courbe de
réponse du montage : Av F (f ) . On distingue sur le graphe :
              •        La zone des fréquences moyennes où le module du gain est constant (9.6)

              •        Le domaine des basses fréquences où le gain est plus faible. Les condensateurs de
                       liaisons et de découplage sont responsables de cette chute du gain.

              •        Le domaine des hautes fréquences où le gain chute à nouveau. En H.F., le schéma
                       équivalent du transistor présenté en figure 5 doit être modifié pour tenir compte des
                       capacités des jonctions.

       On défini alors les deux fréquences de coupure du montage fb et fh qui correspondent aux
fréquences pour lesquelles le module du gain aux fréquences moyennes est divisé par 2 .La bande
passante du montage amplificateur ∆f est donné par leur différence.



          module de | Av | aux fréquences moyennes      Réponse en fréquence                          Frequency (Hz)

                  +1            +10             +100        +1k                +10k   +100k   +1Meg           +10Meg

    +10




    +8

             AV
                                                         Bande passante ∆F
    +6        2



    +4




    +2




    +0e+000

         MAG(V(VS))                   *REAL(B.P.)*
                              fb = 6 Hz                                                       fh = 1.6MHz

                                          Figure 8 : courbe de réponse en fréquence




                                                                                                                       7
Dans tout le domaine de fréquences, par la présence de condensateurs, le gain du montage
est un nombre complexe. Aussi le déphasage de la sortie par rapport à l’entrée est fonction de la
fréquence comme indiqué en figure 9.
       Aux fréquences moyennes ce déphasage est égal à 180°. Il tend vers zéro en basses et hautes
fréquences.


                                         Déphasage de vs/ve                              Frequency (Hz)

           +1       +10         +100        +1k               +10k   +100k       +1Meg           +10Meg

 +200




 +100




 +0e+000




 -100




 -200

   PH_DEG(V(VS))




                    Figure 9 : déphasage de vs/ve en fonction de la fréquence.




                                                                                                          8
Amplificateur E.C à transistor NPN

              +VCC = + 20V

                                                                                         Schéma aux petites variations des deux
                             R1               RC                                                      montages
                                                        7,10 V

                                          6.5 mA                                                                         rce
      ve           1,25 V
0V                                                                                                        vbe
                                     68 µA               C L2         0V                        B               E
                                                                                                          rbe
                                                                           vs                       ib
                  C L1                                                                                                gm vbe C
      Rg                                                                        Rg
                                     0,65 V                                                                           ou β ib
                                                                 RU                      ve                         RE           vs   RC//Ru
                             R2                                                  +                  R1//R2
      +
     eg                                       RE                                eg
          -                                                                          -



                         Amplificateur E.C à transistor PNP

              +VCC = + 20V

                             R2                    RE
                                                                                                              ( RC // Ru )
               18.75 V
                                    19.35 V                                                   Av = −
                                                         13 V                                            rbe + RE ( +1)
     ve
0V
                   C L1              68 µA                                                    Re = R1 // R2 // [rbe + RE ( +1)]
                                                                      0V
      Rg                                  6.5 mA         C L2              vs                 Rs = RC
                                                                 RU
      +                      R1
     eg                                       RC
          -
TRANSISTOR NPN : AMPLIFICATEUR COLLECTEUR COMMUN

                     + VCC = + 15 V
                                                                 C
                                     9,6 V          RB               IC repos

                    0V                C1            IB repos
                                                                          9V
                                                                                       0V    +   VCC
                                                B                        C2
                                                                                                 15 V
                      Rg
                              1k Ω


                                                         0,6 V       E
                                           ve
                       +                                                                vs




                                                                                50 Ω
                                                               RE         RU
                     eg
                          -


                                                           Figure 1

Le schéma d'un étage amplificateur à transistor monté en collecteur commun, alimenté sous une
tension d'alimentation VCC de 15 V, est donné en figure 1.Il utilise, à T = 25 °C, un transistor NPN
au silicium tel que : ß = 300, VBE = 0,6 V, Tension de Early : VA = - 200 V

1) On choisit le point de repos du transistor tel que : IC repos = 3 mA et VCE repos = 6 V.
   •     Calculer la valeur de la résistance d'émetteur RE et de polarisation RB
   •     Sous quelle tension continue sont chargées les capacités C1 et C2 ?

2) Dessiner le schéma équivalent du montage complet pour les petites variations imposées par le
   géné-
   rateur d'attaque sinusoïdal (eg, Rg ). Les capacités de liaisons C1 et C2 ont une impédance
   négligeable à la fréquence de travail. Choisir le schéma en “ß ib ” pour simuler le transistor.

3) Calculer la valeur des paramètres du transistor autour de son point de repos : r be , gm et rce.

4) Déterminer la résistance d'entrée Re du montage vue par le générateur d'attaque (eg , Rg).
   On rappelle que Re = v e / ig où ig représente le courant variable imposé par eg .

5) Chercher l'expression et calculer le gain en tension en charge : Av = vs /v e.

6) Calculer le gain en puissance Ap de l'étage en déciBels et son gain en courant Ai.

7) Chercher l'expression et calculer la résistance de sortie Rs du montage vue par la résistance Ru .
On rappelle la méthode générale permettant de construire le schéma permettant le calcul de Rs :
     • Court-circuiter eg (et non ve ).
     • Enlever Ru et mettre à sa place un générateur sinusoïdal u qui débite un courant i.
     • Dans ces conditions Rs est l'expression du rapport u / i.

                                                         SOLUTION

1) On se place en régime continu avec le générateur eg annulé. Les capacités chargées sous une
   tension continue se comportent alors comme des circuits ouverts.
   VEM = - VCE repos +V CC = 9V
   VEM = RE ICrepos ( avec un ß de 300, le courant de base est négligeable ). RE = 3 KΩ
   VBM = V BE repos + VEM = 9,6 V IB repos = IC repos /ß = 3 µA     R B = 540 kΩ
   Les tensions continues aux bornes des capacités sont indiquées sur la figure 1.
2)
                                 ig         B         rbe            E (β+1) ib


                        Rg                             ib
                                       ve       RB                                                          vs
                           +
                      eg                                                                 rce      RE   Ru
                                                               β ib
                           -                                      C
                                                                                              Réqui

                       UT                                   I C repos                             V CE repos + V A
3)           rbe =               = 2,5 K         gm =                 = 0,12 mS          r ce =                    = 68,7 K
                     I C repos                                UT                                      I C repos


4) On écrit l’équation au noeud B :
                v          ig                                                            ve
          ig = e + ib         = 1 + 1 = Re                                R e = R B //
                RB         ve   RB ve                                                    ib
                                         ib
     On recherche ensuite une relation liant v e et ib : v e = rbe i b + ( + 1) i b R équi

     On obtient alors : R e = R B // rbe + ( + 1) R équi                     Re = 16,7 KΩ


5) La tension de sortie est telle que : v s = ( + 1) i b R équi . Compte-tenu de l’expression de ve
   précédente :
                   ( + 1) R équi
          Av=                       = 0,855
                rbe + ( + 1) R équi


                                      Re                                  AP
6)           A P = 10 log A v 2             = 23,9 dB              A i=      = 285,6
                                      Ru                                  Av

7)
                                       B        rbe                E i’

                                                 ib                                                    i
                                                                                            +
                           Rg               RB                                             u           u
                                                                               rce       RE -
                                                            β ib
                                                               C

     En s’inspirant de la méthode indiquée en Q4, appliquée en amont du noeud E, on obtient :
                     u
            i=              + i'       Rs = R E // rce // u
                 R E // rce                               i'
     On recherche ensuite une relation entre u et i’.
            u = − i b (rbe + R g // R B     avec i' = − ( + 1) i b entraîne :
                                 R g // R B + rbe
            R s = R E // rce //                    = 11,6
                                        +1
ETAGE AMPLIFICATEUR : TRANSISTOR NPN EN BASE COMMUNE

                                                                              + VCC = + 15 V
                                                                     RC
                              R1                                     1,2 KΩ


                                                                     C
                                                                          C2
                                   B
                                                                     E
                                                                 E
                                                       C1                                vs



                                                50 Ω
                                        Rg                                       RU
                                                            ve                 6 KΩ
                      Cd      R2                                         RE
                                         +
                                                                     1 KΩ
                                       eg
                                            -

                                                             M
Le schéma d'un étage amplificateur à transistor NPN monté en base commune est donné ci-dessus.
Il utilise un transistor NPN au silicium tel que, à T = 25°C :
                          = 100, VBE 0,6 V tension de Early : VA = - 100 V

1) Quelle valeur doit-on donner aux résistances R1 et R2 pour polariser correctement le transistor
   avec un courant de repos de collecteur IC = 4 mA ?

2) Dessiner le schéma équivalent au montage complet aux petites variations et aux fréquences
   moyennes sachant que toutes les capacités ont alors une impédance négligeable.
   On utilisera le schéma équivalent en " gm vbe " pour simuler le transistor.

3) Déterminer les paramètres rbe , gm et rce du transistor autour de son point de fonctionnement.

4) Chercher l'expression et calculer les caractéristiques essentielles de cet étage amplificateur :

   a) Le gain en tension en charge A v = vs/ve et à vide Av0

   b) La résistance d'entrée R e vue par le générateur d'attaque (eg, Rg )

    c) La résistance de sortie Rs vue par la résistance d'utilisation Ru (montrer que R s peut se mettre
    sous la forme : RC //k rce où k est une constante dont on donnera l’expression).
SOLUTION

Question 1 :
                                                                                                               + VCC = + 15 V
                                                                                                      4mA
                                                           23.6 kΩ                                    RC
                                                 R1       R1n : 22 kΩ            10,2V                1,2 KΩ
                                     4,6V
                                                                     IB = 40 µA                    C

                                                      B
                                                                                                      E 4V
                                                          10 IB = 400 µA                     E
                                                              11.5 kΩ
                                                  R2                                                   RE
                                                              R2n : 10 kΩ                             1 KΩ


                                                                                         M


Question 2 : schéma équivalent au montage complet aux petites variations et aux fréquences moyennes
sachant que toutes les capacités ont alors une impédance négligeable.

                                                                                      rce
                                                                      E

                                                                                                  C
                             RG                                                     gm vbe
                                               ve RE           vbe         rbe                            vs           RC //   Ru
                               +
                            eg
                                 -
                                                                            B


Question 3 :paramètres du transistor :

                              UT                                                                          V A + V CE repos
                   rbe =                = 625                 g m = 40 IC repos = 160 mS         r ce =                        = 26.5 k
                            IC repos                                                                            IC repos

Question 4a :
                                     ve − vs                     vs
Equation au noeud C :                          − g m v be −                =0     sachant que v be = -ve, on obtient :
                                       rce                    R c // R u
                                          1
                                               A v = ( gm +
                                              ) (Rc // R // rce ) soit Av = +154
                                          rce           u

Gain en tension à vide (Ru infinie) : Av0 = 183.7


Question 4b : Résistance d’entrée Re vue par le générateur d’attaque (eg ,Rg) :
    v              v
R = e = R // r // e
 e  ig    E    be
                    i

v e = rce (i+ g m v be )+ (Rc // R u ) i
rce
                                             ig                  E       i                              i
                                                                                              C
                               RG                                                 gm vbe
                                            ve RE         vbe        rbe                           vs         RC //   Ru
                               +
                              eg
                                   -
                                                                         B

Sachant que : ve = -vbe, il vient :

ve       rce + (Rc // R u )                                                  rce + (Rc // R u )
     =                             soit :             R e = R E // rbe //
 i          1 + g m rce                                                         1 + g m rce

A.N. la résistance d’entrée est sensiblement égale à (gm)-1 = 6.25 Ω.


Question 4c : Résistance de sortie vue par Ru.

Schéma du montage selon la méthode de “l’ohmmètre” :
                                                                  rce
                                                  E                                  i’            i
                                                       i’                     C
                                                                gm vbe                                 +
                                                      Req
                                            vbe                                           u       RC         u
                                                      rbe // R E //R G                                 -

                                                      B

R s = R c // u       avec : u = rce (i'− g m v be )+ R eq i' et v be =− R eq i'
             i'
il vient :

                                                                                                   R eq
                                                  R s = R c // k.rce avec : k = 1 + g m R eq +
                                                                                                       rce
A.N. Rs =1 kΩ // 220 kΩ = 995 Ω.
MONTAGES FONDAMENTAUX TRANSISTOR BIPOLAIRE NPN



             + VCC                                           + VCC                                                                  + VCC

                       R1              RC                             R1                                        R1             RC

                                  C                                                                                      C
                        B                                               B

  RG                                          RU   RG                              E                                    E
                                                                                                                                              RG RU
        +                                               +                                                       R2    RE
   eg
                       R2              RE          eg
                                                                     R2         RE             RU                                         +
                                                                                                                                     eg
        -                                               -
                                                                                                                                          -




            Montage émetteur commun                         Montage collecteur commun                            Montage base commune

                                                                                                                               1 rbe
            Re = Rp // [rbe + ( +1) RE ]                Re = Rp // [rbe + ( +1)(RE // RU )]                            Re ≈      =
                                                                                                                              gm
                         (rce // RC // RU )                      ( + 1) (rce // RE // RU )                                    1
              Av = −                               Av =                                       ≤1                Av = (gm +      ) ( // RC // Ru )
                                                                                                                                  r
                       rbe + ( +1)RE                          rbe + ( + 1) (rce // RE // RU )                                rce ce
                                                                           (RG // Rp ) + rbe
            Rs = RC // k' rce avec : k' > 1                   Rs = RE //                                        Rs = RC // k rce avec : k >1
                                                                                   +1


La résistance Rp représente R1//R2.
Le formulaire est utilisable pour les montages à transistors PNP.
                                                  I                UT                               VA + VCE
Les paramètres du transistor sont tels que : gm = Crepos    rbe =                         rce =
                                                    UT            ICrepos                             ICrepos
La résistance RG peut être la résistance de sortie de l’étage amont et RU la résistance d’entrée de l’étage aval.
CALCUL DES CAPACITES DE LIAISONS

                                          + VCC


                                                 RC1              RC2
                                                                                C2



                                                                        T2

                                                   T1
                           RG         C1                                                      vs        RU

                     +
                eg                          ve          RE1   Cd         RE2
                     -




                                       Schéma équivalent
                           petites variations et fréquences moyennes




                                C1                                                   C2
                 RG                                                       Rs


         +                                                    +
    eg                                ve               Re               Av0 ve                     vs        RU
         -                                                    -



                              1                                                           1
             fce =                                                      fcs =
                     2    (RG + Re ) C1                                         2    ( Rs + Ru ) C2

Courbe de réponse en fréquence du montage complet :
choix de l’atténuation par rapport aux fréquences moyennes
                                     dB
                                                                                              dB
                                                                                      vs
             At. (dB)                                                                 eg      f . moy.


                            0                                                             f
                                           f1      fréquences moyennes

                                  f 2           f 2 
                At(dB) = −10.log 1 +    −10.log1 +  cs  
                                     ce
                                                  
                                  f1  
                                                 f1   
CALCUL D’UNE CAPACITE DE DECOUPLAGE

                        + VCC


                                 RC1               RC2
                                                                      C2



                                                             T2

                                   T1
         RG            C1                                                        vs
                                                                                      RU

 +
eg                          ve             RE1    Cd         RE2
     -




                              Schéma équivalent
                  petites variations et fréquences moyennes



                                                 Rth


                                       +
                                 eth                                  v    Cd
                                       -




                         eth − v                                        1       
         Fdécouplage   =          = −10.log1 +
                                          
                                                                               2
                           eth dB                                (   .Rth .Cd ) 
                                                                                 


                                 1
                                     = Rth 10 −0.1F − 1déc


                                 .Cd
ASSOCIATION EMETTEUR COMMUN-BASE COMMUNE
                                  (CASCODE)



                       emetteur com.                       base com.
                                                                                         + VCC


                  R1                            R3                               RC2

                                                             T2
         CL1
                                 T1
                                                                                       CL2
 Rg
                                          vs1                                            vs2     Ru
               ve R                             CD1               R4
  +                2
eg
     -




                 Re1 = R1 // R2 // rbe1                                1
                                                           Re2 =
                                                                      gm2

                   AV1 = −gm1 Re2                                 (
                                                      AV 2 = gm2 RC2 // Ru   )
                                                           Rs2 = RC 2
AMPLIFICATEUR CASCODE COMPENSE



                              + VCC = +20 V
                                                                                          RC
                                                              R1
                                                                Base com.            T2

                                     VZ
                                                                                                       Cp        vs

                                     6v                                                           1.2 nF
                                                               R2

                                      10 µF                   Emetteur com.          T1


                      Rg                  CL1
                                                                                                                      56 nF
                                                ve
                       +                                      R3                          RE                    CE
                                                                                                                      25 nF
                     eg
                          -                                                                                            0 nF




        vs     g R             1+ j
           = − m C                      E                                          = RCCp                = RE CE           1   =        E
                                                                                                                                     1+ gm RE
                                                                                 C                     E
        ve    1 + gm RE  (1+ j    C )(1+ j                    1   )




     Courbe de réponse optimale lorsque :
              RC.Cp = RE CE                            Large bande-Small Signal AC-8                                             Frequency (Hz)

              +1k              +3k                   +10k                 +32k                 +100k                 +316k                 +1Meg



+30


+25


+20


+15


+10


+5


+0e+000


-5
     CE = 56 nF                  CE = 25 nF                         Sans CE                            *REAL(BP)*

                                                                        fh = 40 kHz                        fh = 364 kHz              fh = 512 kHz
ASSOCIATION EMETTEUR COMMUN - COLLECTEUR COMMUN

                                                                         + VCC = +15 V


                     RC1          RC1= Re2 / k

                IC1 +IB2

                 0, 6 V                                  T2      0V
                                IB2
                                                                             Rs imposée
                             T1
                                                                        vs
                                                IC2
                     RE1                                  RE2 ?              M (0 V)


                                                                         - VEE = -15 V

                                             On désire avoir :

Une tension de repos en sortie nulle : VS = 0 V
Une résistance de sortie Rs fixée
Une résistance d’ entrée de l’ étage T2 k fois plus grande que la résistance de sortie de T1


                                                                              UT                       V EE
                                                                  r be2 = β            avec   IC 2 =
              1                                                               I C2                     R E2
     R c1 =     r + β R E2
              k be2                                                           UT
                                                                  r be2 = β      R
                                                                              VEE E2

                                               R c1 + rbe2
                             R s = RE2 / /
                                                    β


                                      R E2                       UT
                     R s = R E2 / /            1 + ( k + 1)
                                       k                         V EE


                                                      négligeable devant 1




                               R E2 = ( k + 1 ) R s
Miroir de courant à transistors PNP
      + VCC = +15 V


                                                        C1                          C2 B2 B1
 T1                     T2
                                                 i          gm1 vbe1      gm2vbe2
                                       +
IC1                                u             rce1                                     vbe1 = vbe2
                            Iref
 C1                                    -
                            R2
R1
                                                                         E2 E1      rce2//rbe2//rbe1//R2
                                           Détermination de la résistance de sortie vue par R1



       Transistor en émetteur commun à charge active
                                           + VCC = +15 V



                                       T1                               T2

                       RB          IC1
                                                                         Iref
                                                                         R2

                                                T3

                   ve                                  vs
                                    RE




                                   vbe                rce
                   B                        E
                                   rbe
                            ib                                                  i
                                                                C
                                                     gm vbe
             ve        RB                  RE        ou β ib           vs r
                                                                            ce1




            Schema du montage complet en régime des petites variations :
                 la résistance rce1 de T1 constitue la charge de T3
AMPLIFICATEUR SELECTIF EN EMETTEUR COMMUN


         + VCC

                                  RC
                                                CD1
                                                                                            SCHEMA EN REGIME CONTINU
                                                                                            + VCC
                      R1
                                  L
                                  r             C accord                                              R1        RC + r


         CL1
                                                 CL2

Rg                                                              vs
               ve                                                                                     R2        RE
  +                   R2          RE           CD2
eg
     -

               SCHEMA DU MONTAGE




                 SCHEMA EN REGIME SINUSOIDAL PETITES VARIATIONS

                                                                         L                  2
                                                                 QL =            0
                                                                                      LC    0   =1
                                                                             r

                    Rg
                                 ve
                    +                          rbe               Réqui               vs L
                                vbe                                                                  C accord
                 eg                                  gm vbe
                      -
                                      R1//R2
                                                                 Réqui = rce // Q 2 .r
                                                                                  L


                                 COURBE DE REPONSE EN FREQUENCE

                                                     gm Réqui
                           vs
                           ve
                                                                     gm Réqui
                                                                         2




                                                        f0

                                                                        f0                       Réqui
                                                                ∆f =                 avec: Q =
                                                                        Q                        L 0

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Amplification Bipolaire

  • 1. LES MONTAGES AMPLIFICATEURS FONDAMENTAUX A TRANSISTORS BIPOLAIRES Philippe ROUX © 2005
  • 2. AMPLIFICATEUR A TRANSISTOR NPN MONTE EN EMETTEUR COMMUN 1° PARTIE : CONCEPTION DU MONTAGE EMETTEUR COMMUN On considère le montage donné en figure 1 qui représente un transistor NPN alimenté sous une tension d’alimentation V CC de 20V. Ce transistor a été polarisé « en tension » par les résistances R1 et R2, de telle manière que son courant de repos de collecteur soit fixé à 6.5 mA. Sur le schéma est indiqué la valeur du potentiel par rapport à la masse de la base, de l’émetteur et du collecteur. + VCC = +20 V IC repos 6.5 mA R1 22 kΩ RC 2 kΩ C 7V B 68 µA 1.25 V IB repos E 0.65 V R1 1.8 kΩ RE 100 Ω Figure 1 : transistor NPN polarisé On désire obtenir un montage amplificateur dit « en émetteur commun ». Pour cela il est nécessaire d’exciter le montage entre base et masse par un générateur sinusoïdal indépendant de résistance interne Rg tel que : eg = Egm sin (ωt). La tension de sortie vs du montage doit alimenter une résistance d’utilisation Ru (figure 2). + VCC = +20 V vs 7V ve R1 22 kΩ RC 2 kΩ 1.25V ve CL2 vs 0V CL1 C 0V B 0.65 V Rg E vs vs RU ve ve + RE eg R1 1.8 kΩ 2 kΩ 100 Ω CD - Figure 2 : Montage amplificateur en émetteur commun 1
  • 3. On doit dans un premier temps résoudre un problème. En effet, le générateur eg délivre une tension sinusoïdale ve qui évolue autour de zéro volt. Cette tension ne peut pas être appliquée directement entre la base et la masse qui doit rester au potentiel de 1.25 V pour que le transistor reste correctement polarisé. De même, et pour la même raison, on ne peut pas connecter directement la résistance Ru entre le collecteur et la masse. On doit donc pour résoudre ce problème, utiliser des condensateurs de « liaisons » CL1 et CL2 qui se comportent : • En régime continu comme des circuits ouverts. • En régime sinusoïdal comme une impédance de module |ZCL| = (ω.CL)-1 qui sera négligeable devant les résistances du circuit à condition de choisir une valeur convenable pour CL1 et CL2. On peut aussi mettre en parallèle avec la résistance RE une capacité CD dite de « découplage » qui se comporte encore comme un court-circuit pour le régime sinusoïdal imposé par eg. 2° PARTIE : ANALYSE GRAPHIQUE DE L’AMPLIFICATION : DROITE DE CHARGE DYNAMIQUE On va s’intéresser aux tensions sinusoïdales qui sont représentées en figure 2 et qui évoluent autour des tensions continues indiquées sur cette même figure. Sachant que la tension continue VCC est fixe par principe, ses variations sont nulles. La tension VCC se comporte donc pour les variations comme un court-circuit. Dessinons dans ces conditions le schéma du montage aux variations (figure 3) en tenant compte du fait que les condensateurs se comportent eux aussi comme des court-circuits. ic ib Rg vce vbe vs R C //R u ve + eg R 1//R 2 - Figure 3 Le schéma de la figure 3 conduit à définir la droite de charge dynamique du transistor liant la variation de la tension vce à celle de ic. Cette droite est différente de la droite de charge statique (figure 4). En effet : • Elle passe par le point de repos (lorsque eg (t) est nul) • Son coefficient directeur est tel que : ∆VCE = - (RC//Ru) ∆IC. 2
  • 4. Caractéristique de transfert IC en mA Caractéristiques de sortie 20 VCE = 6.35 V IBen µA 18 0 = 94 16 0 15 14 0 Saturation Droite de charge dynamique 12 0 10 10 0 80 Variations de i c 6.5 mA P repos 60 5 40 20 IBen µA Blocage VCC 0 200 150 100 50 5 10 15 20 68 µA 0,45 6.35 V VCE en V 0,5 Variations de V ce 0,55 P repos 0,6 0.618 V 0,65 Variations de V be 0,7 200 150 100 50 IB en µA Caractéristique d’entrée VBE en V Figure 4 : illustration de l’effet amplificateur La figure 4 illustre avec les caractéristiques du transistor l’effet amplificateur. En effet, la variation de la tension vbe (égales à ve) autour de la tension VBE repos de 0.618 V, entraîne une variation du courant de collecteur autour de sa valeur de repos soit 6.5 mA. Compte-tenu de la droite de charge dynamique, on obtient des variations de la tension vce (égales à vs) de part et d’autre de sa valeur de repos 6.35 V. La tension sinusoïdale de sortie vs est donc en opposition de phase et d’amplitude beaucoup plus grande que celle de ve. Cependant l’amplitude de la tension d’entrée ve doit être faible sous peine de voir apparaître une distorsion de la tension de sortie vs. En effet, si on augmente l’amplitude de vbe, la non-linéarité de la caractéristique d’entrée va produire une tension de sortie non sinusoïdale. En résumé, pour être en régime linéaire, on doit se contenter d’appliquer des petites variations sinusoïdales à l’entrée du montage. Dans tous les cas, la tension de sortie vs ne peut pas dépasser les deux limites qui correspondent au blocage et à la saturation du transistor. 3
  • 5. 3° PARTIE : SCHEMA EQUIVALENT AU TRANSISTOR NPN (OU PNP) AUX FREQUENCES MOYENNES ET AUX PETITES VARIATIONS Si l’amplitude de la tension d’entée ve est suffisamment petite (petites variations), le transistor NPN (ou PNP) peut être simulé par le schéma équivalent linéaire suivant : vbe rce B rbe ib E C ic gm vbe ou β i b Figure 5 : schéma équivalent au transistor NPN (ou PNP) • La jonction BE passante, est représentée par sa résistance dynamique rbe • Entre collecteur et émetteur, l’effet transistor est représenté par un générateur de courant dépendant de vbe ou de ib à savoir : [gm.vbe] ou [ .ib]. • La résistance rce représente la résistance interne du générateur de courant dépendant. 1) Mesure des paramètres sur les caractéristiques du transistor. Les paramètres rbe, β et rce se déterminent graphiquement autour du point de repos : dVBE dIC dVCE rbe ( ) ( ) r ( ) dI B P r e p o s dI B VCE c o n s t a n t ce dIC IC c o n s t a n t 2) Calcul des paramètres Il est plus commode de calculer les paramètres rbe, gm (transconductance) et rce du transistor à partir de la connaissance : • Son courant de repos IC repos (6.5 mA) • Du gain en courant β (94) • De sa tension de Early VA (- 247 V) : UT IC r e p o s VA VC E repos rbe 361 gm 260mS rce 39k IC repos UT IC repos 4
  • 6. 4° PARTIE : DETERMINATION DES PERFORMANCES DU MONTAGE AMPLIFICATEUR EMETTEUR COMMUN Le calcul des performances du montage amplificateur s’effectue sur le schéma de la figure 6. Ce schéma est obtenu en remplaçant dans la figure 3, le transistor par son schéma équivalent en [gm.vbe]. ig ib B C ic g m vbe Rg vce ve vbe rbe rce R C //R u + vs eg - R1 //R 2 E Schéma équivalent au transistor Figure 6 : schéma équivalent aux petites variations du montage complet. Les résultats du calcul des performances du montage sont résumés dans le tableau suivant : vs Gain en tension en charge: AV AV gm .(R ce // RC // Ru ) 253 ve vs Gain en tension à vide: AV0 AV gm .(R ce // RC ) 494 ve ve Résistance d’entrée vue par (eg, Rg) : Re R1 // R2 // rbe 296 ig Résistance de sortie vue par Ru * Rs Rce // RC 1.9k 2 R Gain en puissance Ap AP 10log(A e ) 40dB v Ru (*)Méthode « de l’ohmmètre » permettant de calculer Rs : • Court-circuiter eg (et non ve). • Enlever Ru et mettre à sa place un générateur sinusoïdal u qui débite un courant i. Dans ces conditions Rs est l'expression du rapport u / i. Compte-tenu des résultats du tableau, l’étage amplificateur prend la forme de synthèse suivante : B C 1.9k Ω Rs Rg + ve Re vs Ru + Av0 v e eg - 296 Ω -494 v e - E Réprésentation synthétique de l’étage amplificateur 5
  • 7. 5° PARTIE : PERFORMANCES DU MONTAGE AMPLIFICATEUR EN EMETTEUR COMMUN SANS CAPACITE DE DECOUPLAGE DE LA RESISTANCE D’EMETTEUR Le montage étudié précédemment est caractérisé par un gain en tension important. Cependant, il faut pour cela découpler la résistance d’émetteur RE par un condensateur de découplage Cd de forte valeur. On se propose d’étudier maintenant les performances du montage sans la capacité Cd sachant que la polarisation est inchangée. Le nouveau schéma équivalent au montage complet aux petites variations en “β ib” (plus pratique pour ce montage) est indiqué en figure 7. La résistance interne rce du transistor est négligée car elle complique inutilement les calculs. Schéma équivalent au transistor β ib ig B ib E C rbe Rg ve R1 //R 2 RE vs R C //R u + eg - (β+1) ib Figure 7 L’analyse du schéma permet de déterminer les expressions des performances du montage : Résistance d’entrée Gain en tension Résistance de sortie ve Re R1 // R2 // rbe ( 1)R E (RC // Ru ) ig Av 9.6 Rs = RC = 2 kΩ rbe ( 1)RE 1.4 kΩ Ce montage amplificateur en émetteur commun “avec RE” présente des avantages par rapport au montage où la résistance RE est découplée par Cd : • Sa résistance d’entrée est plus grande • Dans certaines conditions, son gain en tension ne dépend plus du gain en courant β du RC // Ru transistor. En effet, pour rbe << (β+1) RE), on obtient alors : Av = -10. RE 6
  • 8. 6° PARTIE : REPONSE EN FREQUENCE DU MONTAGE EMETTEUR COMMUN Le schéma équivalent de la figure 7 a permis de calculer le gain du montage Av aux fréquences moyennes (-9.6). Le signe négatif du gain indique que la tension de sortie vs est en opposition de phase avec la tension d’entrée ve. Si on fait varier la fréquence du générateur d’excitation eg dans un large domaine de fréquences, le module du gain Av ne sera pas constant. La figure 8 montre alors la courbe de réponse du montage : Av F (f ) . On distingue sur le graphe : • La zone des fréquences moyennes où le module du gain est constant (9.6) • Le domaine des basses fréquences où le gain est plus faible. Les condensateurs de liaisons et de découplage sont responsables de cette chute du gain. • Le domaine des hautes fréquences où le gain chute à nouveau. En H.F., le schéma équivalent du transistor présenté en figure 5 doit être modifié pour tenir compte des capacités des jonctions. On défini alors les deux fréquences de coupure du montage fb et fh qui correspondent aux fréquences pour lesquelles le module du gain aux fréquences moyennes est divisé par 2 .La bande passante du montage amplificateur ∆f est donné par leur différence. module de | Av | aux fréquences moyennes Réponse en fréquence Frequency (Hz) +1 +10 +100 +1k +10k +100k +1Meg +10Meg +10 +8 AV Bande passante ∆F +6 2 +4 +2 +0e+000 MAG(V(VS)) *REAL(B.P.)* fb = 6 Hz fh = 1.6MHz Figure 8 : courbe de réponse en fréquence 7
  • 9. Dans tout le domaine de fréquences, par la présence de condensateurs, le gain du montage est un nombre complexe. Aussi le déphasage de la sortie par rapport à l’entrée est fonction de la fréquence comme indiqué en figure 9. Aux fréquences moyennes ce déphasage est égal à 180°. Il tend vers zéro en basses et hautes fréquences. Déphasage de vs/ve Frequency (Hz) +1 +10 +100 +1k +10k +100k +1Meg +10Meg +200 +100 +0e+000 -100 -200 PH_DEG(V(VS)) Figure 9 : déphasage de vs/ve en fonction de la fréquence. 8
  • 10. Amplificateur E.C à transistor NPN +VCC = + 20V Schéma aux petites variations des deux R1 RC montages 7,10 V 6.5 mA rce ve 1,25 V 0V vbe 68 µA C L2 0V B E rbe vs ib C L1 gm vbe C Rg Rg 0,65 V ou β ib RU ve RE vs RC//Ru R2 + R1//R2 + eg RE eg - - Amplificateur E.C à transistor PNP +VCC = + 20V R2 RE ( RC // Ru ) 18.75 V 19.35 V Av = − 13 V rbe + RE ( +1) ve 0V C L1 68 µA Re = R1 // R2 // [rbe + RE ( +1)] 0V Rg 6.5 mA C L2 vs Rs = RC RU + R1 eg RC -
  • 11. TRANSISTOR NPN : AMPLIFICATEUR COLLECTEUR COMMUN + VCC = + 15 V C 9,6 V RB IC repos 0V C1 IB repos 9V 0V + VCC B C2 15 V Rg 1k Ω 0,6 V E ve + vs 50 Ω RE RU eg - Figure 1 Le schéma d'un étage amplificateur à transistor monté en collecteur commun, alimenté sous une tension d'alimentation VCC de 15 V, est donné en figure 1.Il utilise, à T = 25 °C, un transistor NPN au silicium tel que : ß = 300, VBE = 0,6 V, Tension de Early : VA = - 200 V 1) On choisit le point de repos du transistor tel que : IC repos = 3 mA et VCE repos = 6 V. • Calculer la valeur de la résistance d'émetteur RE et de polarisation RB • Sous quelle tension continue sont chargées les capacités C1 et C2 ? 2) Dessiner le schéma équivalent du montage complet pour les petites variations imposées par le géné- rateur d'attaque sinusoïdal (eg, Rg ). Les capacités de liaisons C1 et C2 ont une impédance négligeable à la fréquence de travail. Choisir le schéma en “ß ib ” pour simuler le transistor. 3) Calculer la valeur des paramètres du transistor autour de son point de repos : r be , gm et rce. 4) Déterminer la résistance d'entrée Re du montage vue par le générateur d'attaque (eg , Rg). On rappelle que Re = v e / ig où ig représente le courant variable imposé par eg . 5) Chercher l'expression et calculer le gain en tension en charge : Av = vs /v e. 6) Calculer le gain en puissance Ap de l'étage en déciBels et son gain en courant Ai. 7) Chercher l'expression et calculer la résistance de sortie Rs du montage vue par la résistance Ru . On rappelle la méthode générale permettant de construire le schéma permettant le calcul de Rs : • Court-circuiter eg (et non ve ). • Enlever Ru et mettre à sa place un générateur sinusoïdal u qui débite un courant i. • Dans ces conditions Rs est l'expression du rapport u / i. SOLUTION 1) On se place en régime continu avec le générateur eg annulé. Les capacités chargées sous une tension continue se comportent alors comme des circuits ouverts. VEM = - VCE repos +V CC = 9V VEM = RE ICrepos ( avec un ß de 300, le courant de base est négligeable ). RE = 3 KΩ VBM = V BE repos + VEM = 9,6 V IB repos = IC repos /ß = 3 µA R B = 540 kΩ Les tensions continues aux bornes des capacités sont indiquées sur la figure 1.
  • 12. 2) ig B rbe E (β+1) ib Rg ib ve RB vs + eg rce RE Ru β ib - C Réqui UT I C repos V CE repos + V A 3) rbe = = 2,5 K gm = = 0,12 mS r ce = = 68,7 K I C repos UT I C repos 4) On écrit l’équation au noeud B : v ig ve ig = e + ib = 1 + 1 = Re R e = R B // RB ve RB ve ib ib On recherche ensuite une relation liant v e et ib : v e = rbe i b + ( + 1) i b R équi On obtient alors : R e = R B // rbe + ( + 1) R équi Re = 16,7 KΩ 5) La tension de sortie est telle que : v s = ( + 1) i b R équi . Compte-tenu de l’expression de ve précédente : ( + 1) R équi Av= = 0,855 rbe + ( + 1) R équi Re AP 6) A P = 10 log A v 2 = 23,9 dB A i= = 285,6 Ru Av 7) B rbe E i’ ib i + Rg RB u u rce RE - β ib C En s’inspirant de la méthode indiquée en Q4, appliquée en amont du noeud E, on obtient : u i= + i' Rs = R E // rce // u R E // rce i' On recherche ensuite une relation entre u et i’. u = − i b (rbe + R g // R B avec i' = − ( + 1) i b entraîne : R g // R B + rbe R s = R E // rce // = 11,6 +1
  • 13. ETAGE AMPLIFICATEUR : TRANSISTOR NPN EN BASE COMMUNE + VCC = + 15 V RC R1 1,2 KΩ C C2 B E E C1 vs 50 Ω Rg RU ve 6 KΩ Cd R2 RE + 1 KΩ eg - M Le schéma d'un étage amplificateur à transistor NPN monté en base commune est donné ci-dessus. Il utilise un transistor NPN au silicium tel que, à T = 25°C : = 100, VBE 0,6 V tension de Early : VA = - 100 V 1) Quelle valeur doit-on donner aux résistances R1 et R2 pour polariser correctement le transistor avec un courant de repos de collecteur IC = 4 mA ? 2) Dessiner le schéma équivalent au montage complet aux petites variations et aux fréquences moyennes sachant que toutes les capacités ont alors une impédance négligeable. On utilisera le schéma équivalent en " gm vbe " pour simuler le transistor. 3) Déterminer les paramètres rbe , gm et rce du transistor autour de son point de fonctionnement. 4) Chercher l'expression et calculer les caractéristiques essentielles de cet étage amplificateur : a) Le gain en tension en charge A v = vs/ve et à vide Av0 b) La résistance d'entrée R e vue par le générateur d'attaque (eg, Rg ) c) La résistance de sortie Rs vue par la résistance d'utilisation Ru (montrer que R s peut se mettre sous la forme : RC //k rce où k est une constante dont on donnera l’expression).
  • 14. SOLUTION Question 1 : + VCC = + 15 V 4mA 23.6 kΩ RC R1 R1n : 22 kΩ 10,2V 1,2 KΩ 4,6V IB = 40 µA C B E 4V 10 IB = 400 µA E 11.5 kΩ R2 RE R2n : 10 kΩ 1 KΩ M Question 2 : schéma équivalent au montage complet aux petites variations et aux fréquences moyennes sachant que toutes les capacités ont alors une impédance négligeable. rce E C RG gm vbe ve RE vbe rbe vs RC // Ru + eg - B Question 3 :paramètres du transistor : UT V A + V CE repos rbe = = 625 g m = 40 IC repos = 160 mS r ce = = 26.5 k IC repos IC repos Question 4a : ve − vs vs Equation au noeud C : − g m v be − =0 sachant que v be = -ve, on obtient : rce R c // R u 1 A v = ( gm + ) (Rc // R // rce ) soit Av = +154 rce u Gain en tension à vide (Ru infinie) : Av0 = 183.7 Question 4b : Résistance d’entrée Re vue par le générateur d’attaque (eg ,Rg) : v v R = e = R // r // e e ig E be i v e = rce (i+ g m v be )+ (Rc // R u ) i
  • 15. rce ig E i i C RG gm vbe ve RE vbe rbe vs RC // Ru + eg - B Sachant que : ve = -vbe, il vient : ve rce + (Rc // R u ) rce + (Rc // R u ) = soit : R e = R E // rbe // i 1 + g m rce 1 + g m rce A.N. la résistance d’entrée est sensiblement égale à (gm)-1 = 6.25 Ω. Question 4c : Résistance de sortie vue par Ru. Schéma du montage selon la méthode de “l’ohmmètre” : rce E i’ i i’ C gm vbe + Req vbe u RC u rbe // R E //R G - B R s = R c // u avec : u = rce (i'− g m v be )+ R eq i' et v be =− R eq i' i' il vient : R eq R s = R c // k.rce avec : k = 1 + g m R eq + rce A.N. Rs =1 kΩ // 220 kΩ = 995 Ω.
  • 16. MONTAGES FONDAMENTAUX TRANSISTOR BIPOLAIRE NPN + VCC + VCC + VCC R1 RC R1 R1 RC C C B B RG RU RG E E RG RU + + R2 RE eg R2 RE eg R2 RE RU + eg - - - Montage émetteur commun Montage collecteur commun Montage base commune 1 rbe Re = Rp // [rbe + ( +1) RE ] Re = Rp // [rbe + ( +1)(RE // RU )] Re ≈ = gm (rce // RC // RU ) ( + 1) (rce // RE // RU ) 1 Av = − Av = ≤1 Av = (gm + ) ( // RC // Ru ) r rbe + ( +1)RE rbe + ( + 1) (rce // RE // RU ) rce ce (RG // Rp ) + rbe Rs = RC // k' rce avec : k' > 1 Rs = RE // Rs = RC // k rce avec : k >1 +1 La résistance Rp représente R1//R2. Le formulaire est utilisable pour les montages à transistors PNP. I UT VA + VCE Les paramètres du transistor sont tels que : gm = Crepos rbe = rce = UT ICrepos ICrepos La résistance RG peut être la résistance de sortie de l’étage amont et RU la résistance d’entrée de l’étage aval.
  • 17. CALCUL DES CAPACITES DE LIAISONS + VCC RC1 RC2 C2 T2 T1 RG C1 vs RU + eg ve RE1 Cd RE2 - Schéma équivalent petites variations et fréquences moyennes C1 C2 RG Rs + + eg ve Re Av0 ve vs RU - - 1 1 fce = fcs = 2 (RG + Re ) C1 2 ( Rs + Ru ) C2 Courbe de réponse en fréquence du montage complet : choix de l’atténuation par rapport aux fréquences moyennes dB dB vs At. (dB) eg f . moy. 0 f f1 fréquences moyennes   f 2    f 2  At(dB) = −10.log 1 +    −10.log1 +  cs    ce    f1       f1   
  • 18. CALCUL D’UNE CAPACITE DE DECOUPLAGE + VCC RC1 RC2 C2 T2 T1 RG C1 vs RU + eg ve RE1 Cd RE2 - Schéma équivalent petites variations et fréquences moyennes Rth + eth v Cd - eth − v  1  Fdécouplage = = −10.log1 +   2 eth dB  ( .Rth .Cd )   1 = Rth 10 −0.1F − 1déc .Cd
  • 19. ASSOCIATION EMETTEUR COMMUN-BASE COMMUNE (CASCODE) emetteur com. base com. + VCC R1 R3 RC2 T2 CL1 T1 CL2 Rg vs1 vs2 Ru ve R CD1 R4 + 2 eg - Re1 = R1 // R2 // rbe1 1 Re2 = gm2 AV1 = −gm1 Re2 ( AV 2 = gm2 RC2 // Ru ) Rs2 = RC 2
  • 20. AMPLIFICATEUR CASCODE COMPENSE + VCC = +20 V RC R1 Base com. T2 VZ Cp vs 6v 1.2 nF R2 10 µF Emetteur com. T1 Rg CL1 56 nF ve + R3 RE CE 25 nF eg - 0 nF vs  g R  1+ j = − m C  E = RCCp = RE CE 1 = E 1+ gm RE C E ve 1 + gm RE  (1+ j C )(1+ j 1 ) Courbe de réponse optimale lorsque : RC.Cp = RE CE Large bande-Small Signal AC-8 Frequency (Hz) +1k +3k +10k +32k +100k +316k +1Meg +30 +25 +20 +15 +10 +5 +0e+000 -5 CE = 56 nF CE = 25 nF Sans CE *REAL(BP)* fh = 40 kHz fh = 364 kHz fh = 512 kHz
  • 21. ASSOCIATION EMETTEUR COMMUN - COLLECTEUR COMMUN + VCC = +15 V RC1 RC1= Re2 / k IC1 +IB2 0, 6 V T2 0V IB2 Rs imposée T1 vs IC2 RE1 RE2 ? M (0 V) - VEE = -15 V On désire avoir : Une tension de repos en sortie nulle : VS = 0 V Une résistance de sortie Rs fixée Une résistance d’ entrée de l’ étage T2 k fois plus grande que la résistance de sortie de T1 UT V EE r be2 = β avec IC 2 = 1 I C2 R E2 R c1 = r + β R E2 k be2 UT r be2 = β R VEE E2 R c1 + rbe2 R s = RE2 / / β R E2 UT R s = R E2 / / 1 + ( k + 1) k V EE négligeable devant 1 R E2 = ( k + 1 ) R s
  • 22. Miroir de courant à transistors PNP + VCC = +15 V C1 C2 B2 B1 T1 T2 i gm1 vbe1 gm2vbe2 + IC1 u rce1 vbe1 = vbe2 Iref C1 - R2 R1 E2 E1 rce2//rbe2//rbe1//R2 Détermination de la résistance de sortie vue par R1 Transistor en émetteur commun à charge active + VCC = +15 V T1 T2 RB IC1 Iref R2 T3 ve vs RE vbe rce B E rbe ib i C gm vbe ve RB RE ou β ib vs r ce1 Schema du montage complet en régime des petites variations : la résistance rce1 de T1 constitue la charge de T3
  • 23. AMPLIFICATEUR SELECTIF EN EMETTEUR COMMUN + VCC RC CD1 SCHEMA EN REGIME CONTINU + VCC R1 L r C accord R1 RC + r CL1 CL2 Rg vs ve R2 RE + R2 RE CD2 eg - SCHEMA DU MONTAGE SCHEMA EN REGIME SINUSOIDAL PETITES VARIATIONS L 2 QL = 0 LC 0 =1 r Rg ve + rbe Réqui vs L vbe C accord eg gm vbe - R1//R2 Réqui = rce // Q 2 .r L COURBE DE REPONSE EN FREQUENCE gm Réqui vs ve gm Réqui 2 f0 f0 Réqui ∆f = avec: Q = Q L 0