Les transistors et leurs applicationsPLAN 1. Les amplificateurs 2. Les transistors Bipolaires 2.1. Définition 2.2. La commutation 2.3. L’amplification 3. 3.1. 3.2. 3.3. Les transistors à effet de champs Définition La commutation L’amplification 4. Comparaison des deux technologies 5 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 5.6. 5.7. 5.8. Les applications La génération de courant La charge active La paire différentielle L’amplification de puissance L’amplificateur opérationnel L’alimentation linéaire L’adaptation de tension Les montages non linéaires Fabrice Mathieu 1. Les amplificateurs PLAN 1. Les amplificateurs 2. Les transistors Bipolaires 2.1. Définition 2.2. La commutation 2.3. L’amplification 3. 3.1. 3.2. 3.3. Les transistors à effet de champs Définition La commutation L’amplification 4. Comparaison des deux technologies 5 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 5.6. 5.7. 5.8. Les applications La génération de courant La charge active La paire différentielle L’amplification de puissance L’amplificateur opérationnel L’alimentation linéaire L’adaptation de tension Les montages non linéaires Fabrice Mathieu 1. Les amplificateurs Modèle Quadripôle d’un amplificateur Un amplificateur peut être représenté de façon générale par : Son impédance d’entrée (Zin), son gain en tension (Av) ou en courant (Ai) et son impédance de sortie (Zout). Le quadripôle d’un amplificateur peut être déterminé par les différentes matrices classiques (admittance, impédance et hybride) Zin, Av, Ai et Zout peuvent être exprimé avec les paramètres des différentes matrices. La représentation la plus utilisée pour un amplificateur est la suivante: Important : - Faire attention au sens des courants - Vérifier si l’étude du quadripôle est effectuée à vide ou en charge. Fabrice Mathieu pour rendre un amplificateur indépendant de ces conditions il faut que Zin soit la plus grande possible et Zout la plus faible possible. Les amplificateurs L’amplificateur de tension chargé Zoutn-1 Zinn-1 Avn-1. Fabrice Mathieu Avn+1.La tension de sortie Voutn de l’amplificateur An est dépendante des impédances Zoutn et Zinn+1 avec la relation : Zin n 1 Vout n Av n Zin n 1 Zout n En conclusion.1.La tension d’entrée Vinn de l’amplificateur An est dépendante des impédances Zoutn-1 et Zinn avec la relation : Zin n Vin n Av n 1 Zin n Zout n 1 .Vinn+1 .Vinn Zin+1 Le chainage des amplificateurs peut avoir une influence sur le comportement. .Vinn-1 Zoutn+1 Zoutn Vinn Zinn Avn. Les transistors Bipolaires 2. 5.8. 5. 3. Les transistors bipolaires PLAN 1. L’amplification 3.4. 5. Les transistors à effet de champs Définition La commutation L’amplification 4.1. La commutation 2.5. 5. 3. 3.2.3.2. Les amplificateurs 2. 5. 5.2.2. 5.3. Définition 2.3.6. Comparaison des deux technologies 5 5.7.1. Les applications La génération de courant La charge active La paire différentielle L’amplification de puissance L’amplificateur opérationnel L’alimentation linéaire L’adaptation de tension Les montages non linéaires Fabrice Mathieu .1. 2. paramètre technologique ~ 100V VA Fabrice Mathieu IC I C VCE VCE VBE I E IC I B VT kT q .1.2. Défini par sa valeur minimale ( 20 << 500 ). Les transistors bipolaires Définition Transistor NPN Transistor PNP E C B B IC I B C E V I C I S 1 CE VA V VBET e 1 V I C I S 1 CE VA V VTBE e 1 IS : Courant de saturation inverse de la jonction émetteur base ~ 10 -14A Gain en courant. VA : Tension d’Early. Très peut reproductible d’un composant à l’autre. les paramètres importants sont les temps de commutation à l’ouverture et à la fermeture ainsi que la résistance en circuit ouvert Roff et en circuit fermé Ron (Rcesat).2. Le principe de base peut être représenté par le montage inverseur. Doc : 2N3904 Philips Doc : 2N3904 Fairchild Ron Fabrice Mathieu Vcesat 5 Ic Roff VCEbloqué I CEcutoff 108 . Les transistors bipolaires La commutation Le transistor bipolaire est très utilisé en commutation. 2.2. Vcc Condition de blocage (interrupteur ouvert) Condition de saturation (interrupteur fermé) I b 0 Vbe Vbesat I b IC min Dans ce cas. Les transistors bipolaires L’amplification Différentes classes d’amplificateurs A. Le circuit formé par le transistor et l’ensemble des éléments doit vérifier les équations de définition .B. AB. Ib et IE .Le rapport des différents courants Ic.2. 2. un transistor doit être alimenté de façon à ce qu’il soit en régime linéaire.3. Pour cela un circuit de polarisation doit lui être appliqué.Les différentes tensions VBE et VCEsat<VCE<VCEmax Fabrice Mathieu . F Amplification à découpage (MLI) … La polarisation Pour fonctionner en amplificateur.C Amplification analogique D. E. 2.3. Les transistors bipolaires L’amplification Droite de charge statique IC 1 VCC VCE R E RC Droite de charge dynamique .Coefficient directeur : VCE RC // RU I C I C RC // RU VCE 1 Caractéristique de transfert d’un transistor monté en Emetteur commun Fabrice Mathieu .Passe par le point de repos .2. dVBE VT g m vbe ib . 2.3.2. si les signaux d’amplification sont faibles (pas de distorsion). on linéarise le fonctionnement avec le montage suivant Avec : rbe Rin rce Rout dVBE V T dI B IC dVCE V A VCE dI C IC Et gm la transconductance : Fabrice Mathieu gm dI C I C . Les transistors bipolaires L’amplification Modèle petit signal simplifié Autour du point de polarisation. (dans le cas d'un amplificateur non-inverseur. 2.2. Conséquences : Diminutions de l’impédance d’entrée et de la bande passante du montage Fabrice Mathieu . le même effet conduit à la génération d'impédances négatives). Les transistors bipolaires L’amplification Modèle petit signal réel Schéma tenant compte des éléments parasites. A noter. permettant l’étude en fréquence. Effet Miller : l'influence du gain d'un amplificateur inverseur sur ses propres caractéristiques d'entrée. la contre réaction réalisé par les éléments rµ et Cµ qui provoquent un effet Miller.3. gm IC VT . Fabrice Mathieu Re 1 r be gm 1 AV g m rce // RC // RU rce RS RC // rce g m rce 1 rbe // RE // RG rce VA VCE IC . R G // R p rbe 1 rbe VT IC et RG : Impédance de sortie du générateur.2. 2.3. Les transistors bipolaires L’amplification Emetteur commun Les montages de base Collecteur commun Base commune u u Re R p // rbe Re R p // rbe 1 rce // RE // RU rce // RC // RU rbe AV AV Avec : R p R1 //.R2 1 rce // RE // RU 1 rbe 1 rce // RE // RU RS rce // RE // RS RC // rce RC . ce qui permet une bande passante plus importante. car l’effet de la capacité Miller est fortement diminué. 2.3. Le montage à base commune est peu utilisé. Les transistors bipolaires L’amplification Emetteur commun Les montages de base Collecteur commun Base commune u u - Gain d’amplification en tension important Av ~100 - Gain d’amplification en tension proche de l’unité - Gain d’amplification en tension équivalent à l’EC - Impédance d’entrée faible Ze ~ k - Impédance d’entrée élevée Ze ~ fois l’EC - Impédance d’entrée faible Ze ~ quelque dizaines d’ - Impédance de sortie élevée Zs ~ Rc ~ k - Impédance de sortie faible Zs ~ 1/fois l’EC - Impédance de sortie assez élevée Zs ~ quelque dizaine de k Conclusions Le montage en émetteur commun est utilisé en amplificateur. on peut lui associer un montage en collecteur commun en amont et en aval. Par contre. Cependant. il apporte un intérêt dans les montages à haute fréquence. pour améliorer ses caractéristiques d’entrée et de sortie.2. Fabrice Mathieu . 1. Les amplificateurs 2. Définition 2. 3. 5. Les transistors Bipolaires 2.5.3.8.6.1.7.4. 5. Les transistors à effet de champs PLAN 1.2. 5.2. 5.3.3.3. Comparaison des deux technologies 5 5. 5. Les transistors à effet de champs Définition La commutation L’amplification 4. 5.2. Les applications La génération de courant La charge active La paire différentielle L’amplification de puissance L’amplificateur opérationnel L’alimentation linéaire L’adaptation de tension Les montages non linéaires Fabrice Mathieu . La commutation 2. 5. 3. L’amplification 3.1. 3. Cette grille sert à polariser la jonction pn en inverse de façon à moduler la largeur du canal.3. c’est une tension inverse négative. Le JFET C’est un transistor FET à jonction. Les transistors à effet de champs Définition Il existe plusieurs types de transistors à effet de champs. Le canal de conduction correspond à la région n. encadrée par deux région p connectées à l’électrode de grille. 2 V V I D I DSS 1 GS 1 DS V p V AJ Où 0 VGS etV p Fabrice Mathieu VDS .IDSS VGSest Vlep courant à VGS nul . Le JFET conduit si VGS V p . Les deux types les plus utilisés sont: les transistors JFET à canal N et P et les transistors MOSFET à enrichissement et à appauvrissement à canal N ou P.1. Soit 6 types de transistors. 3. Vp est la tension de pincement (pinch voltage). Cette tension est très peu reproductible d’un transistor à l’autre. Les transistors à effet de champs Définition Le JFET Le courant de grille IG correspond au courant de fuite de la jonction pn. (~150V) Canal N I D VGS gm VDS I D VDSconst rds Fabrice Mathieu VGS con st 2 VP I DSS . I D repos V AJ VDS ID Canal P .1. Cependant il est négligeable comparé au courant de base existant dans le bipolaire. 3. La tension VAJ est un effet comparable à la tension d’Early. il n’est donc pas complètement nul.3. elle est due à la modulation de la longueur du canal de conduction par la tension VDS. En règle générale. le substrat (bulk) est relié à la source L’oxyde (SiO2) étant isolant. 3. Elle est très peu reproductible d’un transistor à l’autre. est liée à la tension d’inversion de population dans le canal. Les transistors à effet de champs Définition Le MOSFET Le canal de conduction est réalisé par l’application d’un potentiel de grille VGS. Elle dépend des paramètres technologiques. Donc la résistance d’entrée tend vers l’infini.1. Fabrice Mathieu . le courant de grille est quasiment nul et correspond au courant de fuite de la capacité MOS. Cette tension VT.3. Lorsque ce potentiel de grille atteint la tension de seuil VT le transistor se met à conduire. 1. 3.3.VT2 . Les transistors à effet de champs Définition Le MOSFET Régime bloqué : VGS < VT ID ~ 0 Régime linéaire (Mode Triode) 2 I D K 2VGS VT V DS V DS K Avec VGS > VT et VDS < VGS -VT Régime saturé (Mode pentode) µeff : Mobilité des porteurs dans le canal V 2 I D K VGS VT 1 DS VA Cox : Capacité du condensateur de grille W : Largeur du canal Avec VGS > VT et VDS > VGS -VT VA : Tension d’Early VA Fabrice Mathieu ID I D VDS 1 W eff Cox 2 L L : Longueur du canal VDS VGS I DSS K . Roff : correspond à la résistance du canal hors conduction. Ron : correspond à la résistance du canal en conduction. Doc : AN-251 Analog Device Doc : BSS123 Fairchild Fabrice Mathieu . Dans ce cas. Son énorme intérêt d’avoir un courant de grille quasiment nul. Ron VDS I D VDS 0 1 2 K VGS VT Exemple : Interrupteur à base de transistors MOS complémentaires permettant un comportement d’interrupteur analogique. donc un courant de commande nul. les paramètres importants sont les temps de commutation à l’ouverture et à la fermeture ainsi que la résistance en circuit ouvert Roff et en circuit fermé Ron. Quelque centaines de mégohms.3. Les transistors à effet de champs La commutation Le transistor MOS est très utilisé en commutation. Elle dépend donc beaucoup de la technologie utilisée Elle est de quelque dixième d’ohm à quelque dizaines d’ohm. 3.2. Les transistors à effet de champs L’amplification Le MOSFET Régime saturé: MOSFET à enrichissement Canal N Fabrice Mathieu Canal P gm I D 2ID 2 K . 3.I D VGS VGS VT rds VDS VA VDS I D ID MOSFET à appauvrissement Canal N Canal P .3.3. 3. 3. Les transistors à effet de champs L’amplification Source commune Drain commun Re Re Gain d’amplification en tension - Impédance d’entrée très grande - Impédance de sortie élevée Re 1 1 // RL gm gm 1 AV 1 1 1 g m RL AV g m rds // RL g m RL - Grille commune 1 gm RS rds 1 g m RS RS RS RL // rds RL Fabrice Mathieu Les montages de base AV g m RL 1 g m RS - Gain d’amplification en tension unitaire - - Impédance d’entrée très grande - Impédance d’entrée faible - Impédance de sortie faible - Impédance de sortie faible Gain d’amplification en tension unitaire .3. Comparaison des deux technologies 5 5.1. Les transistors Bipolaires 2.1.2.8. Les applications La génération de courant La charge active La paire différentielle L’amplification de puissance L’amplificateur opérationnel L’alimentation linéaire L’adaptation de tension Les montages non linéaires Fabrice Mathieu ? . Comparaison des deux technologies PLAN 1. 5. 5. Les amplificateurs 2.2. 3. 5.7. 5. 5. L’amplification 3.5.4. 3. Définition 2.6.2.1. 5. Les transistors à effet de champs Définition La commutation L’amplification 4. La commutation 2.3.3.3. 3.4. 5. 4. Comparaison des deux technologies Généralités Les effet de champs JFET & MOSFET canal N ou P à enrichissement ou appauvrissement Les bipolaires Transistors NPN et PNP - Contrôle par courant. Fabrice Mathieu - Peut de reproductibilité en composant discrets Vgsth = f (Vds. Pas de consommation en dehors des transitions en régime tout ou rien. - Impédance d’entrée très forte (vue de la grille). - - Tension de seuil très reproductible en composants discret Vbe = f (Ic. - En commutation. - Tension d’early Ic = f(Vbe) non plat dans la zone linéaire. - Consommation de courant en régime tout ou rien. résistance série faible si Ic important. - Effet Early existant mais moins marqué que le bip - Impédance d’entrée faible (vue de la base).Id) varie d’un rapport deux . - Contrôle en tension. - Résistances Ron faible (plus forte que le bip mais moins dépendante du courant).Ib) défini par sont minimum. Vgs Transistor Bipolaire FMMTL618 .Fonctionne en tension flottante .Consommation de la base .Tensions et courants mises en jeux Relai solide TCMT1100 LH1532 .tcommutation < 20 ns dépend de Id .Résistance série faible 10m< Vcesat/Ic < 1 dépend de Ic .Vce fonction de Ic .Bidirectionnel Vgs > Vgs(th) .Unidirectionnel .Le type de commande .Fonctionne en tension référencée .Résistance série faible 100m<Ron<100 Indépendante de Id dépend de T. fonction de IF tcommutation < 20 µs .Fonctionne en tension flottante .bidirectionnel . Id Fabrice Mathieu Transistor MOS BSS123 .tcommutation < 400 ns dépend de Ic .La résistance série rapportée .Temps de commutation .Unidirectionnel .Lent tcommutation > ms .Résistance série faible 1<Ron<100 Très fortes variations dépend de IF Indépendante de IF dépend de T. Comparaison des deux technologies La commutation Phototransistor Les points importants : .Fonctionne en tension référencée .Rapide.4. 3. Les transistors Bipolaires 2. Comparaison des deux technologies 5 5. 3. Les amplificateurs 2. 3. Les transistors à effet de champs Définition La commutation L’amplification 4. 5. Les applications PLAN +VC C 1. Définition 2.3.1. 3. 5. 5. 5.8. 5.1.7. L’amplification 3.5.3.2.2.1.2. 5. La commutation 2. Les applications La génération de courant La charge active La paire différentielle L’amplification de puissance L’amplificateur opérationnel L’alimentation linéaire L’adaptation de tension Les montages non linéaires Fabrice Mathieu T3 T4 Io u t I1 VE1 I2 T1 VE2 T2 I T5 T6 R I -V C C .6. 5.5.4. ln T Re q I s Re I Fabrice Mathieu Re V- I I I I Re Re Re Re Re Vbase Vbase kT I c Vbe ln q Is I V- .la stabilité .5. Les applications La génération de courant Génération d’un courant pilotés en tension avec précision Points Importants : .l’égalité des courants Rc Rc Transistors identiques I V- Valeur du courant : I I I I I I V- Vbase V Vbe 1 Re ! Attention ! I Sensible à la température 1 k I c T 2 .10 3 .1. 5. Les applications La génération de courant – le miroir de courant Copier un courant avec précision Permet la modulation Sensibilité réduite à la température Vcom Vbe I out I in Rcom Iin 1 2 1 I in Iout ! Attention ! Il faut respecter la symétrie parfaite des transistors Utiliser des composants spécifiques Utiliser des élevés 2Vbe 2 Compensation en température Vcom kT I c ln q I s Potentiel flottant Rcom 1 Iin Iout I out I in Fabrice Mathieu .1.5. 5. 5. rs rce1 rbe Fabrice Mathieu VT . RC // rce g m . 5. Il faut que l’impédance vue du collecteur soit très forte. Dans ce cas.RC I C rbe AV 240 et rs RC 3k AV u si RC I C V 6V .RC 40.2. si VA = 100V et IC=2mA R1 Vbe 300 IC rc rce 1 g m R1 VA IC 1 IC R1 1. l’impédance vue du collecteur est : rc rce 2 1 g m 2 R1 Donc. 2 I C 2mA Ici le gain est limité par la tension de polarisation. avec une polarisation identique.2 10 6 VT Donc le gain en tension est ici limité par la résistance dynamique de sortie du transistor1 : rce1 50 K I Soit un gain de : AV RC // rce C rC // rce1 4000 . Les applications La charge active Elle est utilisée dans la majeure partie du temps pour limiter l’utilisation des résistances qui sont très difficilement intégrables dans les circuits intégrés. Elles peuvent également dans certains cas augmenter le gain d’amplification en jouant sur la résistance dynamique. Fabrice Mathieu .T3 et vaut : On peut donc évaluer le gain en tension de cet amplificateur : AV IC RC // rce I C rce I C VA VA 2600 VT VT 2 VT 2 I C 2VT On peut donc charger une branche d’amplification sans résistance en améliorant le gain d’amplification. Ceci. et la résistance de charge correspond à rce2 . T1 est chargé par le transistor T2. en pilotant la polarisation de la branche d’amplification en intégrant un miroir de courant. l’amplificateur en émetteur commun réalisé par le transistor T1.2. Si on se réfère au résultat précédent. Dans ce montage.5. Les applications La charge active Utilisation en polarisation. Le courant de polarisation est réalisé grâce au miroir de V V courant Ic be3 R1 T2 . 5. C’est un élément essentielle en électronique. I2 T1 VE2 T2 Ils imposent l’égalité des courants IC3 et IC4 et donc I1=Iout +I2 de plus. V Vbe6 Le courant I du collecteur T5 vaut : I CC RI T4 Io u t I1 VE1 Les transistors T3 et T4 sont montés en miroir de courant. 5. donc I1 et I2 sont différents car : ic=gm . Les applications La paire différentielle Elle est utilisée pour amplifier la différence deux tensions d’entrée. donc I1 et I2 sont identiques.vbe Comme Iout +I2=I1 Alors Iout = gm (VE1-VE2) ! Attention ! Ceci n’est vrai que pour de très petites variations autour du point de polarisation VE1-VE2< VT Fabrice Mathieu . +VC C T3 Les transistors T5 et T6 sont montés en miroir de courant.3. Les transistors T1 et T2 composent la paire différentielle Si VE1 =VE2 I T5 T6 T1 et T2 ont le même Vbe. le montage impose que : I=I1+I2. R I -V C C Alors Iout =0 Si VE1 ≠ VE2 (VE2 = VE1 + ve1) T1 et T2 n’ont plus le même Vbe .5. 5. Les applications L’amplification de puissance. (fonctionnement en classe AB) E+ Q 2 V in Vin V o u t1 R L1 100 Q 3 0 E- Vout1 E+ R D 1 Q 4 V in D 1 V o u t2 D 2 Q 5 R L2 R D 2 0 E- Fabrice Mathieu Vout2 . il permet surtout une amplification de la puissance en sortie.5. Les diodes éliminent l’effet de la distorsion due à la jonction base émetteur.4. C’est-à-dire qu’une demi période est amplifié par le transistor correspondant monté en collecteur commun. Le gain est unitaire. l’étage push Pull C’est un montage amplificateur classe B. 5.5.5.5 nv/√Hz à 80 nV /√Hz qq 10 µV à 10mV Etage d’amplification Emetteur commun Charge active Etage de sortie Push pull Miroir de courant Paire différentiel d’entrée Fabrice Mathieu . Les applications L’amplificateur opérationnel Impédance d’entrée Bande passante Tension d’alimentation Consommation Courant de sortie Niveau de bruit Tension d’offset 106 à 1012 1MHz à 250MHz <5v à qq dizaines de volts qq 100µA à >10mA 10mA à 2A 3. Les applications L’alimentation linéaire – Le montage en ballast Permet d’obtenir en sortie de montage une puissance importante en tension stabilisée.5.6. Principe du régulateur linéaire I Augmenter le courant disponible d’un composant définie R Vin Vout = Vz+Vbe Vz Nécessite une tension Vce minimale de fonctionnement Rendement globale de mauvaise qualité Perte de puissance dans le transistor Fabrice Mathieu Régulateur Vin Vout = Vreg+Vbe . 5. 7. Les applications L’adaptation de tension Dans les système multi tensions Permet d’adapter les tensions de fonctionnement Montages Inverseurs VCC2 Porte logique VCC2 Porte logique R VCC1 VCC1 Vout R Vout Vin R Vérifier que le courant de sortie soit compatible Fabrice Mathieu Vin Vérifier que la tension Vgs(th) soit inférieur à VCC1 Faible consommation .5. 5. I s Multiplieur (Mixeur) Amplificateur anti-logarithmique ou exponentiel R V1 Fabrice Mathieu + Vin + - Vout q R.5. 5.8. Les applications Utilisation de la non linéarité tension/courant ! Attention ! Amplificateur logarithmique Très sensible à la température Utiliser des circuit monolithiques compensés Respecter les niveaux de tensions compatibles + - R Vin Vout Iin kT Vin ln q R.I s exp Vin k .V2 .V1.T + - V2 + Vout K . analog.pdf Cours sur l’amplificateur différentiel : http://claude.diodes.roux.pdf Article présentant la modulation de Ron dans les MOS : http://www.com/cours/electronique/electronique-analogique.fr/~fmathieu Fabrice Mathieu .univ-lemans.pdf Cours sur les blocs élémentaires à base de transistor : http://leom.be/~vdh/supports-elen0075-1/notes-chap6.ec-lyon.pdf Disponible à l’adresse suivante : http://www.lahache.ec-lyon.fr/enseignements/physique/02/cours2.fr/leom_new/files/fichiers/Bloc_elem.free.fr/mapage1/ampli-differentiel.pdf Cours d’introduction à l’électronique analogique : http://www.com/static/imported-files/application_notes/413221855AN251.fr/leom_new/files/fichiers/BJT.laas.fr/ Cours sur les transistors à effet de champs : http://www.pdf Cours sur les transistors à effet de champ : http://leom.7.ac.pdf Cours de circuits électrique et électronique : http://subaru2.perso.com/zetex/_pdfs/5.pdf Cours sur les transistors bipolaire : http://leom.montefiore.famillezoom.neuf.Annexes Bibliographie Cours d’électronique analogique très complet : http://philippe.ec-lyon.fr/leom_new/files/fichiers/MOS.ulg.0/pdf/ze0372.html Article décrivant certains critères de choix entre bipolaire et MOSFET : http://www.