Des transistors - Partie 3 : structures fondamentales

On sait comment ça marche maintenant !

Petit résumé ! Un transistor est un composant actif avec trois pôles (émetteur, base, collecteur) arrangé de façon à ce que la tension base-émetteur Vbe contrôle le courant émetteur Ie. En général, le courant dans la base est très faible and souvent négligé dans les calculs.

Dans le tutoriel du jour, je vais commencer à utiliser des schémas électriques pour expliquer le fonctionnement des circuits. Afin de suivre comment les composants sont connectés, voilà les symboles pour les transistors NPN et PNP. Dans de nombreux schémas, le transistor PNP est représenté inversé, ce qui ne rend pas les choses aisées pour analyser ces circuits ! Le truc qui permet de se repérer, c'est de se dire que l'émetteur est toujours la branche qui porte la flèche. Comme pour tous les autres symboles de transistors, cette flèche représente en fait une jonction PN ! On retrouve plein de symboles différents pour décrire les mêmes composants mais on s'y retrouve assez vite finalement.

L'équation de Shockley n'est pas simple à utiliser pour concevoir des circuits, et plusieurs techniques et modèles ont été pensé pour simplifier cette tâche. Quand on analyse un circuit, les étapes sont de repérer les structures utilisées, analyser leur polarisation (biasing en anglais) puis leur comportement pour de petits signaux.

Polariser un transistor, c'est choisir son point de fonctionnement, la façon dont il est alimenté, donc choisir les tensions et courants continus qui lui permettent de fonctionner comme souhaité dans le circuit. En fait, c'est aussi le cas pour les tubes électriques, les fameuses lampes au son si recherché par les guitaristes, et ce n'est pas non plus de la magie noire ! Un transistor a trois zones de fonctionnement en fonction de Vce et Ib. La première, qui n'est pas représentée sur le graphique, est la région de coupure du transistor, lorsque Ib est trop faible ou que Vce est négatif. Dans cet état, aucun courant ne peut passer dans le transistor, ou si peu qu'il est négligeable. Quand Vce est plus élevé, entre 0V et la tension de seuil Vd de la jonction base-émetteur, le transistor se comporte presque comme une résistance. Ic est à peu prêt proportionnel à Vce, c'est la région de saturation. Quand Vce est plus grand que Vd, le transistor est dans sa région normale, ou active. A ce moment-là, on peut l'utiliser pour des fonctions d'amplification, filtrage, etc... C'est dans cette zone de fonctionnement qu'il est le plus souvent utilisé dans les pédales d'effet de guitare !

Ce n'est qu'une partie de la polarisation d'un transistor, car cela ne prend pas en compte le signal qu'on a en entrée. Dans les circuits suivants, supposons que les transistors sont tous correctement alimentés et qu'ils sont dans leur région normale. Ce sont les trois structures fondamentales à connaitre lorsqu'on travaille avec des transistors. En effet, il s'agit des briques élémentaires utilisées pour créer des circuits bien plus complexes, qui donnent des préamplis ou des amplis de puissance une fois combinés, par exemple. Les grandeurs en vert sont les tensions, en rouge, les courants. Chaque branche du transistor est soit une entrée, soit une sortie, soit commune aux deux autres, d'où les noms d'amplificateurs collecteur commun, base commune et émetteur commun.

La première structure à gauche est en collecteur commun, car le collecteur n'est ni utilisé pour une entrée, ni pour une sortie, et est connecté à une tension d'alimentation VCC. C'est l'alimentation positive du circuit, tandis que la masse GND est l'alimentation négative. Dans cette configuration, l'émetteur est connecté à la masse par une résistance. Quand une tension est appliquée sur la base du transistor, la jonction base-émetteur agit comme une diode et provoque une chute de tension constante de valeur Vd. On retrouve ainsi la même tension en sortie qu'en entrée, mais plus faible de Vd : Vout = Vin - Vd. Avec un peu de mathématiques, on obtient l'équation pour les petits signaux en différenciant la relation précédente : dVout = dVin. Cette structure est un suiveur de tension. La sortie est la même qu'en entrée, mais a beaucoup plus de courant disponible.

La deuxième structure est le montage en émetteur commun. Si on faisait une analyse en courant continu, Vbe serait constant et égal à Vd. Ainsi, on devrait avoir Vin = Vd, on ne devrait pas pouvoir faire varier le signal d'entrée ! La raison pour laquelle Vin peut toujours varier et que l'on considère comme la somme d'un signal "constant" et d'un signal "négligeable" et variable : Vin = Vin0 + dVin. Le signal constant est utilisé pour la polarisation du transistor, le signal variable est utilisé pour l'analyse en petit signaux, qui détermine la sortie du transistor à partir de l'entrée. On peut d'ailleurs écrire la même équation pour toutes les grandeurs du circuit, ce qui correspond à une approximation du premier ordre. Ici, l'analyse en courant continu nous donne Vd = Vin0. L'analyse en petits signaux nous donne le courant de sortie : dIe = gm*dVin. La transconductance gm peut être calculée en dérivant la loi de Shockley et vaut gm = Ic0/Vt, où Vt est la tension thermique et Ic0 est le courant collecteur de polarisation. Attendez, mais la formule donne dIe ? En fait oui, pour obtenir dIc on se souvient que Ic = β*Ib et donc que Ic = β/(β+1)*Ie. On a en fait dIc = [β/(β+1)]*gm*dVin. Quand β est assez grand, on a presque la même formule finalement.

La dernière structure est l'amplificateur en base commune. A la fois l'entrée et la sortie sont des courants et comme la base est reliée à la masse, le courant de base Ib est constant. En dérivant l'équation des courants du transistor (Ie = Ic+Ib), on trouve directement la relation d'entrée-sortie dIe = dIc. Cette fois-ci, la structure est un suiveur de courant.

Cette article contient énormément d'informations, ce n'est pas grave si on ne comprend pas tout directement ! Faites une pause, revenez plus tard ou passez à un autre article pour voir des analyses de circuits. N'hésitez-pas à poser des questions en commentaires si vous en avez !