Amplificateur Émetteur Commun

Les amplificateurs à transistors amplifient des signaux d’entrée AC qui alternent entre une certaine valeur positive et une valeur négative correspondante. Une méthode pour « prédéfinir » une configuration de circuit amplificateur à émetteur commun est nécessaire pour que le transistor puisse fonctionner entre ces deux valeurs maximales ou de crête. Cela peut être réalisé à l’aide d’un processus connu sous le nom de Polarisation.

La polarisation est très importante dans la conception des amplificateurs, car elle établit le bon point de fonctionnement de l’amplificateur de transistor pour recevoir des signaux, réduisant ainsi toute distorsion du signal de sortie.

De plus, l’utilisation d’une ligne de charge statique ou DC dessinée sur les courbes de caractéristiques de sortie d’un amplificateur nous permet de voir tous les points de fonctionnement possibles du transistor, de totalement « ON » à totalement « OFF », et à partir desquels le point de fonctionnement au repos ou point Q de l’amplificateur peut être trouvé.

L’objectif de tout amplificateur à petit signal est d’amplifier tous les signaux d’entrée avec le minimum de distorsion possible sur le signal de sortie, en d’autres termes, le signal de sortie doit être une reproduction exacte du signal d’entrée mais uniquement plus grand (amplifié).

Pour obtenir une faible distorsion lorsque l’on utilise un amplificateur, le point de repos au fonctionnement doit être correctement sélectionné. C’est en réalité le point de fonctionnement DC de l’amplificateur, et sa position peut être établie à n’importe quel point le long de la ligne de charge par un arrangement de polarisation approprié.

La meilleure position possible pour ce point Q est aussi proche que possible de la position centrale de la ligne de charge, produisant ainsi un fonctionnement de type amplificateur de classe A, c’est-à-dire Vce = 1/2Vcc. Considérons le circuit de l’amplificateur à émetteur commun montré ci-dessous.

Le Circuit de l’Amplificateur à Émetteur Commun

Le circuit amplificateur à émetteur commun à une seule étape montré ci-dessus utilise ce que l’on appelle couramment la « polarisation par diviseur de tension ». Ce type de disposition de polarisation utilise deux résistances comme un réseau diviseur de potentiel à travers l’alimentation, dont le point central fournit la tension de polarisation de base requise au transistor. La polarisation par diviseur de tension est couramment utilisée dans la conception des circuits d’amplificateurs de transistors bipolaires.

Cette méthode de polarisation du transistor réduit considérablement les effets de variation de Beta, (β) en maintenant la polarisation de base à un niveau de tension constant et stable, permettant ainsi la meilleure stabilité.

La tension de base au repos (Vb) est déterminée par le réseau de diviseur de potentiel formé par les deux résistances, R1, R2 et la tension d’alimentation Vcc comme le montre le courant circulant à travers les deux résistances.

Ensuite, la résistance totale R_T sera égale à R1 + R2 donnant le courant comme i = Vcc/R_T. Le niveau de tension généré à la jonction des résistances R1 et R2 maintient la tension de base (Vb) constante à une valeur inférieure à la tension d’alimentation.

Le réseau de diviseur de potentiel utilisé dans le circuit amplificateur à émetteur commun divise la tension d’alimentation en proportion de la résistance. Cette tension de référence de polarisation peut être facilement calculée en utilisant la simple formule de diviseur de tension ci-dessous :

Tension de Polarisation du Transistor

Comme la même tension d’alimentation, (Vcc) détermine également le courant de collecteur maximum, Ic lorsque le transistor est totalement « ON » (saturation), Vce = 0. Le courant de base Ib pour le transistor est trouvé à partir du courant de collecteur, Ic et du gain de courant DC Beta, β du transistor.

Valeur de Beta

La valeur de Beta d’un transistor, parfois appelée h_FE sur les fiches techniques, définit le gain de courant direct du transistor dans la configuration à émetteur commun. Beta est un paramètre électrique incorporé dans le transistor lors de sa fabrication. Beta (h_FE) n’a pas d’unités car il s’agit d’un rapport fixe entre les deux courants, Ic et Ib, donc un petit changement dans le courant de base provoquera un grand changement dans le courant de collecteur.

Un dernier point concernant Beta. Les transistors du même type et numéro de pièce auront de grandes variations dans leur valeur Beta. Par exemple, le transistor bipolaire NPN BC107 peut avoir une valeur de gain de courant DC Beta comprise entre 110 et 450 (valeur de la fiche technique).

C’est-à-dire qu’un appareil BC107 peut avoir une valeur Beta de 110, tandis qu’un autre peut avoir une valeur Beta de 450, mais ils sont tous les deux vendus comme des transistors NPN BC107. La raison en est que la valeur de Beta (β) est une caractéristique inhérente à la construction du transistor et non à son fonctionnement.

Comme la jonction base/émetteur est polarisée en direct, la tension de l’émetteur, Ve, sera une chute de tension de jonction différente de la tension de base. Si la tension à travers la résistance de l’émetteur est connue, alors le courant de l’émetteur, Ie, peut être facilement calculé à l’aide de la loi d’Ohm. Le courant de collecteur, Ic, peut être approximé, car il est presque de la même valeur que le courant de l’émetteur.

Exemple d’Amplificateur à Émetteur Commun N°1

Un circuit amplificateur à émetteur commun a une résistance de charge, R_L de 1.2kΩ et une tension d’alimentation de 12v. Calculez le courant de collecteur maximum (Ic) circulant à travers la résistance de charge lorsque le transistor est complètement « ON » (saturation), supposons que Vce = 0.

Trouvez également la valeur de la résistance de l’émetteur, R_E, si elle a une chute de tension de 1V à travers elle. Calculez les valeurs de toutes les autre résistances du circuit en supposant un transistor NPN en silicium standard.

Cela établit alors le point « A » sur l’axe vertical du courant de collecteur des courbes de caractéristiques, et se produit lorsque Vce = 0. Lorsque le transistor est totalement « OFF », il n’y a aucune chute de tension à travers les résistances R_E ou R_L car aucun courant ne passe à travers elles. La chute de tension à travers le transistor, Vce, est égale à la tension d’alimentation, Vcc. Cela établit le point « B » sur l’axe horizontal des courbes caractéristiques.

En général, le point Q au repos de l’amplificateur est associé à un signal d’entrée nul appliqué à la base, de sorte que le collecteur se situe à peu près au milieu de la ligne de charge entre zéro volts et la tension d’alimentation, (Vcc/2). Par conséquent, le courant de collecteur au point Q de l’amplificateur sera donné par :

Cette ligne de charge DC statique produit une équation de droite dont la pente est donnée par : -1/(R_L + R_E) et elle croise l’axe vertical Ic à un point égal à Vcc/(R_L + R_E). La position réelle du point Q sur la ligne de charge DC est déterminée par la valeur moyenne de Ib.

Comme le courant de collecteur, Ic, du transistor est également égal au gain DC du transistor (Beta), multiplié par le courant de base (β*Ib), si nous supposons une valeur de Beta (β) pour le transistor d’environ 100, (cent est une valeur moyenne raisonnable pour un transistor de signal à faible puissance), le courant de base Ib circulant dans le transistor sera donné par :

Au lieu d’utiliser une alimentation de polarisation séparée pour la base, il est habituel de fournir la tension de polarisation de la base à partir de la ligne d’alimentation principale (Vcc) à travers une résistance de chute, R1. Les résistances, R1 et R2 peuvent maintenant être choisies pour donner un courant de base au repos approprié de 45.8μA ou 46μA arrondi à l’entier le plus proche. Le courant circulant à travers le circuit de diviseur de potentiel doit être suffisamment important par rapport au courant de base réel, Ib, afin que le réseau de diviseur de tension ne soit pas chargé par l’écoulement de courant de la base.

Une règle générale est une valeur d’au moins 10 fois le courant de base Ib circulant à travers la résistance R2. La tension base/émetteur du transistor, Vbe est fixée à 0.7V (transistor en silicium), alors cela donne la valeur de R2 comme :

Si le courant circulant à travers la résistance R2 est 10 fois la valeur du courant de base, alors le courant circulant à travers la résistance R1 dans le réseau diviseur doit être 11 fois la valeur du courant de base. C’est-à-dire : I_R2 + Ib.

Ainsi, la tension à travers la résistance R1 est égale à Vcc – 1.7v (V_RE + 0.7 pour le transistor en silicium) ce qui équivaut à 10.3V, donc R1 peut être calculé comme :

La valeur de la résistance de l’émetteur, R_E, peut être facilement calculée en utilisant la loi d’Ohm. Le courant circulant à travers R_E est une combinaison du courant de base, Ib et du courant de collecteur Ic et est donné par :

La résistance, R_E est connectée entre l’émetteur du transistor et la terre, et nous avons précédemment dit qu’il y a une chute de tension de 1 volt à travers elle. Ainsi, la valeur de la résistance de l’émetteur, R_E, est calculée comme :

Donc, pour notre exemple ci-dessus, les valeurs préférées des résistances choisies pour donner une tolérance de 5% (E24) sont :

Alors, notre circuit initial de l’amplificateur à émetteur commun ci-dessus peut être réécrit pour inclure les valeurs des composants que nous venons de calculer.

Circuit à Émetteur Commun Complété

Condensateurs de Couplage de l’Amplificateur

Dans les circuits de l’amplificateur à émetteur commun, les condensateurs C1 et C2 sont utilisés comme Condensateurs de Couplage pour séparer les signaux AC de la tension de polarisation DC. Cela garantit que la condition de polarisation mise en place pour permettre au circuit de fonctionner correctement n’est pas affectée par des étapes supplémentaires de l’amplificateur, car les condensateurs ne feront passer que les signaux AC et bloqueront toute composante DC. Le signal AC de sortie est ensuite superposé à la polarisation des étapes suivantes. Un condensateur de bypass, C_E est également inclus dans le circuit de jambe émetteur.

Ce condensateur est effectivement un composant circuit ouvert pour les conditions de polarisation DC, ce qui signifie que les courants et tensions de polarisation ne sont pas affectés par l’ajout du condensateur, maintenant ainsi une bonne stabilité du point Q.

Cependant, ce condensateur de bypass connecté en parallèle devient effectivement un court-circuit pour la résistance de l’émetteur à des signaux haute fréquence en raison de son impédance. Ainsi, seule R_L plus une très faible résistance interne agit comme sa charge, augmentant le gain en tension à son maximum. En général, la valeur du condensateur de bypass, C_E, est choisie pour fournir une impédance de 1/10ème au maximum de la valeur de R_E à la fréquence la plus basse de signal de fonctionnement.

Courbes de Caractéristiques de Sortie

Ok, jusqu’ici tout va bien. Nous pouvons maintenant construire une série de courbes montrant le courant de collecteur, Ic, par rapport à la tension collecteur/émetteur, Vce, avec différentes valeurs de courant de base, Ib, pour notre simple circuit amplificateur à émetteur commun.

Ces courbes sont appelées « Courbes de Caractéristiques de Sortie » et sont utilisées pour montrer comment le transistor fonctionnera sur sa plage dynamique. Une ligne de charge statique ou DC est dessinée sur les courbes pour la résistance de charge RL de 1.2kΩ pour montrer tous les points de fonctionnement possibles du transistor.

Lorsque le transistor est « OFF », Vce est égal à la tension d’alimentation Vcc et c’est le point « B » sur la ligne. De même, lorsque le transistor est complètement « ON » et saturé, le courant de collecteur est déterminé par la résistance de charge, R_L, et c’est le point « A » sur la ligne.

Nous avons déjà calculé à partir du gain DC du transistor que le courant de base requis pour la position moyenne du transistor était 45.8μA, et cela est marqué comme point Q sur la ligne de charge qui représente le point Quiescent ou point Q de l’amplificateur. Nous pourrions facilement nous faciliter la vie et arrondir cette valeur à 50μA exactement, sans effet sur le point de fonctionnement.

Courbes de Caractéristiques de Sortie

Le point Q sur la ligne de charge nous donne le courant de base au point Q de Ib = 45.8μA ou 46μA. Nous devons trouver les oscillations maximales et minimales du courant de base qui entraîneront un changement proportionnel du courant de collecteur, Ic, sans aucune distorsion du signal de sortie.

À mesure que la ligne de charge traverse les différentes valeurs de courant de base sur les courbes caractéristiques DC, nous pouvons trouver les oscillations maximales du courant de base qui sont également espacées le long de la ligne de charge. Ces valeurs sont marquées comme points « N » et « M » sur la ligne, donnant un courant de base minimal et maximal de 20μA et 80μA respectivement.

Ces points, « N » et « M » peuvent être n’importe où le long de la ligne de charge que nous choisissons, tant qu’ils sont également espacés de Q. Cela nous donne alors un signal d’entrée maximum théorique au terminal de la base de 60μA crête à crête, (30μA crête) sans produire de distorsion sur le signal de sortie.

Tout signal d’entrée donnant un courant de base supérieur à cette valeur entraînera le transistor à dépasser le point « N » et à entrer dans sa région de « coupure » ou dépasser le point « M » et dans sa région de saturation, entraînant ainsi une distorsion du signal de sortie sous la forme de « clipping ».

Utilisant les points « N » et « M » comme exemple, les valeurs instantanées du courant de collecteur et les valeurs correspondantes de tension collecteur-émetteur peuvent être projetées à partir de la ligne de charge. On peut voir que la tension collecteur-émetteur est en anti-phase (–180^o) avec le courant de collecteur.

À mesure que le courant de base Ib change dans une direction positive de 50μA à 80μA, la tension collecteur-émetteur, qui est également la tension de sortie diminue de sa valeur d’état stable de 5.8 volts à 2.0 volts.

Alors un amplificateur à émetteur commun de simple étape est également un « amplificateur inversant », car une augmentation de la tension de base entraîne une diminution de Vout et une diminution de la tension de base produit une augmentation de Vout. En d’autres termes, le signal de sortie est déphasé de 180^o par rapport au signal d’entrée.

Gain en Tension de l’Amplificateur à Émetteur Commun

Le gain en tension de l’amplificateur à émetteur commun est égal au rapport de la variation de la tension d’entrée à la variation de la tension de sortie de l’amplificateur. Ensuite ΔV_L est Vout et ΔV_B est Vin. Mais le gain en tension est également égal au rapport des résistances du signal dans le collecteur à la résistance du signal dans l’émetteur et est donné comme :

Nous avons mentionné plus tôt qu’à mesure que la fréquence du signal AC augmente, le condensateur de bypass, C_E commence à court-circuiter la résistance de l’émetteur en raison de son impédance. Alors à des fréquences élevées R_E = 0, rendant le gain infini.

Cependant, le transistor bipolaire a une petite résistance interne intégrée à sa région d’émetteur appelée r’_e. Le matériau semi-conducteur du transistor offre une résistance interne à l’écoulement du courant à travers lui et est généralement représenté par un petit symbole de résistance montré à l’intérieur du symbole principal du transistor.

Les fiches techniques des transistors nous indiquent que pour un transistor bipolaire à petit signal cette résistance interne est le produit de 25mV ÷ Ie (25mV étant la chute de tension interne à travers la couche de jonction de l’émetteur), alors pour notre circuit amplificateur à émetteur commun ci-dessus, cette valeur de résistance sera égale à :

Cette résistance de jambe de l’émetteur interne sera en série avec la résistance externe de l’émetteur, R_E, alors l’équation pour le gain réel du transistor sera modifiée pour inclure cette résistance interne également :

À de basses fréquences de signal, la résistance totale dans la jambe de l’émetteur est égale à R_E + r’_e. À haute fréquence, le condensateur de bypass court-circuite la résistance de l’émetteur laissant seulement la résistance interne r’_e dans la jambe de l’émetteur, résultant en un gain élevé.

Alors pour notre circuit amplificateur à émetteur commun ci-dessus, le gain du circuit à la fois à basse et haute fréquence de signal est donné comme :

Gain de l’Amplificateur à Basses Fréquences

Gain de l’Amplificateur à Hautes Fréquences

Ainsi, à des fréquences d’entrée de signal très faibles, l’impédance du condensateur (X_C) est élevée donc la résistance externe de l’émetteur, R_E, a un effet sur le gain en tension le réduisant à, dans cet exemple, 5.32. Cependant, lorsque la fréquence du signal d’entrée est très élevée, l’impédance du condensateur court-circuite la résistance R_E (R_E = 0) donc le gain en tension de l’amplificateur augmente à, dans cet exemple, 218.

Un dernier point, le gain en tension dépend uniquement des valeurs de la résistance de collecteur, R_L, et de la résistance de l’émetteur, (R_E + r’_e) il n’est pas affecté par le gain de courant Beta, β (h_FE) du transistor.

Alors, pour notre exemple simple ci-dessus, nous pouvons résumer toutes les valeurs que nous avons calculées pour notre circuit amplificateur à émetteur commun et celles-ci sont :

Résumé de l’Amplificateur à Émetteur Commun

Pour résumer. Le circuit de l’amplificateur à émetteur commun a une résistance dans son circuit de collecteur. Le courant circulant à travers cette résistance produit la tension de sortie de l’amplificateur. La valeur de cette résistance est choisie de manière à ce qu’au point de fonctionnement au repos de l’amplificateur, point Q, cette tension de sortie se situe à mi-chemin le long de sa ligne de charge.

La base du transistor utilisé dans un amplificateur à émetteur commun est polarisée à l’aide de deux résistances comme un réseau de diviseur de potentiel. Ce type de disposition de polarisation est couramment utilisé dans la conception de circuits d’amplificateurs de transistors bipolaires et réduit considérablement les effets de variation de Beta, (β) en maintenant la polarisation de base à un niveau de tension constant et stable. Ce type de polarisation produit la plus grande stabilité.

Une résistance peut être incluse dans la jambe émetteur, auquel cas le gain en tension devient -R_L/R_E. S’il n’y a pas de résistance d’émetteur externe, le gain en tension de l’amplificateur n’est pas infini car il existe une très petite résistance interne, r’_e dans la jambe de l’émetteur. La valeur de cette résistance interne est égale à 25mV/I_E

Dans le prochain tutoriel sur les amplificateurs à transistors bipolaires, nous examinerons l’amplificateur à effet de champ à jonction, couramment appelé amplificateur JFET. Comme le transistor, le JFET est utilisé dans un circuit amplificateur à une seule étape, le rendant plus facile à comprendre.

Il existe plusieurs types différents de transistors à effet de champ que nous pourrions utiliser, mais le plus facile à comprendre est le transistor à effet de champ à jonction, ou JFET, qui a une impédance d’entrée très élevée, le rendant idéal pour les circuits amplificateurs.