L’amplificateur JFET à source commune a un avantage important par rapport à l’amplificateur BJT à émetteur commun, car le FET possède une impédance d’entrée extrêmement élevée et, combiné à une faible sortie bruit, les rend idéaux pour une utilisation dans des circuits d’amplification nécessitant des signaux de tension d’entrée très faibles.

Les circuits d’amplificateur à transistor, tels que l’amplificateur à émetteur commun, sont réalisés à l’aide de transistors bipolaires, mais des amplificateurs de petits signaux peuvent également être réalisés à l’aide de transistors à effet de champ. La conception d’un circuit amplificateur basé sur un transistor à effet de champ de jonction ou “JFET” (FET canal N pour ce tutoriel), ou même un FET MOS à oxyde métallique ou “MOSFET”, repose exactement sur le même principe que celui du circuit à transistor bipolaire utilisé pour un circuit amplificateur de classe A que nous avons examiné dans le tutoriel précédent.

Tout d’abord, un point de repos convenable ou “point Q” doit être trouvé pour le polarisation correcte du circuit amplificateur JFET avec des configurations d’amplificateurs simples telles que source commune (CS), drain commun (CD) ou suiveur de source (SF) et la gate commune (CG) disponibles pour la plupart des dispositifs FET.

Ces trois configurations d’amplificateurs JFET correspondent aux configurations à émetteur commun, suiveur d’émetteur et base commune utilisées avec des transistors bipolaires. Dans ce tutoriel sur les amplificateurs FET, nous allons aborder le populaire Amplificateur JFET à Source Commune, car c’est la conception d’amplificateur JFET la plus largement utilisée.

Considérons ci-dessous la configuration du circuit de l’amplificateur JFET à source commune.

Ampliificateur JFET à Source Commune

Le circuit amplificateur est constitué d’un JFET canal N, mais le dispositif pourrait également être un MOSFET canal N en mode de depletion équivalent, car le schéma du circuit serait le même, juste un changement dans le FET, connecté dans une configuration de source commune. La tension de grille JFET Vg est polarisée grâce à un réseau de diviseur de potentiel configuré par les résistances R1 et R2 et est polarisée pour fonctionner dans sa zone de saturation, ce qui est équivalent à la zone active du transistor à jonction bipolaire.

Contrairement à un circuit à transistor bipolaire, le JFET ne nécessite pratiquement aucune courant d’entrée de grille, permettant de traiter la grille comme un circuit ouvert. Ainsi, aucune courbe caractéristiques d’entrée n’est nécessaire. Nous pouvons comparer le JFET au transistor à jonction bipolaire (BJT) dans le tableau suivant.

Comparaison JFET et BJT

Puisque le JFET canal N est un dispositif en mode de depletion et est normalement “ON”, une tension de grille négative par rapport à la source est nécessaire pour moduler ou contrôler le courant de drain. Cette tension négative peut être fournie par un biais d’un voltage d’alimentation séparé ou par un agencement de polarisation automatique tant qu’un courant stable circule à travers le JFET même lorsqu’il n’y a pas de signal d’entrée présent et Vg maintient un biais inverse de la jonction pn grille-source.

Dans notre simple exemple, la polarisation est fournie par un réseau de diviseur de potentiel permettant au signal d’entrée de produire une chute de tension à la grille ainsi qu’une montée de tension à la grille avec un signal sinusoïdal. Toute paire de valeurs de résistances appropriées dans les bonnes proportions produirait la tension de polarisation correcte, donc la tension de polarisation de la grille continue Vg est donnée par :

Notez que cette équation détermine uniquement le rapport des résistances R1 et R2, mais pour tirer parti de l’impédance d’entrée très élevée du JFET ainsi que pour réduire la dissipation de puissance dans le circuit, nous devons faire en sorte que ces valeurs de résistances soient aussi élevées que possible, avec des valeurs de l’ordre de 1MΩ à 10MΩ étant courantes.

Le signal d’entrée, (Vin) de l’amplificateur JFET à source commune est appliqué entre la terminal de grille et le rail de zéro volts (0v). Avec une valeur constante de tension de grille Vg appliquée, le JFET fonctionne dans sa “zone ohmique”, agissant comme un dispositif résistif linéaire. Le circuit de drain contient la résistance de charge, Rd. La tension de sortie, Vout se développe à travers cette résistance de charge.

L’efficacité de l’amplificateur JFET à source commune peut être améliorée par l’ajout d’une résistance, Rs incluse dans le fil de source avec le même courant de drain traversant cette résistance. La résistance Rs est également utilisée pour définir le “point Q” des amplificateurs JFET.

Lorsque le JFET est complètement “ON”, une chute de tension égale à Rs*Id se développe à travers cette résistance, augmentant le potentiel de la borne de source au-dessus de 0v ou du niveau de terre. Cette chute de tension à travers Rs due au courant de drain fournit les conditions nécessaires de polarisation inverse à travers la résistance de grille, R2, générant efficacement un retour d’information négatif.

Donc, pour maintenir la jonction grille-source en polarisation inverse, la tension de source, Vs, doit être supérieure à la tension de grille, Vg. Cette tension de source est donc donnée par :

Ensuite, le courant de drain, Id est également égal au courant de source, Is car “aucun courant” n’entre dans le terminal de grille et cela peut être donné par :

Ce circuit de polarisation à diviseur de potentiel améliore la stabilité du circuit amplificateur JFET à source commune lorsqu’il est alimenté par une seule source DC par rapport à un circuit de polarisation à tension fixe. Les résistances Rs et le condensateur de bypass de source Cs servent essentiellement la même fonction que la résistance de l’émetteur et le condensateur dans le circuit amplificateur à émetteur commun, à savoir fournir une bonne stabilité et prévenir une réduction de la perte du gain de tension. Cependant, le prix payé pour une tension de grille stabilisée au repos est que davantage du voltage d’alimentation est perdu à travers Rs.

La valeur en farads du condensateur bypass de source est généralement assez élevée au-dessus de 100uF et sera polarisée. Cela donne au condensateur une valeur d’impédance beaucoup plus petite, inférieure à 10 % de la transconductance, gm (le coefficient de transfert représentant le gain) de l’appareil. À haute fréquence, le condensateur de bypass agit essentiellement comme un court-circuit et la source sera effectivement connectée directement à la terre.

Le circuit de base et les caractéristiques d’un Amplificateur JFET à Source Commune sont très similaires à celles de l’amplificateur à émetteur commun. Une droite de charge DC est construite en joignant les deux points relatifs au courant de drain, Id et à la tension d’alimentation, Vdd, en rappelant que lorsque Id = 0 : ( Vdd = Vds ) et lorsque Vds = 0 : ( Id = Vdd/R_L ). La ligne de charge est donc l’intersection des courbes au point Q comme suit.

Cours de caractéristiques de l’amplificateur JFET à Source Commune

Comme avec le circuit bipolaire à émetteur commun, la ligne de charge DC pour l’amplificateur JFET à source commune produit une équation en ligne droite dont la pente est donnée par : -1/(Rd + Rs) et qu’elle croise l’axe vertical Id au point A égal à Vdd/(Rd + Rs). L’autre bout de la ligne de charge croise l’axe horizontal au point B, qui est égal à la tension d’alimentation, Vdd.

La position réelle du point Q sur la ligne de charge DC est généralement souvent située au milieu de la ligne de charge (pour un fonctionnement en classe A) et est déterminée par la valeur moyenne de Vg qui est polarisée négativement car le JFET est un dispositif en mode de depletion. Comme l’amplificateur à émetteur commun bipolaire, la sortie de l’Amplificateur JFET à Source Commune est déphasée de 180^o par rapport au signal d’entrée.

Un des principaux inconvénients de l’utilisation du JFET en mode de depletion est qu’ils doivent être polarisés négativement. Si cette polarisation échoue pour une quelconque raison, la tension grille-source peut augmenter et devenir positive, provoquant une augmentation du courant de drain et une défaillance de la tension de drain, Vd.

De plus, la haute résistance de canal, Rds(on) du FET de jonction, associée à un courant de drain statique élevé, fait que ces dispositifs fonctionnent à des températures élevées, nécessitant un dissipateur de chaleur supplémentaire. Cependant, la plupart des problèmes associés à l’utilisation des JFET peuvent être grandement réduits en utilisant à la place des dispositifs MOSFET en mode d’amélioration.

Les MOSFET ou transistors à effet de champ à oxyde métallique présentent des impédances d’entrée beaucoup plus élevées et des résistances de canal plus faibles par rapport au JFET équivalent. De plus, les arrangements de polarisation pour les MOSFET sont différents et, à moins que nous ne les polarisions positivement pour les dispositifs à canal N et négativement pour les dispositifs à canal P, aucun courant de drain ne circulera, ce qui donne en effet un transistor de sécurité.

Nous avons dit précédemment que le courant d’entrée, Ig, d’un amplificateur JFET à source commune est très faible à cause de l’impédance de grille extrêmement élevée, Rg. Donc, un amplificateur JFET à source commune a un très bon rapport entre ses impédances d’entrée et de sortie et pour toute valeur de courant de sortie, I_OUT, l’amplificateur JFET aura un très fort gain de courant Ai.

En raison de cela, les amplificateurs JFET à source commune sont extrêmement précieux en tant que circuits d’adaptation d’impédance ou utilisés comme amplificateurs de tension. De même, parce que : Puissance = Tension x Courant, (P = V*I) et que les tensions de sortie sont généralement de plusieurs millivolts voire volts, le gain de puissance, Ap, est également très élevé.

Dans le prochain tutoriel, nous examinerons comment un mauvais biaisage de l’amplificateur à transistor peut provoquer des distorsions du signal de sortie sous la forme de distorsions d’amplitude dues au clipping ainsi que l’effet de distorsion de phase et de fréquence.