L’Amplificateur à Base Commune est un autre type de configuration de transistor à jonction bipolaire (BJT) où la borne de base du transistor est une borne commune aux signaux d’entrée et de sortie, d’où son nom base commune (CB). La configuration à base commune est moins courante en tant qu’amplificateur par rapport aux configurations plus populaires d’émetteur commun (CE) ou de collecteur commun (CC), mais elle est encore utilisée en raison de ses caractéristiques uniques d’entrée/sortie.

Pour que la configuration à base commune fonctionne comme un amplificateur, le signal d’entrée est appliqué à la borne émetteur et la sortie est prise à partir de la borne collecteur. Ainsi, le courant émetteur est également le courant d’entrée, et le courant collecteur est aussi le courant de sortie, mais comme le transistor est un dispositif à trois couches avec deux jonctions pn, il doit être correctement polarisé pour fonctionner comme un amplificateur à base commune. C’est-à-dire que la jonction base-émetteur doit être polarisée en direct.

Considérons la configuration de base de l’amplificateur à base commune ci-dessous.

Amplificateur à Base Commune utilisant un Transistor NPN

Nous pouvons donc voir à partir de la configuration de base à base commune que les variables d’entrée se rapportent au courant émetteur I_E et à la tension base-émetteur, V_BE, tandis que les variables de sortie se rapportent au courant collecteur I_C et à la tension collecteur-base, V_CB.

Étant donné que le courant émetteur, I_E est également le courant d’entrée, tout changement du courant d’entrée provoquera un changement correspondant dans le courant collecteur, I_C. Pour une configuration à base commune, le gain de courant, A_i est donné par i_OUT/i_IN qui est lui-même déterminé par la formule I_C/I_E. Le gain de courant pour une configuration CB est appelé Alpha, (α).

Dans un amplificateur BJT, le courant émetteur est toujours supérieur au courant collecteur car I_E = I_B + I_C, le gain de courant (α) de l’amplificateur doit donc être inférieur à un (unité) car I_C est toujours inférieur à I_E de la valeur de I_B. Ainsi, l’amplificateur CB atténue le courant, avec des valeurs typiques d’alpha variant entre 0,980 et 0,995.

La relation électrique entre les trois courants du transistor peut être montrée pour donner les expressions pour alpha, α et Beta, β, comme montré.

Gain de Courant de l’Amplificateur

Par conséquent, si la valeur de Beta d’un transistor à jonction bipolaire standard est de 100, alors la valeur d’Alpha serait donnée par : 100/101 = 0,99.

Gain de Tension de l’Amplificateur

Puisque l’amplificateur à base commune ne peut pas fonctionner comme un amplificateur de courant (A_i ≅ 1), il doit donc avoir la capacité de fonctionner comme un amplificateur de tension. Le gain de tension pour l’amplificateur à base commune est le rapport de V_OUT/V_IN, c’est-à-dire la tension collecteur V_C à la tension émetteur V_E. En d’autres termes, V_OUT = V_C et V_IN = V_E.

Comme la tension de sortie V_OUT est développée à travers la résistance collecteur, R_C, la tension de sortie doit donc être une fonction de I_C puisque selon la loi d’Ohm, V_RC = I_C*R_C. Donc tout changement dans I_E aura un changement correspondant dans I_C.

Nous pouvons donc dire pour une configuration d’amplificateur à base commune que :

Comme I_C/I_E est alpha, nous pouvons présenter le gain de tension des amplificateurs comme :

Par conséquent, le gain de tension est plus ou moins égal au rapport de la résistance collecteur à la résistance émetteur. Cependant, il y a une seule jonction de diode pn dans un transistor à jonction bipolaire entre les bornes de base et d’émetteur, ce qui donne lieu à ce que l’on appelle la résistance dynamique de l’émetteur du transistor, r’e.

Pour les signaux d’entrée AC, la jonction de diode émetteur a une résistance effective de petit signal donnée par : r’e = 25mV/I_E, où 25mV est la tension thermique de la jonction pn et I_E est le courant émetteur. Ainsi, au fur et à mesure que le courant circulant à travers l’émetteur augmente, la résistance émetteur diminuera d’un montant proportionnel.

Une partie du courant d’entrée passe à travers cette résistance interne de la jonction base-émetteur jusqu’à la base ainsi que par la résistance d’émetteur connectée extérieurement, R_E. Pour l’analyse de petit signal, ces deux résistances sont connectées en parallèle l’une avec l’autre.

Comme la valeur de r’e est très petite, et R_E est généralement beaucoup plus grande, souvent dans la plage des kilohms (kΩ), l’ampleur du gain de tension des amplificateurs change dynamiquement avec différents niveaux de courant émetteur.

Ainsi, si R_E ≫ r’e, le vrai gain de tension de l’amplificateur à base commune sera :

Étant donné que le gain de courant est approximativement égal à un car I_C ≅ I_E, l’équation du gain de tension se simplifie simplement à :

Donc si, par exemple, 1mA de courant circule à travers la jonction base-émetteur, son impédance dynamique serait de 25mV/1mA = 25Ω. Le gain de tension, A_V pour une résistance de charge collecteur de 10kΩ serait : 10,000/25 = 400, et plus le courant circule à travers la jonction, plus sa résistance dynamique devient faible et plus le gain de tension augmente.

De même, plus la valeur de la résistance de charge est élevée, plus le gain de tension de l’amplificateur est grand. Cependant, un circuit pratique d’amplificateur à base commune serait peu susceptible d’utiliser une résistance de charge supérieure à environ 20kΩ, les valeurs typiques de gain de tension variant d’environ 100 à 2000 en fonction de la valeur de R_C. Notez que le gain de puissance de l’amplificateur est à peu près le même que son gain de tension.

Puisque le gain de tension de l’amplificateur à base commune dépend du rapport de ces deux valeurs résistives, il en découle qu’il n’y a pas d’inversion de phase entre l’émetteur et le collecteur. Ainsi, les formes d’onde d’entrée et de sortie sont « en phase » les unes avec les autres, montrant que l’amplificateur à base commune est une configuration d’amplificateur non inverseur.

Gain Résistif de l’Amplificateur

Une des caractéristiques intéressantes du circuit amplificateur à base commune est le rapport de ses impédances d’entrée et de sortie donnant lieu à ce qui est connu sous le nom de Gain Résistif de l’amplificateur, la propriété fondamentale qui rend l’amplification possible. Nous avons vu ci-dessus que l’entrée est connectée à l’émetteur et la sortie est prélevée du collecteur.

Entre la borne d’entrée et la terre, il existe deux chemins résistifs parallèles possibles. L’un à travers la résistance émetteur, R_E à la terre et l’autre à travers r’e et la borne de base à la terre. Ainsi, nous pouvons dire en regardant dans l’émetteur avec la base mise à la terre que : Z_IN = R_E||r’e.

Mais étant donné que la résistance dynamique d’émetteur, r’e est très petite par rapport à R_E (r’e≪R_E), la résistance dynamique interne de l’émetteur, r’e domine l’équation, résultant en une faible impédance d’entrée approximativement égale à r’e.

Pour la configuration à base commune, l’impédance d’entrée est très faible et, en fonction de la valeur de l’impédance de source, R_S connectée à la borne émetteur, les valeurs d’impédance d’entrée peuvent varier de 10Ω à 200Ω. La faible impédance d’entrée du circuit amplificateur à base commune est l’une des principales raisons de ses applications limitées en tant qu’amplificateur à étage unique.

Cependant, l’impédance de sortie de l’amplificateur CB peut être élevée selon la résistance de collecteur utilisée pour contrôler le gain de tension et la résistance de charge externe connectée, R_L. Si une résistance de charge est connectée à la borne de sortie de l’amplificateur, elle est effectivement connectée en parallèle avec la résistance collecteur, alors Z_OUT = R_C||R_L.

Mais si la résistance de charge connectée extérieurement, R_L est très grande par rapport à la résistance collecteur R_C, alors R_C dominera l’équation parallèle, résultant en une impédance de sortie modérée Z_OUT, devenant approximativement égale à R_C. Ainsi, pour une configuration à base commune, son impédance de sortie, en regardant dans la borne collecteur, serait : Z_OUT = R_C.

Étant donné que l’impédance de sortie de l’amplificateur, en regardant dans la borne collecteur, peut potentiellement être très grande, le circuit à base commune fonctionne presque comme une source de courant idéale prenant le courant d’entrée du côté à basse impédance et envoyant le courant vers le côté à haute impédance. Ainsi, la configuration de transistor à base commune est également appelée : tampon de courant ou configuration suiveur de courant, à l’opposé de la configuration à collecteur commun (CC) qui est appelée suiveur de tension.

Résumé de l’Amplificateur à Base Commune

Nous avons vu ici dans ce tutoriel sur l’Amplificateur à Base Commune qu’il a un gain de courant (alpha) d’environ un (unité), mais aussi un gain de tension qui peut être très élevé, avec des valeurs typiques variant de 100 à plus de 2000 en fonction de la résistance de charge collecteur R_L utilisée.

Nous avons également vu que l’impédance d’entrée du circuit amplificateur est très faible, mais que l’impédance de sortie peut être très élevée. Nous avons également dit que l’amplificateur à base commune n’inverse pas le signal d’entrée car il s’agit d’une configuration d’amplificateur non inverseur.

En raison de ses caractéristiques d’impédance d’entrée/sortie, l’agencement de l’amplificateur à base commune est extrêmement utile dans les applications audio et à radiofréquence en tant que tampon de courant pour adapter une source à basse impédance à une charge à haute impédance ou comme amplificateur à étage unique dans le cadre d’une configuration en cascade ou multi-étage où un étage d’amplificateur est utilisé pour entraîner un autre.