L’amplificateur à collecteur commun est un autre type de configuration de transistor à jonction bipolaire (BJT) où le signal d’entrée est appliqué à la borne de base et le signal de sortie est pris à partir de la borne d’émetteur. Ainsi, la borne collecteur est commune aux circuits d’entrée et de sortie. Ce type de configuration est appelé collecteur commun (CC) parce que la borne collecteur est effectivement « mise à la terre » ou « reliée à la terre » par l’alimentation.

À bien des égards, la configuration à collecteur commun (CC) est l’opposée de la configuration à émetteur commun (CE), car la résistance de charge connectée est déplacée de la borne collecteur habituelle, étiquetée R_C, à la borne émetteur où elle est étiquetée R_E.

La configuration à collecteur commun ou collecteur mis à la terre est généralement utilisée lorsque une source d’entrée à haute impédance doit être connectée à une charge de sortie à basse impédance nécessitant un fort gain de courant. Considérons le circuit amplificateur à collecteur commun ci-dessous.

Amplificateur à Collecteur Commun utilisant un Transistor NPN

Les résistances R₁ et R₂ forment un simple réseau de diviseur de tension utilisé pour polariser le transistor NPN en conduction. Puisque ce diviseur de tension charge légèrement le transistor, la tension de base, V_B, peut être facilement calculée en utilisant la simple formule du diviseur de tension, comme montré.

Réseau de Diviseur de Tension

Avec la borne collecteur du transistor connectée directement à V_CC et sans résistance collecteur (R_C = 0), tout courant collecteur générera une chute de tension à travers la résistance d’émetteur R_E.

Cependant, dans le circuit amplificateur à collecteur commun, la même chute de tension, V_E, représente également la tension de sortie, V_OUT.

Idéalement, nous voudrions que la chute de tension CC à travers R_E soit égale à la moitié de la tension d’alimentation, V_CC, pour que la tension de sortie quiescente des transistors soit située quelque part au milieu des courbes caractéristiques, permettant un maximum de signal de sortie non découpé. Ainsi, le choix de R_E dépend fortement de I_B et du gain de courant des transistors Beta, β.

Comme la jonction pn base-émetteur est polarisée en direct, le courant de base circule à travers la jonction vers l’émetteur, favorisant l’action du transistor et entraînant un courant collecteur beaucoup plus important, I_C. Ainsi le courant d’émetteur est une combinaison du courant de base et du courant collecteur: I_E = I_B + I_C. Cependant, comme le courant de base est extrêmement faible comparé au courant collecteur, le courant d’émetteur est donc approximativement égal au courant collecteur. Ainsi I_E ≈ I_C.

Comme avec la configuration amplificateur à émetteur commun (CE), le signal d’entrée est appliqué à la borne de base du transistor, et comme nous l’avons dit précédemment, le signal de sortie des amplificateurs est pris à partir de la borne d’émetteur. Cependant, comme il n’y a qu’une seule jonction pn polarisée en direct entre la base du transistor et sa borne émetteur, tout signal d’entrée appliqué à la base passe directement à travers la jonction vers l’émetteur. Par conséquent, le signal de sortie présent à l’émetteur est en phase avec le signal d’entrée appliqué à la base.

Comme le signal de sortie des amplificateurs est pris à travers la charge d’émetteur, ce type de transistor est également connu sous le nom de circuit Suiveur d’Émetteur, car la sortie de l’émetteur « suit » ou suit tout changement de tension au signal d’entrée de base, sauf qu’elle reste environ 0,7 volts (V_BE) en dessous de la tension de base. Ainsi V_IN et V_OUT sont en phase, produisant zéro différence de phase entre les signaux d’entrée et de sortie.

Cela dit, la jonction pn de l’émetteur agit effectivement comme une diode polarisée en direct et pour de petits signaux d’entrée CA, cette jonction diode émetteur a une résistance donnée par: r’_e = 25mV/I_e où 25mV est la tension thermique de la jonction à température ambiante (25^oC) et I_e est le courant d’émetteur. Donc, à mesure que le courant d’émetteur augmente, la résistance de l’émetteur diminue d’un montant proportionnel.

Le courant de base qui passe à travers cette résistance interne de jonction base-émetteur sort également par la résistance d’émetteur connectée externément, R_E. Ces deux résistances sont connectées en série, agissant donc comme un réseau de diviseur de tension créant une chute de tension. Étant donné que la valeur de r’_e est très petite, et R_E est beaucoup plus grande, généralement dans la plage des kilohms (kΩ), l’amplitude de la tension de sortie des amplificateurs est donc inférieure à sa tension d’entrée.

Cependant, dans la réalité, l’amplitude de la tension de sortie (crête à crête) est généralement dans la plage de 98 à 99% de la tension d’entrée, ce qui est suffisamment proche dans la plupart des cas pour être considéré comme un gain unitaire.

Nous pouvons calculer le gain de tension, V_A, de l’amplificateur à collecteur commun en utilisant la formule du diviseur de tension, en supposant que la tension de base, V_B, est en fait la tension d’entrée, V_IN.

Gain de Tension de l’Amplificateur à Collecteur Commun

Donc, l’amplificateur à collecteur commun ne peut pas fournir d’amplification de tension et une autre expression utilisée pour décrire le circuit amplificateur à collecteur commun est celle d’un circuit suiveur de tension pour des raisons évidentes. Ainsi, puisque le signal de sortie suit de près l’entrée et est en phase avec l’entrée, le circuit à collecteur commun est donc un amplificateur à gain de tension unitaire non inverseur.

Exemple d’Amplificateur à Collecteur Commun N°1

Un amplificateur à collecteur commun est construit en utilisant un transistor bipolaire NPN et un réseau de polarisation de diviseur de tension. Si R₁ = 5k6Ω, R₂ = 6k8Ω et la tension d’alimentation est de 12 volts. Calculez les valeurs de: V_B, V_C et V_E, le courant d’émetteur I_E, la résistance interne de l’émetteur r’_e et le gain de tension de l’amplificateur A_V lorsqu’une résistance de charge de 4k7Ω est utilisée. Dessinez également le circuit final et la courbe caractéristiques correspondante avec la ligne de charge.

1. Tension de polarisation de base, V_B

2. Tension collecteur, V_C. Comme il n’y a pas de résistance de charge collecteur, la borne collecteur du transistor est connectée directement au rail d’alimentation CC, donc V_C = V_CC = 12 volts.

3. Tension de polarisation d’émetteur, V_E

4. Courant d’émetteur, I_E

5. Résistance d’Émetteur AC, r’_e

6. Gain de tension, A_V

Circuit Amplificateur à Collecteur Commun avec Ligne de Charge

Impedance d’Entrée du Collecteur Commun

Bien que l’amplificateur à collecteur commun ne soit pas très bon pour être un amplificateur de tension, car comme nous l’avons vu, son gain de tension pour petit signal est approximativement égal à un (A_V ≅ 1), il fait cependant un très bon circuit tampon de tension en raison de ses hautes impédances d’entrée (Z_IN) et faibles impédances de sortie (Z_OUT), fournissant une isolation entre une source de signal d’entrée et une charge d’impédance.

Une autre caractéristique utile de l’amplificateur à collecteur commun est qu’il fournit un gain de courant (A_i) tant qu’il est en conduction. Cela signifie qu’il peut passer un grand courant circulant de l’entrée à l’émetteur, en réponse à un petit changement à son courant de base, I_B. Rappelez-vous que ce courant CC ne voit que R_E car il n’y a pas de R_C. Ensuite, le courant CC est simplement: V_CC/R_E, ce qui peut être élevé si R_E est faible.

Considérons la configuration amplificateur à collecteur commun ou suiveur d’émetteur ci-dessous:

Configuration d’Amplificateur à Collecteur Commun

Pour l’analyse AC de signal faible du circuit, les condensateurs sont courts et V_CC est court (impédance zéro). Ainsi, le circuit équivalent est donné comme montré avec les courants et tensions de polarisation donnés comme:

L’impédance d’entrée Z_IN de la configuration à collecteur commun regardant vers la base est donnée comme:

Mais comme Beta, β est généralement beaucoup supérieur à 1 (habituellement au-dessus de 100), l’expression de: β + 1 peut être réduite à simplement Beta, β car la multiplication par 100 est virtuellement la même que la multiplication par 101. Ainsi:

Impedance de Base de l’Amplificateur à Collecteur Commun

Où: β est le gain de courant des transistors, R_e est la résistance émetteur équivalente, et r’_e est la résistance CA de la diode émetteur-base. Notez que puisque la valeur combinée de R_e est généralement beaucoup plus grande que la résistance équivalente de la diode, r’_e (kilo-ohms comparé à quelques ohms), l’impédance de la base des transistors peut être donnée simplement comme: β*R_e.

Un point intéressant à noter ici est que l’impédance d’entrée des transistors, Z_IN(base) peut être contrôlée par la valeur soit de la résistance de jambe d’émetteur, R_E ou de la résistance de charge R_L car elles sont connectées en parallèle.

Alors que l’équation ci-dessus nous donne l’impédance d’entrée regardant vers la base du transistor, elle ne nous donne pas l’impédance d’entrée réelle que la source de signal verrait regardant dans le circuit amplificateur complet. Pour cela, nous devons considérer les deux résistances qui composent le réseau de polarisation de diviseur de tension. Ainsi:

Impedance d’Entrée de l’Amplificateur à Collecteur Commun

Exemple du Collecteur Commun N°2

En utilisant le circuit de l’amplificateur à collecteur commun précédent, calculez les impédances d’entrée de la base des transistors et de l’étage amplificateur si la résistance de charge, R_L est de 10kΩ et le gain de courant des transistors NPN est de 100.

1. Résistance Émetteur AC, r’_e

2. Résistance de Charge Équivalente, R_e

3. Impédance de Base des Transistors, Z_BASE

4. Impédance d’Entrée de l’Amplificateur, Z_IN(STAGE)

Étant donné que l’impédance de la base des transistors de 322kΩ est beaucoup plus élevée que l’impédance d’entrée de l’amplificateur de seulement 2.8kΩ, l’impédance d’entrée de l’amplificateur à collecteur commun est déterminée par le rapport des deux résistances de polarisation, R₁ et R₂.

Impedance de Sortie du Collecteur

Pour déterminer l’impédance de sortie Z_OUT des amplificateurs CC en regardant de la charge vers la borne d’émetteur de l’amplificateur, nous devons d’abord supprimer la charge car nous voulons voir la résistance effective de l’amplificateur qui alimente la charge. Ainsi, le circuit équivalent AC regardant vers la sortie de l’amplificateur est donné comme suit:

D’après ce qui précède, l’impédance d’entrée du circuit de base est donnée comme:R_B = R₁||R₂. Le gain de courant du transistor est donné comme: β. Ainsi, l’équation de sortie est donnée comme:

Nous pouvons donc voir que la résistance d’émetteur, R_E est effectivement en parallèle avec toute l’impédance du transistor regardant vers sa borne d’émetteur.

Si nous calculons l’impédance de sortie de notre circuit amplificateur à émetteur commun en utilisant les valeurs des composants ci-dessus, cela donnerait une impédance de sortie Z_OUT de moins de 50Ω (49.5Ω) qui est beaucoup plus petite que l’impédance d’entrée plus élevée, Z_IN(BASE), calculée précédemment.

Ainsi, nous pouvons voir que la configuration de l’Amplificateur à Collecteur Commun a, par calcul, une très haute impédance d’entrée et une très faible impédance de sortie lui permettant d’alimenter une charge à basse impédance. En fait, en raison de l’impédance d’entrée relativement élevée de l’amplificateur CC et de sa très basse impédance de sortie, il est couramment utilisé comme amplificateur tampon à gain unitaire.

Ayant déterminé que l’impédance de sortie, Z_OUT de notre amplificateur d’exemple ci-dessus est d’environ 50Ω par calcul, si nous reconnectons maintenant la résistance de charge de 10kΩ dans le circuit, l’impédance de sortie résultante sera:

Bien que la résistance de charge soit de 10kΩ, la résistance de sortie équivalente est toujours basse à 49.3Ω. C’est parce que R_L est grande comparée à Z_OUT, donc pour un transfert de puissance maximal, R_L doit être égal à Z_OUT. Étant donné que le gain de tension de l’amplificateur à collecteur commun est considéré comme unitaire (1), le gain de puissance de l’amplificateur doit être égal à son gain de courant, puisque P = V*I.

Puisque le gain de courant du collecteur commun se définit comme le rapport du courant d’émetteur au courant de base, γ = I_E/I_B = β + 1, il en découle donc que le gain de courant des amplificateurs doit être approximativement égal à Beta (β) car β + 1 est pratiquement le même que Beta.

Résumé du Tutoriel

Nous avons vu dans ce tutoriel sur l’Amplificateur à Collecteur Commun qu’il tire son nom du fait que la borne collecteur du BJT est commune aux circuits d’entrée et de sortie car il n’y a pas de résistance collecteur, R_C.

Le gain de tension de l’amplificateur à collecteur commun est approximativement égal à un (A_v ≅ 1) et que son gain de courant, A_i est approximativement égal à Beta, (A_i≅β) ce qui, en fonction de la valeur de Beta des transistors particuliers, peut être assez élevé.

Nous avons aussi vu par le calcul que l’impédance d’entrée, Z_IN est élevée tandis que son impédance de sortie, Z_OUT, est basse, ce qui la rend utile pour le couplage d’impédance (ou correspondance de résistance) ou en tant que circuit tampon entre une source de tension et une charge à basse impédance.

Comme l’amplificateur à collecteur commun (CC) reçoit son signal d’entrée à la base avec la tension de sortie prise à travers la charge d’émetteur, les tensions d’entrée et de sortie sont « en phase » (0^o de différence de phase) ainsi la configuration à collecteur commun porte le nom secondaire de Suiveur d’Émetteur car la tension de sortie (tension d’émetteur) suit la tension de base d’entrée.