Le séparateur de phase est un autre type de configuration de transistor à jonction bipolaire (BJT) où un seul signal d’entrée sinusoïdal est divisé en deux sorties séparées qui diffèrent entre elles par 180 degrés électriques.

Le signal d’entrée d’un séparateur de phase à transistor est appliqué à la borne de base, un signal de sortie étant pris de la borne collectrice et le second signal de sortie étant pris de la borne émettrice. Ainsi, le séparateur de phase à transistor est un amplificateur à sortie double produisant des sorties complémentaires à partir de ses bornes collectrices et émettrices qui sont déphasées de 180 degrés.

Un circuit de séparateur de phase à transistor unique n’est rien de nouveau, car nous avons vu ses éléments de base dans des tutoriels précédents. Le circuit de séparation de phase, ou circuit d’inversion de phase, combine les caractéristiques d’un amplificateur à émetteur commun avec celles d’un amplificateur à collecteur commun. Comme pour les circuits d’amplificateurs CE et CC, le circuit de séparation de phase est polarisé en direct pour fonctionner comme un amplificateur linéaire de classe A afin de réduire la distorsion du signal de sortie.

Mais d’abord, rafraîchissons nos connaissances sur les configurations de circuit d’amplificateur à émetteur commun (CE) et d’amplificateur à collecteur commun (CC).

Amplificateur à Émetteur Commun

Le circuit à émetteur commun avec polarisation par diviseur de tension est la configuration d’amplificateur linéaire la plus largement utilisée car elle est facile à polariser et à comprendre.

Le signal d’entrée est appliqué à la borne de base, et le signal de sortie est pris à travers la résistance de charge, R_L, connectée entre le collecteur et le rail d’alimentation positif, V_CC comme montré. Ainsi, l’émetteur est commun aux circuits d’entrée et de sortie.

En plus de fournir un gain de tension déterminé par le rapport de: R_L/R_E, la principale caractéristique de la configuration à émetteur commun (CE) est qu’elle est un amplificateur inversant produisant une inversion de phase de 180 degrés entre les signaux d’entrée et de sortie.

Pour fonctionner comme un amplificateur de classe A, le circuit est polarisé de telle sorte que le courant au repos alimenté dans la base, I_B, positionne la tension de la borne collectrice à environ la moitié de la valeur de la tension d’alimentation. Le rapport des résistances R₁ et R₂ est choisi de sorte que le transistor soit correctement polarisé, fournissant un signal de sortie maximal sans distorsion.

Amplificateur à Collecteur Commun

L’amplificateur à collecteur commun utilise le transistor unique dans la configuration à collecteur commun avec le collecteur étant commun aux circuits d’entrée et de sortie. Le signal d’entrée est appliqué à la borne de base du transistor et la sortie est prise à la borne émettrice comme montré.

Comme le signal de sortie est pris à travers la résistance d’émetteur, R_E, aucune résistance de collecte n’est utilisée, de sorte que la borne collectrice est directement connectée au rail d’alimentation, V_CC. Ce type de configuration d’amplificateur est également connu comme un suiveur de tension ou plus communément comme un suiveur d’émetteur, car le signal de sortie suit le signal d’entrée.

La caractéristique principale de la configuration à collecteur commun (CC) est qu’elle est un amplificateur non-inversant car le signal d’entrée passe directement à travers la jonction base-émetteur vers la sortie. Par conséquent, la sortie est « en phase » avec l’entrée. En raison de cela, il a un gain de tension légèrement inférieur à un (unité).

Comme pour la configuration à émetteur commun précédente, le transistor de l’amplificateur à collecteur commun est polarisé à l’aide d’un réseau de diviseur de tension pour moitié de la tension d’alimentation afin d’assurer une bonne stabilisation pour ses conditions de fonctionnement en courant continu.

Configuration de Séparation de Phase

Si nous combinons la configuration de l’amplificateur à émetteur commun avec celle de l’amplificateur à collecteur commun et prenons les sorties à partir des bornes collectrice et émettrice en même temps, nous pouvons créer un circuit de transistor qui produit deux signaux de sortie égaux en grandeur mais inversés l’un par rapport à l’autre.

Le séparateur de phase utilise un seul transistor pour produire des sorties inversantes et non-inversantes comme montré.

Séparateur de Phase avec un Transistor NPN

Nous avons précédemment dit que le gain de tension de l’amplificateur à émetteur commun est le ratio de R_L à R_E, c’est-à-dire -R_L/R_E (le signe négatif indique un amplificateur inversant). Si nous devions rendre ces deux résistances égales en valeur (R_L = R_E), alors le gain de tension de l’étage à émetteur commun serait égal à -1 ou à l’unité.

Comme le collecteur commun, le circuit d’amplificateur suiveur d’émetteur a naturellement un gain de tension non-inversant proche de l’unité (+1), les deux signaux de sortie, l’un provenant du collecteur et l’autre de l’émetteur, seront égaux en amplitude mais déphasés de 180 degrés. Cela rend le circuit de séparateur de phase à gain unitaire très utile pour fournir des entrées complémentaires ou anti-phase à un autre étage d’amplificateur, tel qu’un amplificateur de puissance push-pull de classe B.

Pour un fonctionnement correct, le réseau de diviseur de tension connecté à travers le rail d’alimentation et la terre doit être choisi pour produire la stabilisation correcte des conditions DC pour l’oscillation de tension de sortie à la fois des bornes collectrice et émettrice produisant des sorties symétriques.

Exemple de Séparateur de Phase No1

Un circuit de séparateur de phase à un seul transistor est nécessaire pour piloter un étage d’amplificateur de puissance push-pull. Concevoir un circuit adapté si la tension d’alimentation est de 9 volts, la valeur Beta du transistor NPN 2N3904 utilisé est 100, et le courant de collecteur au repos est de 1mA et le signal d’entrée a une amplitude de 1V crête.

Pour éviter la distorsion du signal de sortie à la borne émettrice, la tension de polarisation en courant continu de la borne émettrice doit être supérieure à la valeur maximale du signal d’entrée, dans ce cas 1 volt crête. Si nous fixons la tension d’émetteur DC au double de la valeur d’entrée pour garantir une oscillation de sortie sans distorsion, V_E sera égal à 2 volts.

Comme V_E est fixé à 2 volts et le courant émetteur, qui est également le courant de repos du collecteur, qui y circule est donné comme 1mA, la valeur de la résistance d’émetteur, R_E, est calculée comme suit :

Pour que le gain de tension du côté à émetteur commun du circuit de séparateur de phase soit égal à -1 (unité), la résistance de charge du collecteur R_L doit être égale à R_E. C’est-à-dire R_L = R_E = 2kΩ. Ainsi, la tension tombée à travers la résistance de charge collectrice est calculée comme suit :

En appliquant la loi de Kirchhoff des tensions, V_CC – V_C – V_CE – V_E = 0. Donc 9 – 2 – 5 – 2 = 0. Nous nous attendions à cela car R_L = R_E et le courant circulant à travers les deux résistances est à peu près de la même valeur, donc la chute de tension I*R à travers chaque résistance serait donc la même à 2.0 volts.

Cela signifie alors que la tension de polarisation DC pour la sortie non-inversante (borne émettrice) est de 2.0 volts (0 + 2), et la tension de polarisation DC pour la sortie inversante (borne collectrice) est de 7.0 volts (9 – 2). En d’autres termes, les tensions de sortie au repos DC des deux sorties sont à des valeurs différentes.

Le gain de courant DC du transistor, Beta, est donné comme étant 100. Comme pour un amplificateur à émetteur commun, Beta est le rapport du courant collecteur au courant de base, c’est-à-dire ; β = I_C/I_B, la valeur du courant de polarisation de base requis est calculée comme suit :

Alors pour un gain de courant DC de 100, le courant de base au repos, I_B(Q) est donné comme 10uA. Il est courant que la valeur du courant de repos circulant à travers le résistor de base à terre du réseau de diviseur de tension soit dix fois (x10) supérieure au courant de base. Donc le courant circulant à travers R₂ sera 10*I_B = 10*10uA = 100uA.

La tension de base, V_B, est égale à la tension d’émetteur V_E plus la chute de tension directe de 0.7 volt de la jonction base-émetteur, c’est-à-dire : 2.0 + 0.7 = 2.7 volts. Par conséquent, la valeur de R₂ est calculée comme suit :

Comme 100uA circulent à travers R₂ et 10uA circulent dans la borne de base du transistor, il doit donc découler qu’il y a 110uA (100uA + 10uA) circulant à travers la résistance supérieure, R₁ du réseau de diviseur de tension. Si la tension d’alimentation est de 9 volts et la tension de base du transistor est de 2.7 volts, la valeur de la résistance R₁ est calculée comme suit :

Ainsi, le réseau de diviseur de tension utilisé pour la polarisation DC du circuit séparateur consiste en R₁ = 57.3kΩ et R₂ = 27kΩ.

En regroupant les valeurs calculées ci-dessus, nous obtenons le circuit de séparateur de phase à transistor unique suivant :

Circuit de Séparateur de Phase à Transistor

Un circuit de séparateur de phase à transistor unique produit deux versions de sortie du signal d’entrée, une version non inversée identique en phase au signal d’entrée, et une version inversée de 180 degrés du signal d’entrée, les deux sorties ayant une amplitude similaire. Cela rend le circuit de séparateur de phase idéal pour être utilisé dans la conduite des sorties push-pull ou configurées en totem-pole pour l’amplification ou le contrôle de moteur CC.

Considérez le circuit ci-dessous.

Étape de Sortie Totem-Pole

Comme les sorties complémentaires sont prises à partir du collecteur et de l’émetteur du transistor Q1, lorsque le transistor supérieur Q2 est polarisé en avant et conduit pendant le demi-cycle négatif (en raison de l’inversion), le transistor inférieur Q3 est hors circuit, donc la moitié négative de l’onde est transmise à la résistance de charge, R_L.

Lors du demi-cycle positif de l’onde d’entrée, le transistor inférieur Q3 est polarisé en avant et conduit, tandis que le transistor supérieur, Q2, est hors circuit, donc la moitié positive de l’onde est transmise à la résistance de charge, R_L.

Ainsi, à tout moment, seul un des transistors de sortie, Q2 ou Q3, est suffisamment polarisé en avant et conduit une moitié de l’onde du signal d’entrée. Les deux transistors de sortie alternent leur conduction d’un à l’autre comme déterminé par Q1, les deux moitiés du signal d’entrée étant combinées pour produire une onde de sortie inversée à travers R_L. La résistance de charge R_L a une tension de polarisation DC centrée autour de la différence entre V_C et V_E. La résistance R₅ est utilisée pour limiter le courant maximum.

Résumé du Séparateur de Phase à Transistor

Nous avons vu ici dans ce tutoriel qu’en combinant un circuit à émetteur commun avec un circuit à collecteur commun, nous pouvons créer un autre type de circuit à transistor unique qui n’est ni vraiment un amplificateur CE ni un amplificateur CC, mais plutôt un circuit de séparation de phase qui produit deux tensions de même amplitude mais de phase opposée.

Parfois, il est nécessaire d’avoir deux signaux qui sont tous deux égaux en amplitude mais qui sont déphasés de 180 degrés l’un par rapport à l’autre et il existe différentes manières de créer un circuit de séparateur de phase à double sortie, y compris l’utilisation d’amplificateurs différentiels et d’amplificateurs opérationnels. Mais la configuration de circuit de séparateur de phase à transistor unique est la plus facile à construire et à comprendre.

Le circuit de séparateur de phase à transistor unique est polarisé pour fonctionner comme un amplificateur de classe A avec les deux sorties complémentaires (inversée et non-inversée) prises respectivement des bornes collectrice et émettrice du transistor. Pour fonctionner correctement, le gain de chaque sortie doit être réglé sur 1, gain unitaire.

Les circuits de séparateur de phase à transistor unique sont utiles pour piloter des amplificateurs de classe B push-pull, des transformateurs à point central pour des onduleurs ou des sorties en configuration totem-pole pour le contrôle de moteur, car lorsque l’un des transistors est ON, l’autre transistor est OFF.