Contrairement aux diodes à semi-conducteur qui sont constituées de deux morceaux de matériau à semi-conducteur pour former une simple jonction pn, le transistor bipolaire utilise une couche de matériau à semi-conducteur supplémentaire pour produire un dispositif avec des propriétés et des caractéristiques d’un amplificateur.

Si nous joignons deux diodes de signal individuelles dos à dos, cela nous donnera deux jonctions PN connectées ensemble en série partageant un terminal commun Positif (P) ou Négatif (N). La fusion de ces deux diodes produit un dispositif à trois couches, avec deux jonctions et trois terminaux, formant la base d’un transistor bipolaire ou BJT pour faire court.

Les transistors sont des dispositifs actifs à trois terminaux fabriqués à partir de différents matériaux semi-conducteurs qui peuvent agir comme un isolant ou un conducteur par l’application d’une petite tension de signal. La capacité du transistor à changer entre ces deux états lui permet d’avoir deux fonctions de base : « commutation » (électronique numérique) ou « amplification » (électronique analogique). Ainsi, les transistors bipolaires ont la capacité de fonctionner dans trois régions différentes :

• Région active   –   le transistor fonctionne comme un amplificateur et Ic = β*Ib
• Saturation   –   le transistor est en état “Fully-ON” fonctionnant comme un interrupteur et Ic = I(saturation)
• Coupure   –   le transistor est en état “Fully-OFF” fonctionnant comme un interrupteur et Ic = 0

Un transistor bipolaire typique

Le mot Transistor est une combinaison de deux mots Transférer Varistor qui décrit leur mode de fonctionnement remontant aux premiers jours du développement électronique. Il existe deux types de construction de transistor bipolaire, PNP et NPN, qui décrivent fondamentalement l’agencement physique des matériaux semi-conducteurs de type P et N à partir desquels ils sont fabriqués.

La construction de base du transistor bipolaire consiste en deux jonctions PN produisant trois terminaux de connexion, chaque terminal étant nommé pour l’identifier des deux autres. Ces trois terminaux sont connus et étiquetés sous les noms de Émetteur (E), Base (B) et Collecteur (C) respectivement.

Les transistors bipolaires sont des dispositifs de régulation de courant qui contrôlent la quantité de courant circulant à travers eux de l’émetteur aux bornes collectrices proportionnellement à la quantité de tension de polarisation appliquée à leur terminal de base, agissant ainsi comme un interrupteur contrôlé par le courant. En effet, un petit courant circulant dans le terminal de base contrôle un courant collecteur beaucoup plus important, formant ainsi la base de l’action du transistor.

Construction du Transistor Bipolaire

Les symboles de construction et de circuit pour les transistors bipolaires PNP et NPN sont donnés ci-dessus, avec la flèche dans le symbole de circuit montrant toujours la direction du “flux de courant conventionnel” entre le terminal de base et son terminal émetteur. La direction de la flèche pointe toujours du côté positif de la région de type P vers la région de type N négatif pour les deux types de transistors, exactement comme pour le symbole de diode standard.

Configurations du Transistor Bipolaire

Comme le transistor bipolaire est un dispositif à trois terminaux, il existe essentiellement trois manières possibles de le connecter dans un circuit électronique, avec un terminal commun aux signaux d’entrée et de sortie. Chaque méthode de connexion répond différemment à son signal d’entrée au sein d’un circuit, car les caractéristiques statiques du transistor varient avec chaque arrangement de circuit.

• Configuration de base commune   –   a un gain de tension mais pas de gain de courant.
• Configuration d’émetteur commun   –   a à la fois un gain de courant et de tension.
• Configuration de collecteur commun   –   a un gain de courant mais pas de gain de tension.

Configuration de Base Commune (CB)

Comme son nom l’indique, dans la configuration de Base Commune ou base mise à la terre, la connexion BASE est commune à la fois au signal d’entrée ET au signal de sortie. Le signal d’entrée est appliqué entre les terminaux de base et d’émetteur des transistors, tandis que le signal de sortie correspondant est prélevé entre les terminaux de base et de collecteur comme indiqué. Le terminal de base est mis à la terre ou peut être connecté à un certain point de référence de tension fixe.

Le courant d’entrée circulant dans l’émetteur est assez important car c’est la somme du courant de base et du courant collecteur respectivement, par conséquent, le courant de sortie collecteur est inférieur au courant d’entrée émetteur, ce qui donne un gain de courant pour ce type de circuit de « 1 » (unité) ou moins, en d’autres termes, la configuration de base commune « atténue » le signal d’entrée.

Circuit du Transistor à Base Commune

Ce type de configuration d’amplificateur est un circuit amplificateur de tension non inversant, en ce sens que les tensions de signal Vin et Vout sont « en phase ». Ce type d’arrangement de transistor n’est pas très courant en raison de ses caractéristiques de gain de tension très élevées. Ses caractéristiques d’entrée représentent celles d’une diode polarisée en avant, tandis que ses caractéristiques de sortie représentent celles d’une photodiode éclairée.

Gain de Tension de Base Commune

Où : Ic/Ie est le gain de courant, alpha ( α ) et RL/Rin est le gain de résistance.

Le circuit de base commune est généralement utilisé uniquement dans des circuits amplificateurs à étages uniques, tels que les préamplificateurs de microphone ou les amplificateurs de fréquence radio ( Rƒ ) en raison de sa très bonne réponse à haute fréquence.

Configuration d’Émetteur Commun (CE)

Dans la configuration d’Émetteur Commun ou émetteur mis à la terre, le signal d’entrée est appliqué entre la base et l’émetteur, tandis que la sortie est prélevée entre le collecteur et l’émetteur comme indiqué. Ce type de configuration est le circuit le plus couramment utilisé pour les amplificateurs à base de transistor et représente la méthode « normale » de connexion du transistor bipolaire.

La configuration de l’amplificateur à émetteur commun produit le plus grand gain de courant et de puissance de toutes les configurations de transistors bipolaires. Cela est principalement dû au fait que l’impédance d’entrée est FAIBLE car elle est connectée à une jonction PN polarisée en avant, tandis que l’impédance de sortie est ÉLEVÉE car elle est prélevée à partir d’une jonction PN polarisée en inverse.

Circuit de l’Amplificateur à Émetteur Commun

Dans ce type de configuration, le courant sortant du transistor doit être égal aux courants entrant dans le transistor car le courant de l’émetteur est donné par Ie = Ic + Ib.

Comme la résistance de charge ( R_L ) est connectée en série avec le collecteur, le gain de courant de la configuration du transistor à émetteur commun est assez grand car il s’agit du rapport Ic/Ib. Le gain de courant d’un transistor est donné par le symbole grec Bêta ( β ).

Étant donné que le courant d’émetteur pour une configuration d’émetteur commun est défini comme Ie = Ic + Ib, le rapport Ic/Ie est appelé Alpha, donné par le symbole grec α. Remarque : la valeur d’Alpha sera toujours inférieure à l’unité.

Puisque la relation électrique entre ces trois courants, Ib, Ic et Ie est déterminée par la construction physique du transistor lui-même, tout changement minime dans le courant de base ( Ib ) entraînera un changement beaucoup plus important dans le courant collecteur ( Ic ).

Ainsi, de petits changements dans le courant circulant dans la base contrôleront donc le courant dans le circuit émetteur-collecteur. En règle générale, Bêta a une valeur comprise entre 20 et 200 pour la plupart des transistors à usage général. Donc, si un transistor a une valeur de Bêta de 100 par exemple, alors un électron circulera du terminal de base pour chaque 100 électrons circulant entre le terminal émetteur-collecteur.

En combinant les expressions pour Alpha, α et Bêta, β, la relation mathématique entre ces paramètres et, par conséquent, le gain de courant du transistor peut être donnée comme suit :

Où : “Ic” est le courant circulant dans le terminal collecteur, “Ib” est le courant circulant dans le terminal de base et “Ie” est le courant circulant hors du terminal émetteur.

Pour résumer un peu. Ce type de configuration de transistor bipolaire a une impédance d’entrée, un courant et un gain de puissance supérieurs à ceux de la configuration de base commune, mais son gain de tension est beaucoup plus faible. La configuration d’émetteur commun est un circuit amplificateur inversant. Cela signifie que le signal de sortie résultant a un décalage de phase de 180^o par rapport à la tension du signal d’entrée.

Configuration de Collecteur Commun (CC)

Dans la configuration de Collecteur Commun ou collecteur mis à la terre, le collecteur est connecté à la terre à travers l’alimentation, donc le terminal collecteur est commun aux signaux d’entrée et de sortie. Le signal d’entrée est connecté directement au terminal de base, tandis que le signal de sortie est prélevé à travers la résistance de charge de l’émetteur comme indiqué. Ce type de configuration est communément connu sous le nom de Suiveur de Tension ou circuit de Suiveur d’Émetteur.

La configuration de collecteur commun, ou suiveur d’émetteur, est très utile pour les applications d’adéquation d’impédance en raison de son impédance d’entrée très élevée, de l’ordre de centaines de milliers d’Ohms, tout en ayant une impédance de sortie relativement basse.

Circuit du Transistor à Collecteur Commun

La configuration de l’émetteur commun a un gain de courant approximativement égal à la valeur de β du transistor lui-même. Cependant, dans la configuration de collecteur commun, la résistance de charge est connectée en série avec le terminal de l’émetteur, donc son courant est égal à celui du courant émetteur.

Comme le courant d’émetteur est la combinaison des courants de collecteur ET de base combinés, la résistance de charge dans ce type de configuration de transistor a également à la fois le courant collecteur et le courant d’entrée de la base qui circulent à travers elle. Ainsi, le gain de courant du circuit est donné comme :

Gain de Courant de Collecteur Commun

Ce type de configuration de transistor bipolaire est un circuit non-inversant en ce sens que les tensions de signal de Vin et Vout sont « en phase ». La configuration de collecteur commun a un gain de tension d’environ « 1 » (gain d’unité). Ainsi, elle peut être considérée comme un tampon de tension puisque le gain de tension est unité.

La résistance de charge du transistor à collecteur commun reçoit à la fois les courants de base et de collecteur, donnant un grand gain de courant (comme avec la configuration d’émetteur commun) fournissant ainsi une bonne amplification de courant avec très peu de gain de tension.

Relation entre les Courants DC et les Gains

Notez que bien que nous ayons regardé les configurations de transistor bipolaire NPN ici, les transistors PNP sont tout aussi valides à utiliser dans chaque configuration, car les calculs seront tous les mêmes, tout comme l’inversion du signal amplifié. La seule différence sera dans les polarités de tension et les directions de courant.

Résumé du Transistor Bipolaire

En résumé, le comportement du transistor bipolaire dans chacune des configurations de circuit ci-dessus est très différent et produit différentes caractéristiques de circuit en ce qui concerne l’impédance d’entrée, l’impédance de sortie et le gain, que ce soit le gain de tension, le gain de courant ou le gain de puissance, et cela est résumé dans le tableau ci-dessous.

Configurations du Transistor Bipolaire

Dans le prochain tutoriel sur les transistors bipolaires, nous examinerons le transistor NPN plus en détail lorsqu’il est utilisé dans la configuration d’émetteur commun en tant qu’amplificateur, car il s’agit de la configuration la plus largement utilisée en raison de sa flexibilité et de son gain élevé. Nous tracerons également les courbes des caractéristiques de sortie généralement associées aux circuits d’amplification en fonction du courant collecteur par rapport au courant de base.