L'amplificateur à émetteur commun
Au début de ce chapitre, il illustre comment les transistors pourraient être utilisés comme commutateurs, fonctionnant soit dans leurs modes « saturation » ou « coupure » . Dans la dernière section, nous avons vu comment les transistors se comportent dans leurs modes « actifs » , entre les limites éloignées de la saturation et de la coupure. Étant donné que les transistors sont capables de contrôler le courant de manière analogique, ils sont utilisés comme amplificateurs pour les signaux analogiques.
Transistor en tant que commutateur simple
Émetteur commun L'un des circuits amplificateurs à transistors les plus simples à étudier a précédemment illustré la capacité de commutation du transistor.
Transistor NPN comme simple interrupteur.
C'est ce qu'on appelle l'émetteur commun configuration car (en ignorant la batterie d'alimentation) la source du signal et la charge partagent le câble de l'émetteur comme point de connexion commun illustré dans la figure ci-dessous. Ce n'est pas la seule façon dont un transistor peut être utilisé comme amplificateur, comme nous le verrons dans les sections ultérieures de ce chapitre.
Amplificateur à émetteur commun :les signaux d'entrée et de sortie partagent tous deux une connexion avec l'émetteur.
Avant, un petit courant de cellule solaire saturait un transistor, illuminant une lampe. Sachant maintenant que les transistors peuvent « étrangler » leurs courants de collecteur en fonction de la quantité de courant de base fourni par une source de signal d'entrée, nous devrions voir que la luminosité de la lampe dans ce circuit est contrôlable par l'exposition à la lumière de la cellule solaire . Lorsqu'il y a juste un peu de lumière sur la cellule solaire, la lampe brille faiblement. La luminosité de la lampe augmentera régulièrement au fur et à mesure que la lumière tombera sur la cellule solaire.
Supposons que nous voulions utiliser la cellule solaire comme instrument d'intensité lumineuse. Nous voulons mesurer l'intensité de la lumière incidente avec la cellule solaire en utilisant son courant de sortie pour entraîner un mouvement de compteur. Il est possible de connecter directement un mouvement de compteur à une cellule solaire à cet effet. Les posemètres les plus simples pour le travail photographique sont conçus comme ceci.
La lumière à haute intensité entraîne directement le posemètre.
Bien que cette approche puisse fonctionner pour les mesures d'intensité lumineuse modérée, elle ne fonctionnerait pas aussi bien pour les mesures d'intensité lumineuse faible. Parce que la cellule solaire doit fournir les besoins en énergie du mouvement du compteur, le système est nécessairement limité dans sa sensibilité. En supposant que notre besoin ici soit de mesurer des intensités lumineuses très faibles, nous sommes pressés de trouver une autre solution.
Transistor comme amplificateur
Peut-être que la solution la plus directe à ce problème de mesure est d'utiliser un transistor à amplifier le courant de la cellule solaire afin qu'une plus grande déviation du compteur puisse être obtenue pour moins de lumière incidente.
Le courant de la cellule doit être amplifié pour une lumière de faible intensité.
Le courant à travers le mouvement du compteur dans ce circuit sera β fois le courant de la cellule solaire. Avec un transistor de 100, cela représente une augmentation substantielle de la sensibilité de la mesure. Il est prudent de souligner que la puissance supplémentaire pour déplacer l'aiguille du compteur provient de la batterie à l'extrême droite du circuit, et non de la cellule solaire elle-même. Le courant de la cellule solaire ne fait que contrôler le courant de la batterie au compteur pour fournir un relevé de compteur supérieur à celui que la cellule solaire pourrait fournir sans aide.
Étant donné que le transistor est un dispositif de régulation de courant et que les indications de mouvement du compteur sont basées sur le courant traversant la bobine mobile, l'indication du compteur dans ce circuit ne doit dépendre que du courant de la cellule solaire, et non de la quantité de tension fournie par le batterie. Cela signifie que la précision du circuit sera indépendante de l'état de la batterie, une caractéristique importante ! Tout ce qui est requis de la batterie est une certaine capacité de sortie de tension et de courant minimale pour entraîner le compteur à pleine échelle.
Sortie de tension due au courant à travers une résistance de charge
Une autre façon d'utiliser la configuration à émetteur commun consiste à produire une tension de sortie dérivé du signal d'entrée, plutôt que du courant de sortie spécifique . Remplaçons le mouvement du compteur par une résistance simple et mesurons la tension entre le collecteur et l'émetteur.
L'amplificateur à émetteur commun développe une tension de sortie en raison du courant traversant la résistance de charge.
Avec la cellule solaire obscurcie (pas de courant), le transistor sera en mode de coupure et se comportera comme un interrupteur ouvert entre collecteur et émetteur. Cela produira une chute de tension maximale entre le collecteur et l'émetteur pour un maximum de Vsortie , égal à la pleine tension de la batterie.
À pleine puissance (exposition maximale à la lumière), la cellule solaire fera passer le transistor en mode de saturation, le faisant se comporter comme un interrupteur fermé entre collecteur et émetteur. Le résultat sera une chute de tension minimale entre le collecteur et l'émetteur, ou une tension de sortie presque nulle. En réalité, un transistor saturé ne peut jamais atteindre une chute de tension nulle entre le collecteur et l'émetteur à cause des deux jonctions PN à travers lesquelles le courant du collecteur doit passer. Cependant, cette « tension de saturation collecteur-émetteur » sera assez faible, de l'ordre de quelques dixièmes de volt, selon le transistor spécifique utilisé.
Pour des niveaux d'exposition à la lumière quelque part entre zéro et la sortie maximale de la cellule solaire, le transistor sera dans son mode actif et la tension de sortie se situera quelque part entre zéro et la pleine tension de la batterie. Une qualité importante à noter ici à propos de la configuration à émetteur commun est que la tension de sortie est inversée par rapport au signal d'entrée. C'est-à-dire que la tension de sortie diminue à mesure que le signal d'entrée augmente. Pour cette raison, la configuration de l'amplificateur à émetteur commun est appelée inversion amplificateur.
Une simulation SPICE rapide (figure ci-dessous) du circuit de la figure ci-dessous vérifiera nos conclusions qualitatives sur ce circuit amplificateur.
*amplificateur à émetteur commun i1 0 1 dc q1 2 1 0 mod1 r 3 2 5000 v1 3 0 dc 15 .model mod1 npn .dc i1 0 50u 2u .plot dc v(2,0) .end
Schéma d'émetteur commun avec numéros de nœud et netlist SPICE correspondant.
Émetteur commun :sortie de tension du collecteur par rapport à l'entrée de courant de base.
Au début de la simulation dans la figure ci-dessus où la source de courant (cellule solaire) produit un courant nul, le transistor est en mode de coupure et les 15 volts complets de la batterie sont affichés à la sortie de l'amplificateur (entre les nœuds 2 et 0) . Lorsque le courant de la cellule solaire commence à augmenter, la tension de sortie diminue proportionnellement, jusqu'à ce que le transistor atteigne la saturation à 30 µA de courant de base (3 mA de courant de collecteur). Remarquez comment la trace de la tension de sortie sur le graphique est parfaitement linéaire (pas de 1 volt de 15 volts à 1 volt) jusqu'au point de saturation, où elle n'atteint jamais tout à fait zéro. C'est l'effet mentionné précédemment, où un transistor saturé ne peut jamais atteindre exactement une chute de tension nulle entre le collecteur et l'émetteur en raison des effets de jonction internes. Ce que nous voyons, c'est une forte diminution de la tension de sortie de 1 volt à 0,2261 volt à mesure que le courant d'entrée augmente de 28 µA à 30 µA, puis une diminution continue de la tension de sortie à partir de ce moment (bien que par étapes progressivement plus petites). La tension de sortie la plus basse jamais atteinte dans cette simulation est de 0,1299 volts, approchant asymptotiquement de zéro.
Transistor comme amplificateur CA
Jusqu'à présent, nous avons vu le transistor utilisé comme amplificateur pour les signaux CC. Dans l'exemple du photomètre à cellule solaire, nous nous sommes intéressés à l'amplification de la sortie CC de la cellule solaire pour entraîner un mouvement du compteur CC ou pour produire une tension de sortie CC. Cependant, ce n'est pas la seule façon dont un transistor peut être utilisé comme amplificateur. Souvent un AC amplificateur pour amplifier alternatif des signaux de courant et de tension est souhaitée. Une application courante de ceci est dans l'électronique audio (radios, télévisions et systèmes de sonorisation). Plus tôt, nous avons vu un exemple de la sortie audio d'un diapason activant un commutateur à transistor. Voyons si nous pouvons modifier ce circuit pour envoyer de l'énergie à un haut-parleur plutôt qu'à une lampe dans la figure ci-dessous.
Commutateur à transistor activé par audio.
Dans le circuit d'origine, un pont redresseur à deux alternances était utilisé pour convertir le signal de sortie CA du microphone en une tension CC pour piloter l'entrée du transistor. Tout ce qui nous importait ici était d'allumer la lampe avec un signal sonore du microphone, et cet arrangement suffisait à cet effet. Mais maintenant, nous voulons reproduire le signal AC et piloter un haut-parleur. Cela signifie que nous ne pouvons plus rectifier la sortie du microphone, car nous avons besoin d'un signal AC non déformé pour piloter le transistor, retirer le pont redresseur et remplacer la lampe par un haut-parleur :
L'amplificateur à émetteur commun entraîne le haut-parleur avec un signal de fréquence audio.
Étant donné que le microphone peut produire des tensions dépassant la chute de tension directe de la jonction PN (diode) base-émetteur, une résistance doit être placée en série avec le microphone. Simulez le circuit avec SPICE. La netlist est incluse dans (Figure ci-dessous)
Version SPICE de l'amplificateur audio à émetteur commun.
Signal coupé au niveau du collecteur en raison d'un manque de polarisation de la base CC.
La simulation trace à la fois la tension d'entrée (un signal alternatif d'amplitude de crête de 1,5 volt et une fréquence de 2000 Hz) et le courant à travers la batterie de 15 volts, qui est le même que le courant à travers le haut-parleur. Ce que nous voyons ici est une onde sinusoïdale CA complète alternant dans les deux sens positif et négatif et une forme d'onde de courant de sortie demi-onde qui n'impulsions que dans un sens. Si nous pilotions un haut-parleur avec cette forme d'onde, le son produit serait déformé.
Quel est le problème avec le circuit? Pourquoi ne reproduira-t-il pas fidèlement la totalité de la forme d'onde CA du microphone ? La réponse à cette question se trouve en examinant attentivement le modèle de source de courant de la diode à transistor dans la figure ci-dessous.
Le modèle montre que le courant de base circule dans une direction.
Le courant du collecteur est contrôlé ou régulé, via le mécanisme à courant constant en fonction du rythme défini par le courant à travers la diode base-émetteur. Notez que les deux chemins de courant à travers le transistor sont monodirectionnels :à sens unique ! Malgré notre intention d'utiliser le transistor pour amplifier un AC signal, c'est essentiellement un DC dispositif, capable de gérer des courants dans une seule direction. Nous pouvons appliquer un signal d'entrée de tension alternative entre la base et l'émetteur, mais le courant ne peut pas circuler dans ce circuit pendant la partie du cycle qui polarise en inverse la jonction diode base-émetteur. Par conséquent, le transistor restera en mode de coupure tout au long de cette partie du cycle. Il "s'allumera" dans son mode actif uniquement lorsque la tension d'entrée est de polarité correcte pour polariser en direct la diode base-émetteur, et uniquement lorsque cette tension est suffisamment élevée pour surmonter la chute de tension directe de la diode. N'oubliez pas que les transistors bipolaires sont des dispositifs contrôlés par le courant :ils régulent le courant collecteur en fonction de l'existence d'un courant base-émetteur , pas la tension base-émetteur .
La seule façon dont nous pouvons faire en sorte que le transistor reproduise l'intégralité de la forme d'onde en tant que courant traversant le haut-parleur est de maintenir le transistor dans son mode actif tout le temps. Cela signifie que nous devons maintenir le courant dans la base pendant tout le cycle de forme d'onde d'entrée. Par conséquent, la jonction diode base-émetteur doit être toujours polarisée en direct. Heureusement, cela peut être accompli avec une tension de polarisation CC ajouté au signal d'entrée. En connectant une tension CC suffisante en série avec la source de signal CA, la polarisation directe peut être maintenue à tous les points tout au long du cycle d'onde. (Figure ci-dessous)
Vbias maintient le transistor dans la région active.
Courant de sortie non déformé I(v(1) en raison de Vbias
Avec la source de tension de polarisation de 2,3 volts en place, le transistor reste dans son mode actif pendant tout le cycle de l'onde, reproduisant fidèlement la forme d'onde au niveau du haut-parleur. Notez que la tension d'entrée (mesurée entre les nœuds 1 et 0) fluctue entre environ 0,8 volts et 3,8 volts, une tension crête à crête de 3 volts comme prévu (tension source =1,5 volts crête). Le courant de sortie (haut-parleur) varie entre zéro et presque 300 mA, déphasé de 180° par rapport au signal d'entrée (microphone).
L'illustration de la figure ci-dessous est une autre vue du même circuit, cette fois avec quelques oscilloscopes ("scopemètres") connectés à des points cruciaux pour afficher tous les signaux pertinents.
L'entrée est biaisée vers le haut à la base. La sortie est inversée.
Biais
La nécessité de polariser un circuit amplificateur à transistor pour obtenir une reproduction de la forme d'onde complète est une considération importante . Une section distincte de ce chapitre sera entièrement consacrée au sujet du biais et des techniques de biais. Pour l'instant, il suffit de comprendre que la polarisation peut être nécessaire pour une tension et un courant corrects de l'amplificateur.
Maintenant que nous avons un circuit amplificateur fonctionnel, nous pouvons étudier ses gains de tension, de courant et de puissance. Le transistor générique utilisé dans ces analyses SPICE a un de 100, comme indiqué par l'impression de statistiques de transistor courte incluse dans le texte de sortie du tableau ci-dessous (ces statistiques ont été supprimées des deux dernières analyses par souci de concision).
Paramètres du modèle BJT SPICE.
type npn est 1.00E-16 bf 100.000 nf 1.000 br 1.000 nr 1.000
β est répertorié sous l'abréviation « bf », qui signifie en fait « beta, forward » . Si nous voulions insérer notre propre rapport β pour l'analyse, nous aurions pu le faire sur la ligne .model de la netlist SPICE.
Étant donné que β est le rapport du courant de collecteur au courant de base et que notre charge est connectée en série avec la borne de collecteur du transistor et notre source connectée en série avec la base, le rapport du courant de sortie au courant d'entrée est égal à bêta. Ainsi, notre gain actuel pour cet exemple d'amplificateur est de 100 ou 40 dB.
Gain de tension
Le gain de tension est un peu plus compliqué à chiffrer que le gain de courant pour ce circuit. Comme toujours, le gain de tension est défini comme le rapport de la tension de sortie divisé par la tension d'entrée. Afin de déterminer expérimentalement cela, nous modifions notre dernière analyse SPICE pour tracer la tension de sortie plutôt que le courant de sortie afin que nous ayons deux tracés de tension à comparer dans la figure ci-dessous.
V(3), la tension de sortie aux bornes de r spkr , par rapport à l'entrée.
Tracé sur la même échelle (de 0 à 4 volts), nous voyons que la forme d'onde de sortie de la figure ci-dessus a une amplitude crête à crête plus petite que la forme d'onde d'entrée, en plus d'être à une tension de polarisation inférieure, non élevée par rapport à 0 volt comme l'entrée. Étant donné que le gain de tension pour un amplificateur CA est défini par le rapport des amplitudes CA, nous pouvons ignorer toute polarisation CC séparant les deux formes d'onde. Même ainsi, la forme d'onde d'entrée est toujours plus grande que la sortie, ce qui nous indique que le gain de tension est inférieur à 1 (un chiffre négatif en dB).
Le gain de basse tension n'est pas caractéristique de tous amplificateurs à émetteur commun. C'est une conséquence de la grande disparité entre les résistances d'entrée et de charge. La résistance d'entrée (R1) est ici de 1000 , tandis que la charge (haut-parleur) n'est que de 8 Ω. Étant donné que le gain de courant de cet amplificateur est déterminé uniquement par le du transistor et que ce chiffre de est fixe, le gain de courant de cet amplificateur ne changera pas avec les variations de l'une ou l'autre de ces résistances. Cependant, le gain de tension est dépendant de ces résistances. Si nous modifions la résistance de charge, en lui donnant une valeur plus élevée, elle fera chuter une tension proportionnellement plus élevée pour sa plage de courants de charge, ce qui entraînera une forme d'onde de sortie plus grande. Essayez une autre simulation, mais cette fois avec une charge de 30 dans la figure ci-dessous au lieu d'une charge de 8 .
Augmentation de rspkr à 30 Ω augmente la tension de sortie
Cette fois, la forme d'onde de la tension de sortie dans la figure ci-dessus est considérablement plus grande en amplitude que la forme d'onde d'entrée. En regardant de près, nous pouvons voir que la forme d'onde de sortie culmine entre 0 et environ 9 volts :environ 3 fois l'amplitude de la tension d'entrée.
Nous pouvons effectuer une autre analyse informatique de ce circuit, cette fois en demandant à SPICE de l'analyser d'un point de vue alternatif, en nous donnant des chiffres de tension de crête pour l'entrée et la sortie au lieu d'un tracé basé sur le temps des formes d'onde. (Tableau ci-dessous)
Netlist SPICE pour l'impression des tensions d'entrée et de sortie CA.
Les mesures de tension de crête d'entrée et de sortie montrent une entrée de 1,5 volts et une sortie de 4,418 volts. Cela nous donne un rapport de gain de tension de 2,9453 (4,418 V / 1,5 V), soit 9,3827 dB.
Résolution du gain de tension :
Étant donné que le gain de courant de l'amplificateur à émetteur commun est fixé par , et puisque les tensions d'entrée et de sortie seront égales aux courants d'entrée et de sortie multipliés par leurs résistances respectives, nous pouvons dériver une équation pour le gain de tension approximatif :
Comme vous pouvez le voir, les résultats prédits pour le gain de tension sont assez proches des résultats simulés. Avec un comportement de transistor parfaitement linéaire, les deux ensembles de chiffres correspondraient exactement. SPICE fait un travail raisonnable pour tenir compte des nombreuses "bizarreries" de la fonction des transistors bipolaires dans son analyse, d'où le léger décalage dans le gain de tension basé sur la sortie de SPICE.
Ces gains de tension restent les mêmes quel que soit l'endroit où nous mesurons la tension de sortie dans le circuit :entre le collecteur et l'émetteur, ou la résistance de charge en série comme nous l'avons fait dans la dernière analyse. La quantité de tension de sortie change pour une quantité donnée de tension d'entrée restera la même. Considérez les deux analyses SPICE suivantes comme preuve de cela. La première simulation de la figure ci-dessous est basée sur le temps, pour fournir un tracé des tensions d'entrée et de sortie. Vous remarquerez que les deux signaux sont déphasés de 180o l'un par rapport à l'autre. La deuxième simulation dans le tableau ci-dessous est une analyse CA, pour fournir des lectures de tension de crête simples pour l'entrée et la sortie.
L'amplificateur à émetteur commun montre un gain de tension avec Rspkr =30Ω Netlist SPICE pour l'analyse AC
Nous avons toujours une tension de sortie de crête de 4,418 volts avec une tension d'entrée de crête de 1,5 volts.
Jusqu'à présent, les exemples de circuits présentés dans cette section ont tous utilisé des transistors NPN. Les transistors PNP sont tout aussi valables à utiliser que NPN dans n'importe quel configuration de l'amplificateur, tant que la polarité et les directions de courant appropriées sont maintenues, et l'amplificateur à émetteur commun ne fait pas exception. L'inversion de sortie et le gain d'un amplificateur à transistor PNP sont les mêmes que son homologue NPN, seules les polarités de la batterie sont différentes.
Version PNP de l'amplificateur à émetteur commun.
AVIS :
- Émetteur commun Les amplificateurs à transistors sont appelés ainsi parce que les points de tension d'entrée et de sortie partagent le fil d'émetteur du transistor en commun, sans tenir compte des alimentations.
- Les transistors sont essentiellement des dispositifs à courant continu :ils ne peuvent pas gérer directement les tensions ou les courants qui inversent le sens. Pour les faire fonctionner pour l'amplification des signaux alternatifs, le signal d'entrée doit être compensé par une tension continue pour maintenir le transistor dans son mode actif pendant tout le cycle de l'onde. C'est ce qu'on appelle le biasing .
- Si la tension de sortie est mesurée entre l'émetteur et le collecteur sur un amplificateur à émetteur commun, elle sera déphasée de 180° par rapport à la forme d'onde de la tension d'entrée. Ainsi, l'amplificateur à émetteur commun est appelé un inverseur circuit amplificateur.
- Le gain en courant d'un amplificateur à transistor à émetteur commun avec la charge connectée en série avec le collecteur est égal à . Le gain en tension d'un amplificateur à transistors à émetteur commun est approximativement donné ici :
- Où "Rout" est la résistance connectée en série avec le collecteur et "Rin" est la résistance connectée en série avec la base.
FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :
- Fiche de travail sur les amplificateurs BJT de classe A
Technologie industrielle
- Amplificateur à émetteur commun
- L'amplificateur de source commune (JFET)
- L'amplificateur à drain commun (JFET)
- L'amplificateur à grille commune (JFET)
- L'amplificateur de source commune (IGFET)
- L'amplificateur à drain commun (IGFET)
- L'amplificateur à grille commune (IGFET)
- Comment la chaîne d'approvisionnement en métal s'adapte aux événements actuels
- Variables qui affectent la procédure de test par courants de Foucault