Comprendre l'amplificateur à émetteur commun : commutation, amplification et techniques de polarisation

La configuration à émetteur commun est un circuit transistor fondamental qui sert à la fois d'interrupteur robuste et d'amplificateur efficace pour signaux analogiques. En opérant entre ses limites de saturation et coupure, un transistor peut contrôler précisément le courant de collecteur, permettant l'amplification linéaire de courants ou tensions d'entrée.

Transistor comme interrupteur simple

Dans un commutateur NPN classique, l'émetteur sert de nœud commun pour la source de signal et la charge. Le schéma ci-dessous illustre les deux modes d'opération extrêmes du transistor :

Quand une cellule solaire génère un petit courant, le transistor peut saturer et piloter une lampe. La luminosité de la lampe est directement proportionnelle à l'intensité lumineuse tombant sur la cellule.

Utiliser la cellule solaire comme luxmètre

Câbler directement un mouvement de mesure à une cellule solaire fonctionne pour niveaux lumineux modérés mais limite la sensibilité car la cellule doit fournir toute la puissance du mesureur. L'amplification est donc requise pour mesures de faible intensité.

Amplifier le courant de cellule solaire

L'insertion d'un transistor à émetteur commun booste le courant vu par le mesureur d'un facteur β (souvent 100), permettant une déviation bien plus grande pour la même lumière incidente. La puissance additionnelle nécessaire pour bouger le mesureur vient d'une batterie externe ; le transistor régule simplement ce courant.

Parce que la déviation du mesureur dépend seulement du courant cellule solaire, la lecture reste précise indépendamment des variations de tension batterie, pourvu que la batterie puisse délivrer le courant requis.

Sortie tension sur résistance de charge

Remplacer le mesureur par une résistance et mesurer la tension collecteur-émetteur produit une sortie tension inversée qui varie linéairement avec le courant d'entrée jusqu'à saturation. En saturation, la tension collecteur-émetteur ne tombe jamais à zéro due aux jonctions du transistor.

Simulation : Tension collecteur vs Courant base

Les simulations SPICE confirment le comportement attendu : la tension de sortie diminue de la tension d'alimentation à quelques dixièmes de volt alors que le transistor passe de coupure à saturation.

 *amplificateur 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 

Les traces de tension de sortie montrent une chute parfaitement linéaire de 15 V à environ 1 V jusqu'à saturation, suivie d'un déclin abrupt qui approche asymptotiquement zéro.

Du DC à l'AC : Amplifier signaux audio

Les amplificateurs à émetteur commun sont aussi utilisés pour booster signaux audio. La sortie AC d'un microphone peut piloter un transistor si la jonction base-émetteur reste polarisée directement tout au long de la forme d'onde, ce qui requiert un biais DC ajouté en série avec la source audio.

Sans biais, le transistor reste en coupure pour la moitié du cycle, produisant une sortie écrêtée et une distortion audible.

 common-emitter amplifier vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) i(v1) .end 

Avec la tension de biais, le transistor reste actif tout au long du cycle, reproduisant fidèlement la forme d'onde audio au haut-parleur et évitant la distortion.

Fondamentaux du biaisage

Le biaisage est essentiel pour l'amplification AC avec transistors bipolaires car ces dispositifs sont intrinsèquement commandés en courant et ne permettent le flux de courant que dans un sens. Un biais DC assure la polarisation directe continue de la jonction base-émetteur.

Calculs de gain

Le gain de courant égale le β du transistor (≈100 dans nos simulations), donnant un gain de courant 40 dB. Le gain de tension, cependant, dépend du rapport résistance charge (R_out) sur résistance entrée (R_in), et peut s'exprimer comme :

Augmenter la résistance charge de 8 Ω à 30 Ω a élevé la tension sortie d'environ 1 V à 4,4 V, produisant un gain tension de 2,95 (≈9,4 dB) comme vérifié par analyse AC SPICE.

 common-emitter amplifier vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) v(3) .end 

Équivalent PNP

Les transistors PNP peuvent être utilisés dans la même configuration à émetteur commun, produisant gain et caractéristiques d'inversion identiques ; seule la polarité d'alimentation s'inverse.

Points clés

• L'amplificateur à émetteur commun partage le nœud émetteur entre entrée et sortie.
• Le biaisage avec décalage DC est obligatoire pour amplification signal AC pour maintenir le transistor dans sa région active.
• La tension collecteur-émetteur est déphasée de 180° par rapport à l'entrée base-émetteur — donc amplificateur inverseur.
• Gain courant ≈ β ; gain tension dépend de R_out/R_in.