Techniques de biais (BJT)
Dans la section émetteur commun de ce chapitre, nous avons vu une analyse SPICE où la forme d'onde de sortie ressemblait à une forme rectifiée à demi-onde :seule la moitié de la forme d'onde d'entrée a été reproduite, l'autre moitié étant complètement coupée. Étant donné que notre objectif à l'époque était de reproduire l'intégralité de la forme d'onde, cela constituait un problème. La solution à ce problème consistait à ajouter une petite tension de polarisation à l'entrée de l'amplificateur afin que le transistor reste en mode actif pendant tout le cycle d'onde. Cet ajout a été appelé une tension de polarisation .
Une sortie demi-onde n'est pas problématique pour certaines applications. Certaines applications peuvent nécessiter ce type même d'amplification, car il est possible de faire fonctionner un amplificateur dans des modes autres que la reproduction pleine onde et des applications spécifiques nécessitent des plages de reproduction différentes, il est donc utile de décrire le degré auquel un amplificateur reproduit la forme d'onde d'entrée en la désignant selon la classe . Le fonctionnement de la classe d'amplificateur est catégorisé avec des lettres alphabétiques :A, B, C et AB.
Pour la classe A fonctionnement, la totalité de la forme d'onde d'entrée est fidèlement reproduite.
Classe d'amplificateur
Classe A
Le fonctionnement ne peut être obtenu que lorsque le transistor passe tout son temps en mode actif, n'atteignant ni la coupure ni la saturation. Pour y parvenir, une tension de polarisation continue suffisante est généralement réglée au niveau nécessaire pour piloter le transistor exactement à mi-chemin entre la coupure et la saturation. De cette façon, le signal d'entrée CA sera parfaitement « centré » entre les niveaux de limite de signal haut et bas de l'amplificateur.
Classe A :La sortie de l'amplificateur est une reproduction fidèle de l'entrée.
Classe B
Le fonctionnement est ce que nous avons eu la première fois qu'un signal alternatif a été appliqué à l'amplificateur à émetteur commun sans tension de polarisation continue. Le transistor a passé la moitié de son temps en mode actif et l'autre moitié en coupure avec la tension d'entrée trop faible (ou même de mauvaise polarité !) pour polariser en direct sa jonction base-émetteur.
Classe B :le biais est tel que la moitié (180°) de la forme d'onde est reproduite.
En soi, un amplificateur fonctionnant en mode classe B n'est pas très utile. Dans la plupart des cas, la distorsion sévère introduite dans la forme d'onde en éliminant la moitié de celle-ci serait inacceptable. Cependant, le fonctionnement en classe B est un mode de polarisation utile si deux amplificateurs fonctionnent en push-pull paire, chaque amplificateur ne traitant que la moitié de la forme d'onde à la fois :
Amplificateur push-pull de classe B :chaque transistor reproduit la moitié de la forme d'onde. La combinaison des moitiés produit une reproduction fidèle de la vague entière.
Le transistor Q1 « pousse » (entraîne la tension de sortie dans le sens positif par rapport à la masse), tandis que le transistor Q2 « tire » la tension de sortie (dans le sens négatif, vers 0 volt par rapport à la masse). Individuellement, chacun de ces transistors fonctionne en mode classe B, actif uniquement pendant la moitié du cycle de forme d'onde d'entrée. Ensemble, cependant, les deux fonctionnent en équipe pour produire une forme d'onde de sortie de forme identique à la forme d'onde d'entrée.
Un avantage décisif de la conception d'amplificateur de classe B (push-pull) par rapport à la conception de classe A est une capacité de puissance de sortie supérieure. De conception classe A, le transistor dissipe une énergie considérable sous forme de chaleur car il ne cesse de conduire le courant. À tous les points du cycle d'onde, il est en mode actif (conducteur), conduisant un courant substantiel et faisant chuter une tension substantielle. Il y a une puissance substantielle dissipée par le transistor tout au long du cycle. Dans une conception de classe B, chaque transistor passe la moitié du temps en mode de coupure, où il dissipe une puissance nulle (courant nul =dissipation de puissance nulle). Cela donne à chaque transistor le temps de « se reposer » et de se refroidir tandis que l'autre transistor porte la charge de la charge. Les amplificateurs de classe A sont de conception plus simple mais ont tendance à être limités aux applications de signaux de faible puissance pour la simple raison de la dissipation thermique des transistors.
Classe AB
Une autre classe d'opération d'amplificateur connue sous le nom de classe AB se situe quelque part entre la classe A et la classe B :le transistor passe plus de 50 % mais moins de 100 % du temps à conduire du courant.
Si la polarisation du signal d'entrée pour un amplificateur est légèrement négative (à l'opposé de la polarité de polarisation pour le fonctionnement en classe A), la forme d'onde de sortie sera davantage « écrêtée » qu'elle ne l'était avec la polarisation en classe B, ce qui entraînera une opération où le transistor passe la majeure partie de l'heure en mode coupure :
Classe C
Classe C :La conduction est pour moins d'un demi-cycle (<180°).
Au premier abord, ce schéma peut sembler totalement inutile. Après tout, à quel point un amplificateur pourrait-il être utile s'il écrête autant la forme d'onde ? Si la sortie est utilisée directement sans conditionnement d'aucune sorte, son utilité serait en effet discutable. Cependant, avec l'application d'un circuit réservoir (combinaison inductance-condensateur résonnant parallèle) à la sortie, la surtension de sortie occasionnelle produite par l'amplificateur peut déclencher une oscillation à plus haute fréquence maintenue par le circuit réservoir. Cela peut être comparé à une machine où un volant d'inertie lourd reçoit un « coup de pied » occasionnel pour le faire tourner :
Amplificateur de classe C pilotant un circuit résonant.
Appelé classe C fonctionnement, ce schéma bénéficie également d'un rendement énergétique élevé puisque le ou les transistors passent la grande majorité du temps en mode de coupure, où ils dissipent une puissance nulle. Le taux de décroissance de la forme d'onde de sortie (diminution de l'amplitude d'oscillation entre les "coups de pied" de l'amplificateur) est exagéré ici à des fins d'illustration. En raison du circuit de réservoir accordé sur la sortie, ce circuit n'est utilisable que pour amplifier des signaux d'amplitude définie et fixe. Un amplificateur de classe C peut être utilisé dans un émetteur radio FM (modulation de fréquence). Cependant, l'amplificateur de classe C peut ne pas amplifier directement un signal AM (modulé en amplitude) en raison de la distorsion.
Classe D
Un autre type de fonctionnement de l'amplificateur, très différent des classes A, B, AB ou C, est appelé Classe D . Il n'est pas obtenu en appliquant une mesure spécifique de tension de polarisation comme le sont les autres classes de fonctionnement, mais nécessite une refonte radicale du circuit amplificateur lui-même. Il est un peu trop tôt dans ce chapitre pour étudier exactement comment un amplificateur de classe D est construit, mais pas trop tôt pour discuter de son principe de fonctionnement de base.
Un amplificateur de classe D reproduit le profil de la forme d'onde de la tension d'entrée en générant une pulsation rapide onde carrée sortie . Le cycle de service de la forme d'onde de sortie (temps « activé » par rapport au temps de cycle total) varie avec l'amplitude instantanée du signal d'entrée. Les tracés dans (Figure ci-dessous illustrent ce principe.
Amplificateur de classe D :signal d'entrée et sortie non filtrée.
Plus la tension instantanée du signal d'entrée est élevée, plus le rapport cyclique de l'impulsion carrée de sortie est important. S'il peut y avoir un objectif énoncé pour la conception de classe D, c'est d'éviter le fonctionnement du transistor en mode actif. Comme le transistor de sortie d'un amplificateur de classe D n'est jamais en mode actif, seulement coupé ou saturé, il y aura peu d'énergie thermique dissipée par celui-ci. Il en résulte un rendement énergétique très élevé pour l'amplificateur. Bien sûr, l'inconvénient de cette stratégie est la présence écrasante d'harmoniques en sortie. Heureusement, étant donné que ces fréquences harmoniques sont généralement beaucoup plus élevées que la fréquence du signal d'entrée, elles peuvent être filtrées par un filtre passe-bas avec une relative facilité, résultant en une sortie ressemblant plus à la forme d'onde du signal d'entrée d'origine. La technologie de classe D est généralement utilisée là où des niveaux de puissance extrêmement élevés et des fréquences relativement basses sont rencontrés, comme dans les onduleurs industriels (appareils convertissant le courant continu en courant alternatif pour faire fonctionner les moteurs et autres gros appareils) et les amplificateurs audio hautes performances.
Un terme que vous rencontrerez probablement dans vos études d'électronique est quelque chose appelé quiescent , qui est un modificateur désignant la condition d'entrée zéro d'un circuit. Le courant de repos, par exemple, est la quantité de courant dans un circuit avec une tension de signal d'entrée nulle. La tension de polarisation dans un circuit à transistors oblige le transistor à fonctionner à un niveau de courant de collecteur différent avec une tension de signal d'entrée nulle qu'il ne le ferait sans cette tension de polarisation. Par conséquent, la quantité de polarisation dans un circuit amplificateur détermine ses valeurs de repos.
Courant de repos des amplificateurs
Dans un amplificateur de classe A, le courant de repos doit être exactement la moitié de sa valeur de saturation (à mi-chemin entre la saturation et la coupure, la coupure par définition étant nulle). Les amplificateurs de classe B et de classe C ont des valeurs de courant de repos de zéro car ils sont censés être coupés sans aucun signal appliqué. Les amplificateurs de classe AB ont des valeurs de courant de repos très faibles, juste au-dessus de la coupure. Pour illustrer cela graphiquement, une "ligne de charge" est parfois tracée sur les courbes caractéristiques d'un transistor pour illustrer sa plage de fonctionnement lorsqu'il est connecté à une résistance de charge d'une valeur spécifique illustrée dans la figure ci-dessous.
Exemple de ligne de charge tracée sur les courbes caractéristiques du transistor de Vsupply au courant de saturation.
Une ligne de charge est un tracé de la tension collecteur-émetteur sur une plage de courants de collecteur. Dans le coin inférieur droit de la ligne de charge, la tension est au maximum et le courant est à zéro, ce qui représente une condition de coupure. Dans le coin supérieur gauche de la ligne, la tension est à zéro tandis que le courant est au maximum, ce qui représente une condition de saturation. Les points marquant l'endroit où la ligne de charge croise les diverses courbes de transistor représentent des conditions de fonctionnement réalistes pour les courants de base donnés.
Les conditions de fonctionnement au repos peuvent être indiquées sur ce graphique sous la forme d'un seul point le long de la ligne de charge. Pour un amplificateur de classe A, le point de repos sera au milieu de la ligne de charge comme dans (Figure ci-dessous.)
Point de repos (point) pour la classe A.
Dans cette illustration, le point de repos tombe sur la courbe représentant un courant de base de 40 µA. Si nous devions changer la résistance de charge dans ce circuit à une valeur plus élevée, cela affecterait la pente de la ligne de charge, car une résistance de charge plus élevée limiterait le courant collecteur maximal à saturation, mais ne modifierait pas la tension collecteur-émetteur à couper. Graphiquement, le résultat est une ligne de charge avec un point supérieur gauche différent et le même point inférieur droit que dans
Ligne de charge résultant d'une résistance de charge accrue.
Notez comment la nouvelle ligne de charge n'intercepte pas la courbe de 75 µA le long de sa partie plate comme auparavant. Ceci est très important à savoir car la partie non horizontale d'une courbe caractéristique représente une condition de saturation. Le fait que la ligne de charge intercepte la courbe de 75 µA en dehors de la plage horizontale de la courbe signifie que l'amplificateur sera saturé à cette quantité de courant de base. L'augmentation de la valeur de la résistance de charge est ce qui a amené la ligne de charge à intercepter la courbe de 75 µA à ce nouveau point, et cela indique que la saturation se produira à une valeur inférieure du courant de base qu'auparavant.
Avec l'ancienne résistance de charge de valeur inférieure dans le circuit, un courant de base de 75 µA produirait un courant de collecteur proportionnel (courant de base multiplié par β). Dans le premier graphique de ligne de charge, un courant de base de 75 µA a donné un courant de collecteur presque deux fois supérieur à celui obtenu à 40 µA, comme le rapport β le prédirait. Cependant, le courant de collecteur augmente légèrement entre les courants de base 75 µA et 40 µA, car le transistor commence à perdre une tension collecteur-émetteur suffisante pour continuer à réguler le courant de collecteur.
Pour maintenir un fonctionnement linéaire (sans distorsion), les amplificateurs à transistors ne doivent pas fonctionner aux points où le transistor saturera ; c'est-à-dire là où la ligne de charge ne tombera pas potentiellement sur la partie horizontale d'une courbe de courant de collecteur. Nous devrions ajouter quelques courbes supplémentaires au graphique de la figure ci-dessous avant de pouvoir dire jusqu'où nous pourrions « pousser » ce transistor avec des courants de base accrus avant qu'il ne sature.
Plus de courbes de courant de base montrent les détails de la saturation.
Il apparaît dans ce graphique que le point de courant le plus élevé sur la ligne de charge tombant sur la partie droite d'une courbe est le point sur la courbe de 50 µA. Ce nouveau point doit être considéré comme le niveau de signal d'entrée maximal autorisé pour un fonctionnement en classe A. De plus, pour le fonctionnement de classe A, le biais doit être défini de manière à ce que le point de repos soit à mi-chemin entre ce nouveau point maximum et la coupure sont illustrés dans la figure ci-dessous.
Le nouveau point de repos évite la zone de saturation.
Maintenant que nous en savons un peu plus sur les conséquences des différents niveaux de tension de polarisation CC, il est temps d'étudier les techniques de polarisation pratiques. Source de tension CC (batterie) connectée en série avec le signal d'entrée CA pour polariser l'amplificateur pour la classe de fonctionnement souhaitée. Dans la vraie vie, la connexion d'une batterie calibrée avec précision à l'entrée d'un amplificateur n'est tout simplement pas pratique. Même s'il était possible de personnaliser une batterie pour produire juste la bonne quantité de tension pour une exigence de polarisation donnée, cette batterie ne resterait pas indéfiniment à sa tension de fabrication. Une fois qu'il a commencé à se décharger et que sa tension de sortie a chuté, l'amplificateur commencerait à dériver vers un fonctionnement en classe B.
Prenez ce circuit, illustré dans la section de l'émetteur commun pour la simulation SPICE, par exemple, dans la figure ci-dessous.
Biais de batterie de base peu pratique.
Cette batterie "Vbias" de 2,3 volts ne serait pas pratique à inclure dans un véritable circuit amplificateur. Une méthode beaucoup plus pratique pour obtenir une tension de polarisation pour cet amplificateur serait de développer les 2,3 volts nécessaires à l'aide d'un réseau diviseur de tension connecté aux bornes de la batterie de 15 volts. Après tout, la batterie de 15 volts est déjà là par nécessité, et les circuits diviseurs de tension sont faciles à concevoir et à construire. Voyons à quoi cela pourrait ressembler dans la figure ci-dessous.
Biais du diviseur de tension.
Si nous choisissons une paire de valeurs de résistance pour R2 et R3 qui produiront 2,3 volts sur R3 sur un total de 15 volts (comme 8466 pour R2 et 1533 pour R3), nous devrions avoir notre valeur souhaitée de 2,3 volts entre la base et émetteur pour polarisation sans entrée de signal. Le seul problème est que cette configuration de circuit place la source de signal d'entrée CA directement en parallèle avec R3 de notre diviseur de tension. Ceci n'est pas acceptable, car la source CA aura tendance à maîtriser toute chute de tension CC sur R3. Composants parallèles doit ont la même tension, donc si une source de tension alternative est directement connectée à travers une résistance d'un diviseur de tension continue, la source alternative "gagnera" et il n'y aura pas de tension de polarisation continue ajoutée au signal.
Une façon de faire fonctionner ce schéma, bien que cela ne soit pas évident pourquoi ça marchera, c'est de placer un condensateur de couplage entre la source de tension alternative et le diviseur de tension comme dans la figure ci-dessous.
Le condensateur de couplage empêche la polarisation du diviseur de tension de s'écouler dans le générateur de signal.
Le condensateur forme un filtre passe-haut entre la source CA et le diviseur de tension CC, faisant passer la quasi-totalité de la tension du signal CA sur le transistor tout en empêchant toute tension CC d'être court-circuitée via la source de signal CA. Cela a beaucoup plus de sens si vous comprenez le théorème de superposition et son fonctionnement. Selon la superposition, tout circuit bilatéral linéaire peut être analysé de manière fragmentaire en ne considérant qu'une seule source d'alimentation à la fois, puis en ajoutant algébriquement les effets de toutes les sources d'alimentation pour trouver le résultat final. Si nous devions séparer le condensateur et le circuit diviseur de tension R2-R3 du reste de l'amplificateur, il serait peut-être plus facile de comprendre comment cette superposition de courant alternatif et de courant continu fonctionnerait.
Avec uniquement la source de signal CA en vigueur et un condensateur avec une impédance arbitrairement basse à la fréquence du signal, presque toute la tension CA apparaît sur R3 :
En raison de la très faible impédance du condensateur de couplage à la fréquence du signal, il se comporte un peu comme un morceau de fil, il peut donc être omis pour cette étape de l'analyse de superposition.
Avec seulement la source CC en vigueur, le condensateur semble être un circuit ouvert, et donc ni lui ni la source de signal CA en court-circuit n'auront d'effet sur le fonctionnement du diviseur de tension R2-R3 dans la figure ci-dessous.
Le condensateur semble être un circuit ouvert en ce qui concerne l'analyse DC
En combinant ces deux analyses distinctes dans la figure ci-dessous, nous obtenons une superposition de (presque) 1,5 volts AC et 2,3 volts DC, prêts à être connectés à la base du transistor.
Circuit combiné CA et CC.
Assez parlé, il est temps pour une simulation SPICE de l'ensemble du circuit amplificateur dans la figure ci-dessous. Nous utiliserons une valeur de condensateur de 100 µF pour obtenir une impédance arbitrairement basse (0,796 ) à 2000 Hz :
Simulation SPICE de la polarisation du diviseur de tension.
Notez la distorsion substantielle dans la forme d'onde de sortie dans la figure ci-dessus. L'onde sinusoïdale est écrêtée pendant la majeure partie du demi-cycle négatif du signal d'entrée. Cela nous indique que le transistor entre en mode de coupure alors qu'il ne devrait pas (je suppose un objectif de fonctionnement de classe A comme avant). Pourquoi est-ce? Cette nouvelle technique de polarisation devrait nous donner exactement la même quantité de tension de polarisation continue qu'avant, n'est-ce pas ?
Avec le condensateur et le réseau de résistances R2-R3 déchargés, il fournira exactement 2,3 volts de polarisation CC. Cependant, une fois que l'on connecte ce réseau au transistor, il n'est plus déchargé. Le courant tiré à travers la base du transistor chargera le diviseur de tension, réduisant ainsi la tension de polarisation continue disponible pour le transistor. En utilisant le modèle de transistor à source de courant à diode de la figure ci-dessous pour illustrer, le problème de polarisation devient évident.
Le modèle de transistor à diode montre le chargement du diviseur de tension.
La sortie d'un diviseur de tension dépend non seulement de la taille de ses résistances constitutives, mais également de la quantité de courant qui en est séparée par une charge. La jonction PN base-émetteur du transistor est une charge qui diminue la chute de tension continue sur R3, en raison du fait que le courant de polarisation et IR3 sont tirés à travers la résistance R2, bouleversant le rapport de division anciennement défini par les valeurs de résistance de R2 et R3. Pour obtenir une tension de polarisation continue de 2,3 volts, les valeurs de R2 et/ou R3 doivent être ajustées pour compenser l'effet de la charge de courant de base. Pour augmenter la tension continue a chuté aux bornes de R3, diminuez la valeur de R2, augmentez la valeur de R3 ou les deux.
Aucune distorsion de la sortie après réglage de R2 et R3.
Les nouvelles valeurs de résistance de 6 kΩ et 4 kΩ (R2 et R3, respectivement) dans la figure ci-dessus donnent une reproduction de forme d'onde de classe A, exactement comme nous le voulions.
AVIS :
- Classe A le fonctionnement est un amplificateur polarisé pour être en mode actif tout au long du cycle de forme d'onde, reproduisant ainsi fidèlement la forme d'onde entière.
- Classe B Le fonctionnement est un amplificateur polarisé de sorte que seule la moitié de la forme d'onde d'entrée soit reproduite :soit la moitié positive, soit la moitié négative. Le transistor passe la moitié de son temps en mode actif et la moitié de son temps de coupure. Des paires complémentaires de transistors fonctionnant en fonctionnement de classe B sont souvent utilisées pour fournir une amplification de puissance élevée dans les systèmes de signaux audio, chaque transistor de la paire gérant une moitié distincte du cycle de forme d'onde. Le fonctionnement en classe B offre une meilleure efficacité énergétique qu'un amplificateur de classe A de puissance de sortie similaire.
- Classe AB le fonctionnement est un amplificateur polarisé à un point quelque part entre la classe A et la classe B.
- Classe C est un amplificateur polarisé pour n'amplifier qu'une petite partie de la forme d'onde. La plupart du temps du transistor est passé en mode de coupure. Pour qu'il y ait une forme d'onde complète à la sortie, un circuit réservoir résonnant est souvent utilisé comme « volant d'inertie » pour maintenir les oscillations pendant quelques cycles après chaque « coup de pied » de l'amplificateur. Comme le transistor n'est pas conducteur la plupart du temps, les rendements énergétiques sont élevés pour un amplificateur de classe C.
- Classe D le fonctionnement nécessite une conception de circuit avancée et fonctionne sur le principe de la représentation de l'amplitude instantanée du signal d'entrée par le cycle de service d'une onde carrée haute fréquence. Le ou les transistors de sortie ne fonctionnent jamais en mode actif, seulement coupure et saturation. La faible énergie thermique dissipée rend l'efficacité énergétique élevée.
- DC bias voltage on the input signal, necessary for certain classes of operation (especially class A and class C), may be obtained through the use of a voltage divider and coupling capacitor rather than a battery connected in series with the AC signal source.
FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :
- Bipolar Transistor Biasing Circuits Worksheet
- Class A BJT Amplifiers Worksheet
- Class B BJT Amplifiers Worksheet
- Bipolar Junction Transistor (BJT) theory Worksheet
Technologie industrielle