Calculs de polarisation de transistor
Bien que les circuits de commutation à transistors fonctionnent sans polarisation, il est inhabituel que des circuits analogiques fonctionnent sans polarisation. L'un des rares exemples est « TR One, one transistor radio » TR One, Ch 9 avec un détecteur AM (modulation d'amplitude) amplifié. Notez l'absence d'une résistance de polarisation à la base de ce circuit. Dans cette section, nous examinons quelques circuits de polarisation de base qui peuvent définir un courant d'émetteur sélectionné IE. Étant donné un courant d'émetteur souhaité IE, quelles valeurs de résistances de polarisation sont nécessaires, RB, RE, etc. ?
Résistance de polarisation de base
Le biais le plus simple applique un biais de base résistance entre la base et une batterie de base V BB . Il est pratique d'utiliser l'alimentation VCC existante au lieu d'une nouvelle alimentation de polarisation. Un exemple d'étage d'amplification audio utilisant la polarisation de base est « Crystal radio with one transistor . . . ” radio crystal, Ch 9. Notez la résistance de la base à la borne de la batterie. Un circuit similaire est illustré dans la figure ci-dessous. Écrivez une équation KVL (loi de tension de Kirchhoff) sur la boucle contenant la batterie, RB et la chute de diode VBE sur le transistor dans la figure ci-dessous. Notez que nous utilisons VBB pour l'alimentation de base, même s'il s'agit en fait de VCC. Si β est grand, nous pouvons faire l'approximation que IC =IE. Pour transistors au silicium VBE≅0.7V.
Biais de base
Les transistors à petit signal en silicium ont généralement un compris entre 100 et 300.
Exemples de calcul :
En supposant que nous ayons un transistor β=100, quelle valeur de la résistance de polarisation de base est nécessaire pour produire un courant d'émetteur de 1mA ? La résolution de l'équation de biais de base IE pour RB et la substitution de β, VBB, VBE et IE donnent 930kΩ. La valeur standard la plus proche est 910kΩ.
Quel est le courant d'émetteur avec une résistance de 910kΩ ? Quel est le courant d'émetteur si on obtient au hasard un transistor β=300 ?
Le courant de l'émetteur est peu modifié en utilisant la résistance standard de 910 kΩ. Cependant, avec un changement de de 100 à 300, le courant d'émetteur a triplé. Ce n'est pas acceptable dans un amplificateur de puissance si nous nous attendons à ce que la tension du collecteur oscille entre le VCC et le sol. Cependant, pour des signaux de faible niveau allant du microvolt à environ un volt, le point de polarisation peut être centré pour un de la racine carrée de (100,300)=173. Le point de polarisation dérivera toujours d'une quantité considérable. Cependant, les signaux de bas niveau ne seront pas écrêtés.
La polarisation de base ne convient pas aux courants d'émetteur élevés, tels qu'utilisés dans les amplificateurs de puissance. Le courant d'émetteur polarisé par la base n'est pas stable en température.
Emballage thermique est le résultat d'un courant d'émetteur élevé provoquant une augmentation de la température qui provoque une augmentation du courant d'émetteur, ce qui augmente encore la température.
Biais des commentaires des collectionneurs
Les variations de polarisation dues à la température et au bêta peuvent être réduites en déplaçant l'extrémité VBB de la résistance de polarisation de base vers le collecteur comme dans la figure ci-dessous. Si le courant de l'émetteur devait augmenter, la chute de tension aux bornes de RC augmente, diminuant VC, diminuant IB renvoyé à la base. Ceci, à son tour, diminue le courant de l'émetteur, corrigeant l'augmentation d'origine.
Écrivez une équation KVL sur la boucle contenant la batterie, RC, RB et la chute VBE. Remplacez IC≅IE et IB≅IE/β. La résolution d'IE donne l'équation de biais CFB d'IE. La résolution de IB donne l'équation IB CFB-bias.
Biais des commentaires des collectionneurs.
Exemples de calcul :
Trouvez la résistance de polarisation de rétroaction de collecteur requise pour un courant d'émetteur de 1 mA, une résistance de charge de collecteur de 4,7 K et un transistor avec β =100. Trouvez la tension de collecteur VC. Il devrait être approximativement à mi-chemin entre le VCC et le sol.
La valeur standard la plus proche de la résistance de polarisation de rétroaction du collecteur de 460 kΩ est de 470 kΩ. Trouvez le courant d'émetteur IE avec la résistance de 470KΩ. Recalculer le courant d'émetteur pour un transistor avec β=100 et β=300.
Nous voyons que lorsque le bêta passe de 100 à 300, le courant de l'émetteur augmente de 0,989 mA à 1,48 mA. Il s'agit d'une amélioration par rapport au circuit de polarisation de base précédent qui avait augmenté de 1,02 mA à 3,07 mA. Le biais de rétroaction du collecteur est deux fois plus stable que le biais de base en ce qui concerne la variation bêta.
Emetteur-Biais
L'insertion d'une résistance RE dans le circuit de l'émetteur comme dans la figure ci-dessous provoque une dégénérescence , également connu sous le nom de commentaires négatifs . Cela s'oppose à un changement du courant d'émetteur IE dû aux changements de température, aux tolérances de résistance, à la variation bêta ou à la tolérance d'alimentation. Les tolérances typiques sont les suivantes :résistance—5%, bêta—100-300, alimentation—5%. Pourquoi la résistance de l'émetteur peut-elle stabiliser un changement de courant ? La polarité de la chute de tension aux bornes de RE est due à la batterie de collecteur VCC. L'extrémité de la résistance la plus proche de la borne (-) de la batterie est (-), l'extrémité la plus proche de la borne (+) elle (+). Notez que l'extrémité (-) de RE est connectée via la batterie VBB et RB à la base. Toute augmentation du flux de courant à travers RE augmentera l'amplitude de la tension négative appliquée au circuit de base, diminuant le courant de base, diminuant le courant d'émetteur. Ce courant d'émetteur décroissant compense partiellement l'augmentation initiale.
Biais de l'émetteur
Notez que la batterie à polarisation de base VBB est utilisée au lieu de VCC pour polariser la base dans la figure ci-dessus. Plus tard, nous montrerons que la polarisation de l'émetteur est plus efficace avec une batterie de polarisation de base inférieure. Pendant ce temps, nous écrivons une équation KVL pour la boucle à travers le circuit base-émetteur, en faisant attention à la polarité des composants. Nous substituons IB≅IE/β et résolvons pour le courant d'émetteur IE. Cette équation peut être résolue pour RB, équation :RB émetteur-biais, figure ci-dessus.
Avant d'appliquer les équations :biais d'émetteur RB et biais d'émetteur IE, la figure ci-dessus, nous devons choisir des valeurs pour RC et RE. RC est lié à l'alimentation du collecteur VCC et au courant de collecteur souhaité IC que nous supposons être approximativement le courant d'émetteur IE.
Normalement, le point de polarisation pour VC est réglé sur la moitié de VCC. Cependant, il pourrait être réglé plus haut pour compenser la chute de tension aux bornes de la résistance d'émetteur RE. Le courant du collecteur est ce que nous exigeons ou choisissons. Cela peut aller de micro-ampères à ampères en fonction de l'application et de la puissance nominale du transistor. Nous choisissons IC =1mA, typique d'un circuit à transistors à petit signal.
Exemples de calcul :
Nous calculons une valeur pour RC et choisissons une valeur standard proche. Une résistance d'émetteur qui représente 10 à 50 % de la résistance de charge du collecteur fonctionne généralement bien.
Une résistance de 883k a été calculée pour RB, une 870k choisie. À β=100, IE est de 1,01mA.
Pour β=300, les courants d'émetteur sont indiqués dans le tableau ci-dessous.
Comparaison de courant d'émetteur pour β=100, β=300.
Le tableau ci-dessus montre que pour VBB =10V, la polarisation de l'émetteur ne stabilise pas très bien le courant de l'émetteur. L'exemple de polarisation d'émetteur est meilleur que l'exemple de polarisation de base précédent, mais pas de beaucoup. La clé d'une polarisation efficace de l'émetteur est de réduire l'alimentation de base VBB plus près de la quantité de polarisation de l'émetteur.
Arrondi correspondant au courant de l'émetteur multiplié par la résistance de l'émetteur :IERE =(1 mA) (470) =0,47 V. De plus, nous devons surmonter le VBE =0,7V. Ainsi, nous avons besoin d'un VBB> (0,47 + 0,7) V ou> 1,17 V. Si le courant d'émetteur dévie, ce nombre changera par rapport à l'alimentation de base fixe VBB, provoquant une correction du courant de base IB et du courant d'émetteur IE. Une bonne valeur pour VB>1.17V est 2V.
La résistance de base calculée de 83k est bien inférieure à la précédente 883k. Nous choisissons 82k dans la liste des valeurs standard. Les courants d'émetteur avec le 82k RB pour β=100 et β=300 sont :
En comparant les courants d'émetteur pour la polarisation de l'émetteur avec VBB =2V à =100 et =300 aux exemples de circuits de polarisation précédents dans le tableau ci-dessous, nous constatons une amélioration considérable à 1,75 mA, mais pas aussi bonne que le 1,48 mA du collecteur commentaires.
Comparaison de courant d'émetteur pour β=100, β=300.
Pour améliorer les performances de la polarisation de l'émetteur, augmentez la résistance d'émetteur RE ou diminuez l'alimentation de la polarisation de base VBB ou les deux.
À titre d'exemple, nous doublons la résistance de l'émetteur à la valeur standard la plus proche de 910Ω.
Le RB calculé =39k est une résistance de valeur standard. Pas besoin de recalculer IE pour =100. Pour β =300, c'est :
Les performances du circuit de polarisation d'émetteur avec une résistance d'émetteur 910 sont bien améliorées. Voir le tableau ci-dessous.
Comparaison de courant d'émetteur pour β=100, β=300.
À titre d'exercice, retravaillez l'exemple de polarisation de l'émetteur avec la résistance de l'émetteur ramenée à 470 et l'alimentation de la polarisation de base réduite à 1,5 V.
La résistance de base de 33k est une valeur standard, le courant d'émetteur à =100 est OK. Le courant d'émetteur à =300 est :
Le tableau ci-dessous compare les résultats des exercices 1mA et 1,38mA aux exemples précédents.
Comparaison de courant d'émetteur pour β=100, β=300.
Les équations de polarisation de l'émetteur ont été répétées dans la figure ci-dessous avec la résistance interne de l'émetteur incluse pour une meilleure précision. La résistance interne de l'émetteur est la résistance du circuit émetteur contenu dans le boîtier du transistor. Cette résistance interne rEE est importante lorsque la résistance d'émetteur (externe) RE est petite, voire nulle. La valeur de la résistance interne REE est fonction du courant d'émetteur IE, tableau ci-dessous.
Dérivation de rEE
rEE =KT/IE m où : K=1,38×10 -23 watt-sec/ o C, la constante T=température de Boltzman en Kelvins ≅300. JeE =courant d'émetteur m =varie de 1 à 2 pour le silicium rEE ≅ 0.026V/IE =26mV/IE
Pour référence, l'approximation de 26 mV est répertoriée comme équation rEE dans la figure ci-dessous.
Équations de polarisation d'émetteur avec résistance d'émetteur interne rEE incluse.
Les équations de polarisation d'émetteur les plus précises de la figure ci-dessus peuvent être dérivées en écrivant une équation KVL. Alternativement, commencez par les équations IE émetteur-biais et RB émetteur-biais sur la figure précédente, en remplaçant RE par rEE+RE. Le résultat est les équations IE EB et RB EB, respectivement dans la figure ci-dessus.
Refaire le calcul RB dans l'exemple précédent de biais d'émetteur avec l'inclusion de rEE et comparer les résultats.
L'inclusion de rEE dans le calcul entraîne une valeur inférieure de la résistance de base RB, comme indiqué dans le tableau ci-dessous. Il tombe en dessous de la valeur standard de la résistance 82k au lieu d'être au-dessus.
Effet de l'inclusion de rEE sur le RB calculé
Condensateur de contournement pour RE
Un problème avec la polarisation de l'émetteur est qu'une partie considérable du signal de sortie tombe à travers la résistance d'émetteur RE (figure ci-dessous). Cette chute de tension aux bornes de la résistance d'émetteur est en série avec la base et de polarité opposée par rapport au signal d'entrée. (Ceci est similaire à une configuration de collecteur commune ayant un gain <1.) Cette dégénérescence réduit considérablement le gain de la base au collecteur. La solution pour les amplificateurs de signaux alternatifs consiste à contourner la résistance de l'émetteur avec un condensateur. Cela restaure le gain CA puisque le condensateur est court pour les signaux CA. Le courant continu de l'émetteur subit toujours une dégénérescence dans la résistance de l'émetteur, stabilisant ainsi le courant continu.
Cbypass est nécessaire pour empêcher la réduction du gain CA.
La valeur du condensateur de dérivation dépend de la fréquence la plus basse à amplifier.
Pour les fréquences radio, Cbpass serait petit. Pour un amplificateur audio s'étendant jusqu'à 20 Hz, il sera grand. Une « règle empirique » pour le condensateur de dérivation est que la réactance doit être de 1/10 de la résistance de l'émetteur ou moins. Le condensateur doit être conçu pour s'adapter à la fréquence la plus basse amplifiée. Le condensateur d'un amplificateur audio couvrant 20 Hz à 20 kHz serait :
Notez que la résistance interne de l'émetteur rEE n'est pas contournée par le condensateur de contournement.
Biais du diviseur de tension
Une polarisation d'émetteur stable nécessite une alimentation de polarisation de base basse tension, illustrée ci-dessous. L'alternative à une alimentation de base VBB est un diviseur de tension basé sur l'alimentation du collecteur VCC.
La polarisation du diviseur de tension remplace la batterie de base par un diviseur de tension.
La technique de conception consiste d'abord à élaborer une conception de polarisation de l'émetteur, puis à la convertir en configuration de polarisation du diviseur de tension en utilisant le théorème de Thevenin. [TK1] Les étapes sont représentées graphiquement dans la figure ci-dessous. Dessinez le diviseur de tension sans attribuer de valeurs. Détachez le diviseur de la base. (La base du transistor est la charge.) Appliquez le théorème de Thevenin pour obtenir une seule résistance équivalente à Thevenin Rth et une source de tension Vth.
Le théorème de Thevenin convertit le diviseur de tension en alimentation simple Vth et en résistance Rth.
La résistance équivalente Thevenin est la résistance du point de charge (flèche) avec la batterie (VCC) réduite à 0 (masse). En d'autres termes, R1||R2. La tension équivalente Thevenin est la tension en circuit ouvert (charge supprimée). Ce calcul se fait par la méthode du rapport de division de tension. R1 est obtenu en éliminant R2 de la paire d'équations pour Rth et Vth. L'équation de R1 est en termes de quantités connues Rth, Vth, Vcc. Notez que Rth est RB, la résistance de polarisation de la conception de polarisation de l'émetteur. L'équation pour R2 est en termes de R1 et Rth.
Convertissez cet exemple précédent de polarisation d'émetteur en polarisation de diviseur de tension.
Exemple de polarisation de l'émetteur converti en polarisation du diviseur de tension.
Ces valeurs ont été préalablement sélectionnées ou calculées pour un exemple de biais d'émetteur
La substitution de VCC , VBB , RB donne R1 et R2 pour la configuration de polarisation du diviseur de tension.
R1 est une valeur standard de 220K. La valeur standard la plus proche pour R2 correspondant à 38,8k est 39k. Cela ne change pas suffisamment IE pour que nous puissions le calculer. Exemples de problèmes 1. Calculez les résistances de polarisation pour l'amplificateur cascode dans la figure ci-dessous. VB2 est la tension de polarisation pour l'étage à émetteur commun. VB1 est une tension assez élevée à 11,5 car nous voulons que l'étage de base commune maintienne l'émetteur à 11,5-0,7 =10,8 V, soit environ 11 V. (Ce sera 10 V après avoir pris en compte la chute de tension sur RB1.) C'est-à-dire que l'étage de base commune est la charge, remplaçant une résistance, pour le collecteur de l'étage d'émetteur commun. Nous désirons un courant d'émetteur de 1mA.
Biais pour un amplificateur cascode.
2. Convertissez les résistances de polarisation de base de l'amplificateur cascode en résistances de polarisation de diviseur de tension pilotées par le VCC de 20 V.
Le schéma de circuit final est présenté dans le chapitre « Circuits analogiques pratiques », « Amplificateur cascode de classe A . . . " cascode, Ch 9 .
AVIS :
- Voir la figure ci-dessous.
- Sélectionnez la configuration du circuit de polarisation
- Sélectionnez RC et IE pour l'application prévue. Les valeurs pour RC et IE devraient normalement régler la tension de collecteur VC à 1/2 de VCC.
- Calculez la résistance de base RB pour obtenir le courant d'émetteur souhaité.
- Recalculer le courant d'émetteur IE pour les résistances de valeur standard si nécessaire.
- Pour la polarisation du diviseur de tension, effectuez d'abord des calculs de polarisation de l'émetteur, puis déterminez R1 et R2.
- Pour les amplificateurs AC, un condensateur de dérivation en parallèle avec RE améliore le gain AC. Réglez XC≤0.10RE pour la fréquence la plus basse.
Résumé des équations de polarisation.
FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :
- Fiche de travail sur les amplificateurs BJT de classe A
Technologie industrielle