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Les composants actifs : les transistors (partie 2)

L'électronique pour le musicien partie 8

Dans le dernier article, nous traitions du fonctionnement d’un transistor. Cette semaine, nous allons conclure cette exploration du petit composant à trois pattes en essayant de comprendre comment il peut être mis à profit pour l’amplification d’un signal.

L'électronique pour le musicien partie 8 : Les composants actifs : les transistors (partie 2)
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Nous avions conclu en décri­vant deux modes de fonc­tion­ne­ment du tran­sis­tor.

  • En premier, celui que j’avais nommé par analo­gie « robi­net », c’est-à-dire un fonc­tion­ne­ment de type commu­ta­tion, où la tension Base-Emet­teur (Vbe) permet de lais­ser passer ou de bloquer le courant qui arrive au collec­teur du tran­sis­tor (noté Ic). C’est un mode d’uti­li­sa­tion binaire (tout ou rien).
  • En second, une utili­sa­tion dans laquelle la varia­tion de la tension Vbe implique une varia­tion simi­laire du courant Ic. Ainsi un signal audio (qui est une tension variable) appliqué à la base du tran­sis­tor créera une varia­tion du courant Ic « en miroir » à sa sortie.

Nous allons main­te­nant, dans la première partie de cet article, explo­rer un montage ampli­fi­ca­teur typique pour tenter d’ana­ly­ser sa morpho­lo­gie de base.

Montage en émet­teur commun

Une première expli­ca­tion s’im­pose : comme on l’avait vu ici la tension se mesure toujours entre deux points dans un circuit. Le point où l’état de charge élec­trique est stable se nomme la masse, et il consti­tue souvent le point de réfé­rence (le 0V) contre lequel mesu­rer les tensions dans le circuit.

Dans un montage en émet­teur commun, l’émet­teur du tran­sis­tor sera relié à la masse.

NB : Dans l’es­pace réel du circuit, la masse n’est pas litté­ra­le­ment un seul point, mais de nombreux endroits (pistes, câbles, châs­sis de l’ap­pa­reil) tous reliés entre eux, et dont la charge élec­trique est donc égale.

Pour commen­cer, présen­tons côte à côte la repré­sen­ta­tion graphique d’un tran­sis­tor pola­risé vu la semaine dernière et le schéma élec­trique qui corres­pon­drait à ce montage :

transistor NPN

Et main­te­nant, trans­cri­vons-le sous la forme d’un vrai circuit, avec une alimen­ta­tion. Il me semble qu’au point où nous en sommes de ces articles, nous avons déjà vu assez de symboles sché­ma­tiques (résis­tance, conden­sa­teur…) pour que les plus débu­tants puissent abor­der un schéma simple :

Montage emetteur commun

Montage en émet­teur commun

Qu’est-ce qu’on voit ? Au centre, un tran­sis­tor. Il est orienté avec :  

  • La base sur la gauche, qui sert d’en­trée pour le signal audio (Vin). Ce signal « ressort » en haut, au niveau du collec­teur (Vout).
  • L’émet­teur en bas, relié à la masse à travers une résis­tance (dites résis­tance d’émet­teur, ou Re) et un conden­sa­teur.
  • Le collec­teur en haut, qui reçoit une tension d’ali­men­ta­tion (ici nommée Vcc, la tension exacte n’est pas spéci­fiée) au travers de la résis­tance de collec­teur (Rc). Nous verrons la fonc­tion de cette résis­tance plus tard.

Où sont passés nos deux géné­ra­teurs de tension conti­nue ? Pour le collec­teur, le géné­ra­teur 1 a été remplacé par la source de tension +Vcc (derrière laquelle se cache une alimen­ta­tion), et grâce aux résis­tances R1 et R2, qui forme ce qu’on appelle un pont divi­seur de tension (voire enca­dré ci-dessous), on obtient une seconde tension spéci­fique pour la base (géné­ra­teur 2).

La tension obte­nue à ce point central est en fait la fameuse tension Vbe (la tension base-émet­teur, qui corres­pond à la pola­ri­sa­tion de la première jonc­tion PN – cf. article de la semaine dernière). Rappe­lez-vous : c’est Vbe qui génère le courant qui atteint la base (Ib), celui-ci géné­rant le plus grand courant connec­teur (Ic).

Pour l’ins­tant, notre circuit n’est pas en train de trai­ter un signal. Vbe sert donc à fixer ce que l’on nomme le courant de repos : des courants base et collec­teur fixe, qui sont en place hors injec­tion d’un signal. Nous avons donc un montage stable, géné­rant un courant Ib (faible) et un courant Ic (plus impor­tant).

NB : Il faut préci­ser que chacun de ces courants rencontre une résis­tance à la sortie du tran­sis­tor (Ib rencontre R2, Ic rencontre RC). Un courant qui rencontre une résis­tance génère une tension aux bornes de cette résis­tance (phéno­mène modé­li­sée par la loi d’Ohm). Ces deux tensions résul­tant des courants Ib et Ic viennent s’ajou­ter aux tensions de pola­ri­sa­tions déjà présentes au niveau de la base et du collec­teur.

Main­te­nant, que ce passe-t-il si l’on injecte un signal audio à la base ? Eh bien, il se super­pose à cette tension conti­nue Vbe et la fait varier : on se retrouve avec une tension alter­na­tive super­po­sée à une tension conti­nue.

Alors, on revient ici à ce que l’on avait déjà expliqué : lorsque Vbe varie, le courant Ib et le courant Ic varient aussi. On a donc main­te­nant, en sortie, un courant variable (qui imite les varia­tions de Vbe) au niveau du collec­teur. Ce courant rencontre Rc et génère une tension aux bornes de cette résis­tance. Cette tension est donc simi­laire à Vbe : elle repro­duit exac­te­ment les varia­tions du signal audio d’ori­gine, à ceci près que son ampli­tude a été augmen­tée par le tran­sis­tor (puisqu’elle est géné­rée par le plus courant ampli­fié Ic). 

Le signal a été ampli­fié !

Il faut toute­fois indiquer que ce montage, s’il four­nit un gain impor­tant, a aussi pour consé­quence de dépha­ser le signal à 180°.

D’autres types de montages ?

Il existe deux autres types de montages basiques. Logique, puisqu’un tran­sis­tor possède trois bornes ! On les nomme donc respec­ti­ve­ment : collec­teur commun et base commune. Passons les rapi­de­ment en revue :

Collecteur commun

Pour le montage collec­teur commun (aussi appelé émet­teur-suiveur), on remarque :

  • Encore une fois à gauche la base, qui sert d’en­trée
  • L’émet­teur en bas, relié à la masse à travers la résis­tance Re. Cette fois-ci le signal sort par l’émet­teur. Le conden­sa­teur (C2) a pour but de bloquer le courant continu présent à l’émet­teur tout en lais­sant passer le signal.
  • Le collec­teur en haut, qui reçoit une tension d’ali­men­ta­tion (Vcc) au travers de la résis­tance de collec­teur (Rc).

 Ce montage ne permet pas d’am­pli­fier la tension, seule­ment le courant. On parle de « gain unitaire » (le signal ressort non-ampli­fié, exac­te­ment comme il est entré). Toute­fois, il présente l’avan­tage de ne pas dépha­ser le signal, et d’avoir une impé­dance de sortie très basse. Il consti­tue ce que l’on nomme un ampli­fi­ca­teur tampon (ou buffer en anglais), c’est à dire qu’il permet de préser­ver la qualité du signal en s’adap­tant faci­le­ment à n’im­porte quel type de charge (dit plus simple­ment : peu importe ce que vous bran­chez derrière, le signal sera a priori préservé).

Voici main­te­nant un montage en base commune :

Base commune 

  • À gauche la base ne sert plus d’en­trée, elle est reliée à la masse à travers R2 et C1. La tension Vbe est toujours assu­rée grâce au pont divi­seur R1-R2.
  • L’émet­teur en bas, sert désor­mais d’en­trée pour le signal à travers C2.
  • Le collec­teur en haut reçoit toujours une tension d’ali­men­ta­tion Vcc à travers Rc. La sortie du signal se fait à travers C3

Ce montage est presque tota­le­ment simi­laire au montage émet­teur commun, à ceci prêt que le signal entre par l’émet­teur, et que la base est reliée à la masse (à travers le conden­sa­teur C1). Les parti­cu­la­ri­tés de ce circuit tiennent à son absence de dépha­sage, et à sa très faible impé­dance d’en­trée.

L’am­pli­fi­ca­tion, c’est Béta

Lorsque vous regar­dez les infor­ma­tions données pour un tran­sis­tor, par son construc­teur, vous remarquez un certain nombre de spéci­fi­ca­tions maxi­males (courant collec­teur max (Ic max), tension base-émet­teur max (Vbe max), etc. ) qui indiquent les seuils à ne pas fran­chir sous peine de destruc­tion du compo­sant. 

Les fiches tech­niques indiquent égale­ment un facteur nommé hFE. Il s’agit du facteur de gain (le nombre par lequel le signal d’en­trée est multi­plié). On le nomme égale­ment Béta mais la nota­tion anglo­phone hFE est deve­nue courante. Que recouvre cette notion ? Nous avions parlé la semaine dernière de l’effet tran­sis­tor, qui permet l’am­pli­fi­ca­tion : hFE mesure à quel point un tran­sis­tor donné peut ampli­fier, à quel point son effet tran­sis­tor est impor­tant.

Il est impor­tant de noter, en ce qui concerne hFE, que le nombre four­nit par un construc­teur est plutôt donné à titre indi­ca­tif. En effet, il existe divers facteurs de varia­tions. Sur un même modèle et un même construc­teur, le hFE varie souvent d’un tran­sis­tor à l’autre. Il est donc néces­saire, pour des appli­ca­tions où une certaine préci­sion est requise de tester chaque tran­sis­tor avant son instal­la­tion. À noter égale­ment, hFE a tendance à varier selon la tempé­ra­ture du compo­sant lors de son utili­sa­tion.

D’autres types de tran­sis­tors ?

Pour finir cet article, je vais passer très rapi­de­ment en revue d’autres types de tran­sis­tors, hors des modèles bipo­laires NPN et PNP que nous avons étudiés jusqu’ici. Certaines de ces tech­no­lo­gies auront droit à un article plus long dans le futur, mais je ne pour­rais pas conclure un article sur les tran­sis­tors sans ce résumé malheu­reu­se­ment trop succinct :

  • Darling­ton : il s’agit en fait d’un montage spéci­fique, toute­fois on trouve des tran­sis­tors Darling­ton fabriqués tel quel : c’est-à-dire un compo­sant inté­grant deux tran­sis­tors dans un seul boîtier (voir symbole ci-dessous) . L’in­té­rêt du tran­sis­tor Darling­ton est son facteur de gain élevé (le produit du hFE des deux tran­sis­tors).

Darlington

  • FET : il s’agit de l’acro­nyme anglais de field effect tran­sis­tor, nommé en français tran­sis­tor à effet de champ. Il a trois broches, nommées respec­ti­ve­ment Gate (ou Porte ou Grille), Drain et Source. Il existe en deux pola­ri­tés : N-chan­nel ou P-chan­nel (cf. symbole ci-dessous). Son fonc­tion­ne­ment est assez analogue à celui d’une valve : lorsqu’on applique une tension au Gate, celui-ci produit un champ élec­trique qui « ouvre » ou « ferme » le passage du courant dans le canal formé entre la Source et le Drain. Ce canal peut-être chargé posi­ti­ve­ment ou néga­ti­ve­ment (d’où les appel­la­tions N- et P-chan­nel). Comme pour les tran­sis­tors bipo­laires, il existe trois montage de base : source commune, drain commun et gate commun.

JFET et MOSFET

 Les tran­sis­tors à effet de champ se répar­tissent en diffé­rentes caté­go­ries, liées aux maté­riaux qui les composent (JFET, MOSFET), avec des quali­tés diffé­rentes qui les rendent plus adap­tés à telle ou telle appli­ca­tion. Ils feront l’objet d’un futur article dans cette série, car ils présentent d’ex­cel­lentes quali­tés pour le domaine audio.

Allez, c’est fini pour cette semai­ne… La semaine prochaine : les ampli­fi­ca­teurs opéra­tion­nels !

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