TP 3 - Étude du transistor bipolaire : polarisation et amplification de ...

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TP 3 - Étude du transistor bipolaire : polarisation et amplification de
petits signaux dans la bande passante


Le but essentiel de ce T.P. est de maîtriser les problèmes de
polarisation par pont et d'étudier un montage élémentaire particulier (le
montage émetteur commun) ; il est clair que des études similaires
pourraient être menées sur les montages collecteur commun et base commune.

Soient les montages suivants :

[pic]

- Ces montages sont étudiés à vide (sans résistance d'utilisation) ; le
montage 1 est un montage émetteur commun (la résistance RE étant découplée
par la capacité CE) ; si l'on déconnecte la capacité CE il devient un
montage à charge répartie (montage 1bis).
- Les transistors sont des transistors npn 2N 3904. On se reportera à la
fiche constructeur donnée dans le classeur (dans la salle de TP). Les
valeurs typiques du gain en courant ( sont comprises entre 100 et 400. Pour
les applications numériques, on prendra VBE = 0,6V.
- Les capacités sont suffisamment grandes pour ne pas trop limiter la bande
passante à basse fréquence. On utilisera les valeurs suivantes:

Cle = Cls = 1 µF CE = 100 µF

- La tension d'alimentation est E = 20 V

I- Préparation

I.1 Etude de la stabilité du point de polarisation

a) Calcul préliminaire

1) Détermination de la droite d'attaque.

Donner le schéma équivalent de Thévenin du pont de base formé par les
résistances R1, R2 et la source de tension E, vu par le transistor entre la
base et la masse. On notera Rth et Eth la résistance et la source de
tension de Thévenin équivalentes.

Dessiner le nouveau schéma vu par les signaux de polarisation (en utilisant
le modèle de Thévenin précédent).

En déduire l'expression de la droite d'attaque fournissant l'expression de
IC en fonction de VBE, RE, ?, Rth et Eth.

2) Détermination de la droite de charge statique.

Déterminer l'expression de la droite de charge statique (droite IC=f(VCE)
imposée par le circuit externe).

b) Caractérisation d'un point de polarisation imposé.
Le but de cette étude est de savoir caractériser un point de polarisation
et d'analyser ses performances.
On se donne toutes les résistances de polarisation suivantes:

RC = 1 k( , RE = 180 ( , R1 = 47 k( et R2 = 10 k(

- Tracer la droite de charge statique.
- A l'aide des droites d'attaque et de charge, déterminer le point de
polarisation (ICo, VCEo) pour les valeurs de gain suivantes : (=100, (=250
et (=400.
- Placer ces points de polarisation sur la droite de charge.

Quel est l'inconvénient de ce point de polarisation ? On pourra comparer
dans chaque cas RE et Rth/?

c) Dimensionnement d'un pont de base avec le point de polarisation imposé
au milieu de la droite de charge statique
Le but de cette partie est de savoir déterminer les résistances qu'il faut
prendre pour assurer un point de polarisation stable, au milieu de la
droite de charge statique, peu dépendant du gain en courant ?.
On décide d'adopter RC = 10 k( et RE = 2,2 k(.

- Tracer la droite de charge statique. En déduire le point de polarisation
situé au milieu de cette droite de charge (le milieu concerne le courant).
- D'après l'expression de la droite d'attaque, donner une condition à
respecter pour obtenir un point de polarisation peu dépendant du gain en
courant ?.

On va calculer les valeurs de R1 et de R2 dans les deux cas suivants :





[pic] (cas 1) et [pic] (cas 2)

Pour chaque cas :
- Déterminer Rth.
- Déterminer Eth
- En déduire R1 et R2
- Déterminer le courant circulant dans les résistances de pont (on
pourra négliger le courant de base).
- Evaluer la puissance dissipée dans chaque résistance du pont.

Quel est selon vous l'inconvénient du second choix par rapport au premier ?

I.2 Étude de l'amplification de signaux sinusoïdaux dans la bande passante

Pour chacun des montages (1 et 1 bis) :

a) Faire le schéma équivalent petits signaux dans la bande passante (les
capacités de liaison et de découplage sont alors considérées comme des
courts-circuits).
b) Tracer la droite de charge dynamique et trouver l'amplitude maximale
sans distorsion que l'on peut obtenir pour la sortie (dynamique de sortie).
Le transistor doit rester en régime de fonctionnement normal : VCE>0 et
IC>0.
c) Déterminer l'expression théorique et la valeur numérique (on prendra ( =
150) de l'amplification en tension [pic], de la résistance d'entrée Re, et
de la résistance de sortie RS.
Pour les applications numériques, on prendra les valeurs du I.1.c cas 1.
d. Comparer les résultats obtenus pour les deux montages.

II - Manipulation
III.
II.1 Etude de la polarisation

a) Avec résistances de polarisation imposées (montage I.1.b)

- Réaliser le montage 1 avec les valeurs de RC, RE, R1 et R2 données au I-1-
b.
- Caractériser le point de repos par des mesures convenables.
- Refaire les mesures avec plusieurs transistors (de ( nettement différent)
ou comparer aux résultats d'un autre binôme ou observer l'évolution des
mesures lorsqu'on chauffe légèrement le transistor. Quelle est l'origine
des variations observées du point de repos ? Conclure sur la sensibilité du
montage.
- Enlever la capacité de découplage. Que constatez vous vis à vis de la
polarisation ?


b) Avec le point de polarisation imposé au milieu de la droite de charge
statique


- Réaliser le montage 1 avec les valeurs de RC, RE, R1 et R2 données au I-1-
c cas 1.
- Caractériser à nouveau le point de repos et vérifier par exemple sa
stabilité en température; correspond-il au point que l'on s'était fixé ?

Dans la suite du TP on conservera ces valeurs de composants pour la
polarisation


II.2 Etude dans la bande passante.
Pour chaque montage (1 et 1bis) se placer dans la bande passante.

Etude en petits signaux :
- Pour une amplitude de signal n'introduisant pas de distorsion en sortie,
mesurer Re et Rs, ainsi que le module et la phase de l'amplification soit
[pic] et (Av .
- Comparer aux valeurs calculées.
- Mesurer la valeur de la fréquence de coupure basse du montage.
- Comparer les performances des deux montages.

Etude en grands signaux :
Pour le montage à charge répartie :
Augmenter l'amplitude des signaux.
- Quelle est l'amplitude maximale du signal d'entrée permettant de
conserver un signal sinusoïdal en sortie ? Quelle est l'amplitude du signal
de sortie correspondant ?
- On fera le lien entre la droite de charge, le point de polarisation, le
gain et les déformations constatées
- Où se situent le blocage et la saturation ?
- Est-ce la saturation ou le blocage qui apparaît en premier ? (On
justifiera essentiellement en s'aidant de la forme des signaux.). Justifier
en vous aidant de la droite de charge et du point de polarisation. On
justifiera également les valeurs numériques des déformations.

Pour le montage à émetteur commun découplé, on vérifiera juste l'allure des
courbes de sortie (justification du blocage et de la saturation,
justification des valeurs des tensions au blocage et à la saturation).