MESURE SUR LES TRANSISTORS

# MESURE SUR LES TRANSISTORS ## 10- Mesures sur les circuits à transistor bipolaire en régime linéaire et de commutation (partie 1) ### Introduction Bienvenue à cette première partie du cours sur les mesures des circuits à transistor bipolaire. Le transistor bipolaire (BJT) est un composant fondamental de l'électronique, utilisé aussi bien comme amplificateur que comme interrupteur. Pour concevoir, analyser ou dépanner un circuit à BJT, il est essentiel de maîtriser les techniques de mesure. Cette leçon vous introduira aux concepts de base et aux méthodes de mesure pour caractériser le fonctionnement d'un BJT en régime linéaire (ou actif) et vous donnera un aperçu du régime de commutation. Une compréhension solide de ces mesures est cruciale pour valider les simulations et assurer le bon fonctionnement de vos circuits. ### Concepts Clés #### Rappel sur le Transistor Bipolaire (BJT) Le transistor bipolaire est un composant semi-conducteur à trois bornes : l'émetteur (E), la base (B) et le collecteur (C). Il existe deux types principaux : NPN et PNP. ##### Structure et Bornes * **NPN :** Le courant conventionnel circule de la base vers l'émetteur (\( I_B \)) et du collecteur vers l'émetteur (\( I_C \)). L'émetteur est la borne de référence. * **PNP :** Le courant conventionnel circule de l'émetteur vers la base (\( I_B \)) et de l'émetteur vers le collecteur (\( I_C \)). ##### Régimes de Fonctionnement Un BJT peut opérer dans l'un des trois régimes principaux, chacun ayant des caractéristiques différentes : * **Régime de Coupure (Cut-off) :** Le transistor est bloqué, il ne conduit pas. \( I_B \) est nul ou très faible, \( I_C \) est quasi nul. Le transistor agit comme un interrupteur ouvert. * **Régime Linéaire (Actif) :** Le transistor amplifie le signal d'entrée. C'est le régime utilisé pour les amplificateurs. \( I_C \) est proportionnel à \( I_B \). * **Régime de Saturation (Saturation) :** Le transistor est complètement passant. Il ne peut plus amplifier. \( I_C \) atteint sa valeur maximale. Le transistor agit comme un interrupteur fermé. ##### Relations Fondamentales (en régime actif pour un NPN) * **Relation des courants :** Le courant d'émetteur est la somme des courants de base et de collecteur. \[ I_E = I_B + I_C \] * **Gain en courant (\( eta \) ou \( h_{FE} \)) :** Le courant de collecteur est proportionnel au courant de base. \[ I_C = eta I_B \] La valeur de \( eta \) varie typiquement de 50 à 300. * **Tension Base-Émetteur (\( V_{BE} \)) :** Pour un BJT au silicium passant, \( V_{BE} \) est généralement autour de \( 0.7V \). #### Mesures en Régime Linéaire (Actif) En régime linéaire, le BJT est utilisé comme amplificateur. Les mesures visent à caractériser son point de fonctionnement statique (DC) et sa réponse dynamique (AC). ##### Détermination du Point de Fonctionnement Statique (Q-point) Le point de repos ou Q-point (Quiescent point) est l'ensemble des courants et tensions continues du transistor en l'absence de signal d'entrée. Il est essentiel pour garantir que le transistor reste en régime linéaire. * **Mesure des courants :** Utilisez un ampèremètre en série pour mesurer \( I_B \), \( I_C \) et \( I_E \). * **Mesure des tensions :** Utilisez un voltmètre en parallèle pour mesurer \( V_{BE} \), \( V_{CE} \) et \( V_{CB} \). * **Matériel nécessaire :** Multimètre (en mode ampèremètre et voltmètre), alimentation DC. * **Calculs associés (exemple pour un montage émetteur commun) :** \[ I_B = rac{V_{BB} - V_{BE}}{R_B} \] \[ I_C = eta I_B \] \[ V_{CE} = V_{CC} - I_C R_C \] Ces calculs permettent de prédire le Q-point qui sera ensuite vérifié par mesure. ##### Mesures en Régime Dynamique (Petits Signaux) Lorsque le transistor est soumis à un signal d'entrée variable (AC), on s'intéresse à ses caractéristiques d'amplification. * **Gain en tension (\( A_v \)) :** C'est le rapport de la tension de sortie sur la tension d'entrée. \[ A_v = rac{V_{out}}{V_{in}} \] Pour le mesurer, appliquez un signal sinusoïdal de faible amplitude à l'entrée et utilisez un oscilloscope pour mesurer l'amplitude crête-à-crête ou RMS des tensions d'entrée et de sortie. Assurez-vous que le transistor reste en régime linéaire. * **Impédances d'entrée et de sortie (\( Z_{in}, Z_{out} \)) :** * \( Z_{in} \) indique la résistance que le circuit présente à la source de signal. * \( Z_{out} \) indique la résistance que le circuit présente à la charge connectée à la sortie. Ces impédances sont importantes pour l'adaptation d'impédance et le transfert de puissance. Leur mesure peut être complexe et implique souvent l'utilisation d'un générateur de fonctions et de résistances de charge/source connues, ou d'analyseurs de réseau. * **Matériel nécessaire :** Oscilloscope, générateur de fonctions, multimètre AC. #### Mesures en Régime de Commutation (Introduction) En régime de commutation, le transistor agit comme un interrupteur, alternant entre l'état bloqué (coupure) et l'état passant (saturation). Ce régime est fondamental pour les circuits logiques et les alimentations à découpage. * **Application :** Les BJT sont utilisés comme interrupteurs électroniques pour commander des charges (relais, LED, moteurs). * **États de coupure et de saturation :** * **Coupure :** \( I_B \) est nul (ou insuffisant), \( I_C \) est nul, \( V_{CE} \) est proche de la tension d'alimentation (\( V_{CC} \)). * **Saturation :** \( I_B \) est suffisant pour que \( I_C \) soit maximal, \( V_{CE} \) est très faible (tension de saturation \( V_{CE(sat)} \), typiquement \( 0.1V \) à \( 0.3V \)). * **Mesures des temps de commutation (aperçu) :** Lorsque le transistor passe d'un état à l'autre, cela ne se fait pas instantanément. On mesure des temps tels que : * **Temps de montée (\( t_r \)) :** Temps pour passer de 10% à 90% de la tension de sortie. * **Temps de descente (\( t_f \)) :** Temps pour passer de 90% à 10% de la tension de sortie. * **Temps de stockage (\( t_s \)) :** Délai dû à l'accumulation de charges en base avant que le transistor ne commence à se bloquer. * **Matériel nécessaire :** Oscilloscope rapide, générateur de fonctions produisant des signaux carrés. ### Vocabulaire * **Transistor Bipolaire (BJT) :** Composant semi-conducteur à trois bornes (base, collecteur, émetteur) capable d'amplifier ou de commuter des signaux. * **Régime Linéaire (Actif) :** État de fonctionnement où le BJT amplifie un signal d'entrée. * **Régime de Coupure :** État où le BJT est bloqué (équivalent à un interrupteur ouvert). * **Régime de Saturation :** État où le BJT est complètement passant (équivalent à un interrupteur fermé). * **Point de Fonctionnement Statique (Q-point) :** Point de repos DC (courants et tensions) d'un transistor en l'absence de signal AC. * **Gain en courant (\( eta \) ou \( h_{FE} \)) :** Rapport du courant de collecteur sur le courant de base (\( I_C / I_B \)). * **Gain en tension (\( A_v \)) :** Rapport de la tension de sortie sur la tension d'entrée (\( V_{out} / V_{in} \)). * **Impédance d'entrée (\( Z_{in} \)) :** Résistance apparente que présente l'entrée d'un circuit à la source de signal. * **Impédance de sortie (\( Z_{out} \)) :** Résistance apparente que présente la sortie d'un circuit à la charge. * **Oscilloscope :** Instrument de mesure permettant de visualiser des signaux électriques en fonction du temps. * **Générateur de fonctions :** Instrument produisant divers types de signaux électriques (sinusoïdal, carré, triangulaire). * **Multimètre :** Instrument polyvalent mesurant la tension, le courant et la résistance. ### Exemples #### Exemple 1: Détermination et Mesure du Q-point Considérons un montage émetteur commun avec les valeurs suivantes : \( V_{CC} = 12V \), \( R_C = 2.2k\[\Omega\] \), \( R_B = 100k\[ ext{k}\\Omega\] \), \( V_{BE} = 0.7V \), et \( eta = 100 \). 1. **Calcul théorique :** * Courant de base : \[ I_B = rac{V_{CC} - V_{BE}}{R_B} = rac{12V - 0.7V}{100k\[\Omega\]} = rac{11.3V}{100000\[\Omega\]} = 0.113mA \] * Courant de collecteur : \[ I_C = eta I_B = 100 imes 0.113mA = 11.3mA \] * Tension collecteur-émetteur : \[ V_{CE} = V_{CC} - I_C R_C = 12V - (11.3mA imes 2.2k\[\Omega\]) = 12V - 24.86V \] * **Problème détecté :** \( V_{CE} \) est négatif, ce qui indique que le transistor serait en saturation et que les formules pour le régime actif ne sont pas valides telles quelles pour trouver \( V_{CE} \) si \( I_C R_C \) dépasse \( V_{CC} \). Le transistor serait saturé. Refaisons le calcul avec des valeurs réalistes pour l'exemple en régime linéaire. *Correction de l'exemple pour rester en régime linéaire* : Soit \( R_B = 220k\[\Omega\] \) et \( R_C = 1k\[\Omega\] \). * Courant de base : \[ I_B = rac{V_{CC} - V_{BE}}{R_B} = rac{12V - 0.7V}{220k\[\Omega\]} = rac{11.3V}{220000\[\Omega\]} hickapprox 0.0514mA \] * Courant de collecteur : \[ I_C = eta I_B = 100 imes 0.0514mA = 5.14mA \] * Tension collecteur-émetteur : \[ V_{CE} = V_{CC} - I_C R_C = 12V - (5.14mA imes 1k\[\Omega\]) = 12V - 5.14V = 6.86V \] Le Q-point théorique est : \( I_B = 0.0514mA \), \( I_C = 5.14mA \), \( V_{CE} = 6.86V \). 2. **Mesure pratique :** * Montez le circuit sur une plaque d'expérimentation. * Utilisez un multimètre pour mesurer les courants \( I_B \) et \( I_C \) en l'insérant en série dans les branches correspondantes. Assurez-vous de débrancher l'alimentation avant de modifier le circuit. * Utilisez le multimètre pour mesurer les tensions \( V_{BE} \) et \( V_{CE} \) en le plaçant en parallèle entre les bornes. * Comparez les valeurs mesurées aux valeurs calculées. Les petites différences sont dues aux tolérances des composants et aux caractéristiques réelles du BJT. #### Exemple 2: Mesure du Gain en Tension Reprenons le montage de l'exemple 1 avec le Q-point calculé. Supposons que nous ayons une configuration d'amplificateur émetteur commun avec un couplage AC. On applique un signal sinusoïdal d'entrée \( V_{in} \) de 100mV crête-à-crête à 1kHz. 1. **Procédure :** * Connectez le générateur de fonctions à l'entrée du circuit d'amplification. * Connectez le canal 1 de l'oscilloscope à l'entrée du circuit pour mesurer \( V_{in} \). * Connectez le canal 2 de l'oscilloscope à la sortie du circuit (borne collecteur) pour mesurer \( V_{out} \). * Ajustez la base de temps et les échelles de tension sur l'oscilloscope pour visualiser clairement les deux signaux. * Mesurez l'amplitude crête-à-crête de \( V_{in} \) et \( V_{out} \) directement sur l'oscilloscope. 2. **Calcul du gain :** * Si \( V_{in(peak-to-peak)} = 100mV \) et \( V_{out(peak-to-peak)} = 2V \), alors : \[ A_v = rac{V_{out(peak-to-peak)}}{V_{in(peak-to-peak)}} = rac{2V}{0.1V} = 20 \] Le gain en tension de cet amplificateur est de 20. ### Exercices 1. Un transistor NPN est polarisé de telle sorte que \( I_B = 50\[ ext{µ}\\text{A}\] \) et \( I_C = 8mA \). Calculez le \( eta \) (ou \( h_{FE} \)) de ce transistor. Dans quel régime de fonctionnement se trouve-t-il probablement si \( V_{CE} = 5V \) et \( V_{CC} = 10V \) ? 2. Décrivez la procédure étape par étape pour vérifier que le point de fonctionnement statique d'un transistor dans un circuit est bien en régime linéaire à l'aide d'un multimètre. 3. Vous observez à l'oscilloscope qu'un amplificateur à BJT produit une tension de sortie déformée (écrêtée) alors que la tension d'entrée est un signal sinusoïdal non déformé. Quelle pourrait être la cause principale de cette déformation en termes de régime de fonctionnement du transistor ? ### Devoir 1. Recherchez la fiche technique (datasheet) d'un transistor NPN courant comme le BC547. Identifiez les valeurs typiques de \( eta \) (ou \( h_{FE} \)), \( V_{CE(sat)} \) et la tension \( V_{BE} \) qu'il supporte. Expliquez l'importance de ces paramètres. 2. Proposez un schéma de montage de base pour un BJT fonctionnant comme interrupteur pour allumer une LED de 20mA. Justifiez le choix des résistances de base et de collecteur pour assurer la saturation du transistor. 3. Expliquez pourquoi le gain en courant \( eta \) d'un transistor peut varier avec la température et décrivez les implications de cette variation sur la stabilité du point de fonctionnement d'un amplificateur. ### Résumé Dans cette première partie, nous avons exploré les fondements des mesures sur les transistors bipolaires. Nous avons rappelé les régimes de fonctionnement et les relations fondamentales des BJT. L'accent a été mis sur les mesures en régime linéaire, incluant la détermination du point de fonctionnement statique (Q-point) par la mesure des courants et tensions continues, ainsi que la caractérisation dynamique par la mesure du gain en tension et l'introduction aux impédances d'entrée/sortie. Nous avons également effleuré le régime de commutation et l'importance des temps de commutation. La maîtrise de ces techniques est essentielle pour l'analyse, la conception et le dépannage des circuits électroniques à base de transistors. Dans la prochaine partie, nous approfondirons les mesures en régime de commutation et d'autres aspects avancés. ## 11- Mesures sur les circuits à transistor bipolaire en régime linéaire et de commutation (partie 2) ### Introduction Bienvenue à cette deuxième partie de notre leçon sur les mesures des circuits à transistor bipolaire. Après avoir abordé les bases de la polarisation et l'identification des régimes de fonctionnement, nous allons aujourd'hui nous concentrer sur des mesures plus avancées. Nous explorerons la caractérisation des transistors en régime linéaire (amplification) en mesurant le gain et les impédances, ainsi que les mesures cruciales des temps de commutation lorsque le transistor fonctionne comme un interrupteur. Une bonne maîtrise de ces techniques est essentielle pour la conception et le dépannage des circuits électroniques. ### Concepts Clés #### Mesures en Régime Linéaire (Amplification) Le régime linéaire est celui où le transistor agit comme un amplificateur, reproduisant le signal d'entrée avec une amplitude supérieure sans distorsion significative. Les mesures clés dans ce régime concernent la performance de l'amplification. ##### 1. Vérification du Point de Polarisation (Point Q) Avant toute mesure en régime linéaire, il est crucial de s'assurer que le transistor est correctement polarisé. Cela se fait en mesurant les tensions continues clés avec un multimètre: * **Tension Collecteur-Émetteur (\(V_{CE}\))**: Mesurée entre le collecteur et l'émetteur. Elle doit être à peu près au milieu de la plage dynamique de l'amplificateur pour permettre une excursion maximale du signal sans saturation ni blocage. * **Tension Base-Émetteur (\(V_{BE}\))**: Pour un transistor au silicium, elle est typiquement autour de 0,6V à 0,7V en régime passant. * **Tension Collecteur (\(V_C\))** et **Émetteur (\(V_E\))** par rapport à la masse. ##### 2. Mesure du Gain en Tension (\(A_v\)) Le gain en tension est le rapport entre l'amplitude de la tension de sortie et l'amplitude de la tension d'entrée. Il est généralement mesuré pour un signal sinusoïdal. * **Procédure :** 1. Appliquer un petit signal sinusoïdal (ex: 10 mV crête à crête, 1 kHz) à l'entrée du circuit à l'aide d'un générateur de fonctions. 2. Utiliser un oscilloscope pour visualiser simultanément le signal d'entrée (\(V_{in}\)) et le signal de sortie (\(V_{out}\)). 3. Mesurer les amplitudes crête à crête (ou RMS) des deux signaux. 4. Calculer le gain en tension : \[ A_v = \frac{V_{out}}{V_{in}} \] *Le gain peut également être exprimé en décibels (dB):* \[ A_v(dB) = 20 \log_{10}(A_v) \] ##### 3. Mesure des Impédances d'Entrée (\(Z_{in}\)) et de Sortie (\(Z_{out}\)) * **Impédance d'Entrée (\(Z_{in}\))** : Résistance que le circuit présente à la source de signal. * **Procédure :** 1. Appliquer un signal sinusoïdal connu (\(V_{s}\)) via une résistance en série connue (\(R_{s}\)) à l'entrée du circuit. 2. Mesurer la tension aux bornes de l'entrée du circuit (\(V_{in}\)) avec l'oscilloscope. 3. Calculer le courant d'entrée \(I_{in} = \frac{V_s - V_{in}}{R_s}\). 4. L'impédance d'entrée est alors : \[ Z_{in} = \frac{V_{in}}{I_{in}} \] (ou utiliser une méthode plus simple avec un pont diviseur de tension). * **Impédance de Sortie (\(Z_{out}\))** : Résistance interne que le circuit de sortie présente à la charge connectée. * **Procédure :** 1. Appliquer un signal d'entrée qui produit une tension de sortie mesurable (\(V_{out, sans charge}\)). 2. Connecter une résistance de charge (\(R_L\)) variable ou connue à la sortie. 3. Mesurer la nouvelle tension de sortie (\(V_{out, avec charge}\)). 4. Calculer \(Z_{out}\) en utilisant la formule : \[ Z_{out} = R_L \left( \frac{V_{out, sans charge}}{V_{out, avec charge}} - 1 \right) \] Une autre méthode consiste à trouver la valeur de \(R_L\) pour laquelle \(V_{out, avec charge}\) est la moitié de \(V_{out, sans charge}\). Dans ce cas, \(Z_{out} = R_L\). ##### 4. Caractérisation en Fréquence (Bande Passante) La bande passante d'un amplificateur est la gamme de fréquences sur laquelle le gain reste relativement constant. Elle est définie par les fréquences de coupure supérieure (\(f_H\)) et inférieure (\(f_L\)). * **Procédure :** 1. Régler le générateur de fonctions à une fréquence de référence (ex: 1 kHz) et ajuster l'amplitude du signal d'entrée pour obtenir un gain maximal sans distorsion. 2. Maintenir la tension d'entrée constante et faire varier la fréquence du générateur. 3. Mesurer la tension de sortie à différentes fréquences. 4. Les fréquences de coupure (\(f_L\) et \(f_H\)) sont les fréquences où la puissance de sortie est réduite de moitié, ce qui correspond à une réduction de la tension de sortie de \(1/\sqrt{2}\) (environ 0.707) par rapport au gain maximal. En dB, cela représente une chute de -3 dB. \[ V_{out}(f_{coupure}) = \frac{V_{out,max}}{\sqrt{2}} \approx 0.707 \times V_{out,max} \] #### Mesures en Régime de Commutation (Interrupteur) En régime de commutation, le transistor fonctionne comme un interrupteur, passant rapidement de l'état bloqué (OFF) à l'état saturé (ON) et vice-versa. Les mesures les plus importantes concernent les vitesses de transition. ##### 1. Vérification des États Bloqué et Saturé * **État Bloqué (OFF)** : Quand la tension de base (\(V_B\)) est faible (ou nulle pour un NPN), le transistor ne conduit pas. On doit mesurer un courant collecteur (\(I_C\)) très faible (proche de zéro) et \(V_{CE}\) proche de la tension d'alimentation (\(V_{CC}\)). * **État Saturé (ON)** : Quand une tension de base suffisante est appliquée (pour un NPN, \(V_{BE}\) > 0.7V et \(I_B\) suffisant), le transistor est complètement conducteur. On doit mesurer \(V_{CE}\) très faible (quelques dizaines à centaines de millivolts, appelée \(V_{CE,sat}\)) et un courant collecteur maximal (limitée par la charge et les résistances du circuit). ##### 2. Mesure des Temps de Commutation Ces temps sont cruciaux pour les applications à haute fréquence ou les circuits logiques. Ils sont mesurés à l'aide d'un oscilloscope avec un signal carré ou impulsionnel en entrée. * **Signal d'entrée (\(V_{in}\))** : Une impulsion carrée avec des fronts raides (temps de montée/descente faibles). * **Signal de sortie (\(V_{out}\))** : Tension au collecteur (\(V_C\)) ou aux bornes de la charge. * **Temps de Délai (\(t_d\))** : Temps écoulé entre l'instant où le signal d'entrée atteint 10% de sa valeur finale et l'instant où le signal de sortie atteint 90% de son état initial (pour un front montant en entrée qui cause une chute en sortie). * **Temps de Montée (\(t_r\))** : Temps nécessaire pour que le signal de sortie passe de 10% à 90% de sa valeur finale lors d'une transition (ex: de l'état bas à l'état haut). * **Temps de Stockage (\(t_s\))** : Temps additionnel après la chute du signal d'entrée où le transistor reste en saturation en raison des charges stockées dans la base. C'est le temps entre 90% de la chute de l'entrée et 90% du début de la remontée de la sortie (pour un front descendant en entrée). * **Temps de Descente (\(t_f\))** : Temps nécessaire pour que le signal de sortie passe de 90% à 10% de sa valeur finale lors d'une transition (ex: de l'état haut à l'état bas). ##### 3. Temps de Propagation Ces temps sont souvent dérivés des temps de commutation et caractérisent le délai global du circuit. * **Temps de propagation bas-haut (\(t_{PLH}\))** : Délai entre l'application d'un signal d'entrée et la transition de sortie de l'état bas à l'état haut. \[ t_{PLH} = t_d + t_r \] (approximativement, selon les définitions spécifiques des points de mesure). * **Temps de propagation haut-bas (\(t_{PHL}\))** : Délai entre l'application d'un signal d'entrée et la transition de sortie de l'état haut à l'état bas. \[ t_{PHL} = t_s + t_f \] (approximativement). #### Outils et Techniques de Mesure * **Multimètre Numérique (DMM)** : Indispensable pour les mesures de tensions continues (VCC, VBE, VCE) et de courants continues (IC, IB). Pour les résistances de polarisation. * **Générateur de Fonctions** : Fournit des signaux d'entrée (sinusoïdaux pour le régime linéaire, carrés pour le régime de commutation) avec des fréquences et amplitudes variables. * **Oscilloscope Numérique** : L'outil le plus critique. Permet de visualiser les formes d'onde d'entrée et de sortie, de mesurer leurs amplitudes, leurs phases et surtout les temps de commutation avec précision. Les fonctions de curseurs temporels et de mesure automatique sont très utiles. * **Sondes d'Oscilloscope** : Utiliser des sondes compensées (souvent 10:1) pour minimiser l'influence sur le circuit et obtenir des mesures précises. ### Vocabulaire * **Point de Polarisation (Point Q)** : Le point de fonctionnement stable d'un transistor en courant continu, autour duquel les signaux alternatifs sont amplifiés. * **Gain en Tension (\(A_v\))** : Rapport de l'amplitude de la tension de sortie sur l'amplitude de la tension d'entrée d'un amplificateur. * **Impédance d'Entrée (\(Z_{in}\))** : Mesure de l'opposition d'un circuit au courant alternatif à son entrée. Elle est importante pour l'adaptation d'impédance. * **Impédance de Sortie (\(Z_{out}\))** : Mesure de l'opposition d'un circuit au courant alternatif à sa sortie. Elle affecte la tension fournie à la charge. * **Bande Passante** : Gamme de fréquences où l'amplificateur fonctionne efficacement, avec un gain proche de son maximum. * **Fréquences de Coupure (-3 dB)** : Fréquences aux limites de la bande passante où le gain en puissance a diminué de moitié (ou le gain en tension de 0.707 de sa valeur maximale). * **Temps de Commutation** : Ensemble des délais (\(t_d, t_r, t_s, t_f\)) qui caractérisent la vitesse à laquelle un transistor peut passer d'un état à un autre (bloqué à saturé ou vice-versa). * **Temps de Délai (\(t_d\))** : Temps entre le début du front d'entrée et le début de la réaction du signal de sortie. * **Temps de Montée (\(t_r\))** : Temps pour que le signal de sortie passe de 10% à 90% de son amplitude lors d'une transition ascendante. * **Temps de Stockage (\(t_s\))** : Délai causé par la persistance de charges dans la base lorsque le transistor est éteint. * **Temps de Descente (\(t_f\))** : Temps pour que le signal de sortie passe de 90% à 10% de son amplitude lors d'une transition descendante. ### Exemples Pratiques #### Exemple 1: Mesure du gain d'un amplificateur à émetteur commun On dispose d'un amplificateur à émetteur commun. Pour mesurer son gain en tension : 1. On applique un signal sinusoïdal de 10 mV crête-à-crête à 1 kHz à l'entrée avec le générateur de fonctions. 2. À l'oscilloscope, on visualise le signal d'entrée (sonde CH1) et le signal de sortie (sonde CH2). 3. Supposons que \(V_{in, pp} = 10 \text{ mV}\) et \(V_{out, pp} = 500 \text{ mV}\). 4. Le gain en tension est \(A_v = \frac{500 \text{ mV}}{10 \text{ mV}} = 50\). 5. En dB, \(A_v(dB) = 20 \log_{10}(50) \approx 34 \text{ dB}\). #### Exemple 2: Mesure des temps de commutation d'un interrupteur à transistor Pour un transistor utilisé comme interrupteur : 1. On applique un signal carré de 0V à 5V, à 10 kHz, avec des fronts très raides (temps de montée/descente < 10 ns) à la base du transistor (via une résistance appropriée). 2. On observe la tension au collecteur (\(V_{CE}\)) à l'oscilloscope. 3. Avec les curseurs de l'oscilloscope, on mesure les intervalles de temps entre les points 10% et 90% des transitions du signal de sortie (collecteur) par rapport au signal d'entrée (base). * On pourrait obtenir : \(t_d = 20 \text{ ns}\), \(t_r = 50 \text{ ns}\) lors de la mise en conduction. * Et \(t_s = 100 \text{ ns}\), \(t_f = 60 \text{ ns}\) lors du blocage. 4. Ces valeurs sont cruciales pour déterminer la fréquence maximale à laquelle le transistor peut commuter sans distorsion significative ou perte de performance. ### Exercices 1. Décrivez la procédure pour mesurer l'impédance de sortie d'un amplificateur à transistor. 2. Expliquez pourquoi le temps de stockage (\(t_s\)) est particulièrement important dans les applications de commutation à haute fréquence. 3. Un amplificateur à transistor a un gain en tension de 80. Quel est ce gain exprimé en décibels? 4. Lors de la mesure de la bande passante, si la tension de sortie maximale est de 2V, quelle tension de sortie indique la fréquence de coupure (-3 dB)? 5. Quels outils de mesure utiliseriez-vous pour vérifier si un transistor est en état de saturation ou de blocage, et quelles seraient les lectures typiques? ### Devoir 1. Recherchez et expliquez l'impact de la capacité parasite Base-Collecteur (\(C_{BC}\)) sur la bande passante d'un amplificateur à transistor. (Indice : effet Miller). 2. Proposez un protocole détaillé pour mesurer la fréquence de coupure inférieure (\(f_L\)) d'un amplificateur à couplage RC, en précisant les branchements et les réglages des instruments. 3. Un circuit à transistor doit commuter un courant de 500 mA. Il a les temps de commutation suivants : \(t_d = 15 \text{ ns}\), \(t_r = 40 \text{ ns}\), \(t_s = 80 \text{ ns}\), \(t_f = 35 \text{ ns}\). Si le cycle de travail est de 50%, estimez la fréquence maximale à laquelle ce transistor peut commuter sans que les temps de commutation n'occupent une part trop importante de la période. 4. Comment l'ajout d'une résistance de charge très faible affecterait-il le gain en tension et l'impédance de sortie d'un amplificateur? ### Résumé Cette leçon a approfondi les techniques de mesure des circuits à transistor bipolaire. Nous avons vu que pour le **régime linéaire (amplification)**, il est essentiel de mesurer le point de polarisation, le gain en tension \(A_v\), les impédances d'entrée et de sortie (\(Z_{in}\), \(Z_{out}\)), et de caractériser la réponse en fréquence (bande passante et fréquences de coupure). Pour le **régime de commutation (interrupteur)**, la vérification des états bloqué/saturé et la mesure précise des temps de commutation (\(t_d, t_r, t_s, t_f\)) sont primordiales pour évaluer la vitesse de réponse du transistor. L'utilisation combinée du multimètre, du générateur de fonctions et de l'oscilloscope est indispensable pour réaliser ces mesures avec exactitude. Une bonne compréhension de ces concepts et techniques vous permettra d'analyser et de conceoptimiser les performances des circuits à transistors dans de nombreuses applications. ## 12- Mesures sur les circuits à transistor bipolaire en régime linéaire et de commutation (partie 3) ### Introduction Bienvenue à cette troisième partie de notre leçon sur les mesures des circuits à transistor bipolaire. Après avoir exploré les mesures en régime statique et l'analyse de base en régime dynamique, nous allons aujourd'hui nous concentrer sur des aspects plus avancés, notamment les performances en fréquence, les temps de commutation et l'interprétation de signaux complexes. Comprendre ces mesures est crucial pour concevoir et dépanner des circuits à transistors fonctionnant à des fréquences élevées ou dans des applications de commutation rapide. ### Concepts Clés #### Mesures en Régime Dynamique Avancées ##### Fréquence de Coupure (Bande Passante) La fréquence de coupure, souvent notée \( f_c \), est la fréquence à laquelle le gain en tension du transistor chute à \( \frac{1}{\sqrt{2}} \) (ou -3 dB) de sa valeur maximale en bande passante moyenne. Il existe une fréquence de coupure basse et une fréquence de coupure haute. Pour les transistors, on s'intéresse souvent à la fréquence de coupure haute, qui limite les performances à haute fréquence. * **Mesure de \( f_c \)**: On injecte un signal sinusoïdal de niveau constant à l'entrée et on fait varier sa fréquence. On mesure le gain en tension \( A_v = \frac{V_{sortie}}{V_{entrée}} \) en fonction de la fréquence. La fréquence où \( A_v = A_{v,max} \times \frac{1}{\sqrt{2}} \) est la fréquence de coupure. * **Produit Gain-Bande Passante (\( f_T \))**: Pour les transistors, \( f_T \) est la fréquence à laquelle le gain en courant du transistor tombe à l'unité. C'est une caractéristique importante du transistor lui-même, indépendante du circuit. ##### Temps de Commutation Lorsqu'un transistor est utilisé comme interrupteur (en régime de commutation), il ne passe pas instantanément de l'état bloqué à l'état saturé, et inversement. Ces transitions prennent du temps, appelés temps de commutation. * **Temps de montée (\( t_r \))**: Temps nécessaire pour que le signal de sortie passe de 10% à 90% de sa valeur finale lors de la transition ON. * **Temps de descente (\( t_f \))**: Temps nécessaire pour que le signal de sortie passe de 90% à 10% de sa valeur finale lors de la transition OFF. * **Délai de propagation (\( t_{pd} \))**: Temps total entre l'application du signal d'entrée et la réponse du signal de sortie. Ces temps sont mesurés à l'aide d'un oscilloscope et d'un générateur de fonctions générant des signaux carrés. #### Mesures de Distorsion Harmonique Un transistor en régime linéaire peut introduire des distorsions si le signal d'entrée est trop grand ou si le point de polarisation n'est pas optimal. La distorsion harmonique est la génération de fréquences multiples (harmoniques) du signal fondamental d'entrée. * **Mesure**: On utilise un analyseur de spectre pour visualiser le contenu fréquentiel du signal de sortie. Un signal sinusoïdal pur en entrée devrait donner une seule raie fréquentielle en sortie (le fondamental). La présence d'autres raies indique des harmoniques. * **Taux de Distorsion Harmonique (THD)**: C'est une mesure de la somme de la puissance de toutes les harmoniques par rapport à la puissance du fondamental. Il est exprimé en pourcentage. \[ THD = \frac{\sqrt{V_2^2 + V_3^2 + V_4^2 + ...}}{V_1} \times 100\% \] Où \( V_n \) est l'amplitude RMS de l'harmonique de rang n et \( V_1 \) est l'amplitude RMS du fondamental. #### Impédance d'Entrée et de Sortie en Régime Dynamique Les impédances d'entrée et de sortie d'un circuit à transistor varient avec la fréquence et sont essentielles pour l'adaptation d'impédance entre différents étages. * **Mesure de \( Z_{in} \)**: On applique un signal d'entrée et on mesure la tension d'entrée \( V_{in} \) et le courant d'entrée \( I_{in} \). \( Z_{in} = \frac{V_{in}}{I_{in}} \). * **Mesure de \( Z_{out} \)**: On peut utiliser la méthode de la charge variable ou injecter un signal et mesurer la chute de tension pour un courant connu. ### Vocabulaire * **Fréquence de Coupure (\( f_c \))**: Fréquence à laquelle la puissance du signal est réduite de moitié (ou le gain en tension de -3 dB) par rapport à sa valeur maximale. * **Bande Passante**: Intervalle de fréquences entre les fréquences de coupure basse et haute. * **Temps de Montée (\( t_r \))**: Temps pour qu'un signal passe de 10% à 90% de son amplitude finale. * **Temps de Descente (\( t_f \))**: Temps pour qu'un signal passe de 90% à 10% de son amplitude finale. * **Distorsion Harmonique**: Déformation d'un signal due à l'introduction d'harmoniques (multiples de la fréquence fondamentale). * **Analyseur de Spectre**: Instrument de mesure permettant d'afficher l'amplitude d'un signal en fonction de sa fréquence. * **THD (Total Harmonic Distortion)**: Taux de distorsion harmonique totale, mesure de la pureté d'un signal. ### Exemples #### Exemple 1: Mesure de la Fréquence de Coupure Haute Nous avons un amplificateur à transistor. Pour mesurer sa fréquence de coupure haute, nous connectons un générateur de fonctions à l'entrée et un oscilloscope à la sortie. 1. On règle le générateur sur une fréquence basse (par exemple 1 kHz) et on ajuste l'amplitude pour avoir un signal de sortie non distordu et de référence (\( V_{out,ref} \)). 2. On augmente progressivement la fréquence du générateur tout en maintenant l'amplitude d'entrée constante. 3. On observe la tension de sortie sur l'oscilloscope. Lorsque la tension de sortie chute à \( 0.707 \times V_{out,ref} \) (soit \( \frac{V_{out,ref}}{\sqrt{2}} \)), la fréquence affichée par le générateur est la fréquence de coupure haute \( f_c \). #### Exemple 2: Mesure des Temps de Commutation Considérons un circuit de commutation simple à transistor bipolaire. Nous voulons mesurer ses temps de montée et de descente. 1. On applique un signal carré à l'entrée du circuit avec une fréquence suffisamment basse pour que les transitions soient bien visibles (par exemple 10 kHz). 2. On connecte un oscilloscope à l'entrée et à la sortie du circuit (en mode double trace). 3. On observe la transition du signal de sortie. On utilise les curseurs de l'oscilloscope pour mesurer: * \( t_r \): Le temps entre 10% et 90% de la tension de sortie lors de la transition ascendante. * \( t_f \): Le temps entre 90% et 10% de la tension de sortie lors de la transition descendante. ### Exercices 1. **Calcul de Gain à -3dB**: Un amplificateur a un gain maximal en tension de 20 dB. À quelle fréquence son gain en tension chute-t-il à 17 dB ? Expliquez le concept de fréquence de coupure haute. 2. **Interprétation d'Oscilloscope**: Vous observez sur un oscilloscope la sortie d'un circuit de commutation. Le signal d'entrée est un carré. La tension de sortie passe de 0 V à 5 V. La durée de 0.5 µs est mesurée entre 0.5 V et 4.5 V lors de la transition montante. Quel est le temps de montée \( t_r \) ? 3. **Analyse de Spectre**: Un analyseur de spectre affiche pour un signal de sortie : fondamental à 1 kHz (amplitude 5V), 2ème harmonique à 2 kHz (amplitude 0.5V), 3ème harmonique à 3 kHz (amplitude 0.2V). Calculez le THD pour ces deux harmoniques. (Vous pouvez ignorer les harmoniques supérieures). ### Devoirs 1. **Recherche**: Recherchez trois techniques différentes pour réduire la distorsion harmonique dans un amplificateur à transistor bipolaire. Décrivez brièvement chacune d'elles. 2. **Conception de Mesure**: Proposez un protocole détaillé pour mesurer l'impédance de sortie dynamique d'un amplificateur à transistor. Listez le matériel nécessaire et les étapes à suivre. 3. **Analyse de Fiche Technique**: Trouvez la fiche technique (datasheet) d'un transistor bipolaire de votre choix (par exemple, BC547). Identifiez les paramètres \( f_T \) (ou \( f_{\beta} \) ou \( f_{\alpha} \)) et les temps de commutation typiques (\( t_r, t_f \)) s'ils sont spécifiés. Expliquez leur signification pratique. ### Résumé Dans cette partie 3 des mesures sur les transistors bipolaires, nous avons approfondi les techniques de mesure dynamiques. Nous avons appris à caractériser la réponse en fréquence d'un circuit en mesurant sa **fréquence de coupure** et compris l'importance du **produit gain-bande passante**. Nous avons également vu comment mesurer les **temps de commutation** essentiels pour les applications numériques et les circuits rapides, en utilisant un oscilloscope. Enfin, nous avons abordé la **distorsion harmonique** et le calcul du **THD**, crucial pour évaluer la fidélité d'un amplificateur. Ces compétences sont fondamentales pour l'analyse, la conception et le dépannage de circuits électroniques plus complexes. Les mesures dynamiques nous permettent d'évaluer les limites de performance des transistors dans des conditions réelles de fonctionnement. ## 13- Mesures sur les circuits à transistor bipolaire en régime linéaire et de commutation (partie 4) ### Introduction Bienvenue à cette quatrième partie de notre leçon sur les mesures des circuits à transistor bipolaire. Dans les parties précédentes, nous avons exploré les bases du transistor et ses différents régimes de fonctionnement. Aujourd'hui, nous allons nous concentrer sur les techniques de mesure pratiques et l'interprétation des résultats pour caractériser le comportement d'un transistor bipolaire, que ce soit en régime linéaire (amplification) ou en régime de commutation (interrupteur). L'objectif est de comprendre comment vérifier le bon fonctionnement d'un circuit à transistor, d'identifier les pannes potentielles et de mesurer les paramètres clés qui définissent ses performances. ### Concepts Clés #### I. Mesures en Régime Linéaire (Amplification) Le régime linéaire est celui où le transistor agit comme un amplificateur, reproduisant un signal d'entrée avec un gain. Pour qu'il fonctionne correctement, il doit être polarisé à un "point de repos" stable. ##### A. Mesure du Point de Repos (DC) Le point de repos (ou point Q) est l'état du transistor en l'absence de signal d'entrée. Il est défini par les tensions et courants continus. * **Tensions de polarisation :** * **Tension base-émetteur (V_BE) :** Mesurée entre la base et l'émetteur. Pour un transistor au silicium, cette valeur est typiquement d'environ \( 0.6V \) à \( 0.7V \) en régime passant. Utilisez un voltmètre en mode DC. \[ V_{BE} = V_B - V_E \] * **Tension collecteur-émetteur (V_CE) :** Mesurée entre le collecteur et l'émetteur. Cette tension est cruciale pour déterminer la région de fonctionnement du transistor (linéaire, saturation, blocage). En régime linéaire, \( V_{CE} \) doit être significativement supérieure à \( V_{CE(sat)} \) (tension de saturation) et inférieure à la tension d'alimentation. \[ V_{CE} = V_C - V_E \] * **Courants de polarisation :** * **Courant de base (I_B) :** Généralement très faible, il peut être mesuré en insérant un ampèremètre en série avec la résistance de base, ou calculé si la résistance de base et la tension à ses bornes sont connues. * **Courant de collecteur (I_C) :** Mesuré en insérant un ampèremètre en série avec la résistance de collecteur, ou calculé. \[ I_C = I_E - I_B \] ##### B. Détermination du Gain Statique (\( \beta_{DC} \) ou \( h_{FE} \)) Le gain statique en courant est un paramètre fondamental qui relie le courant de collecteur au courant de base en régime continu. * **Formule :** \[ \beta_{DC} = h_{FE} = \frac{I_C}{I_B} \] * **Mesure :** Après avoir mesuré \( I_C \) et \( I_B \) au point de repos, vous pouvez calculer \( \beta_{DC} \). Certains multimètres disposent d'une fonction pour mesurer directement le \( h_{FE} \) d'un transistor. #### II. Mesures en Régime de Commutation (Interrupteur) En régime de commutation, le transistor fonctionne comme un interrupteur, alternant rapidement entre l'état bloqué (OFF) et l'état saturé (ON). ##### A. Identification des États (Bloqué et Saturé) * **État bloqué (OFF) :** Le transistor est en coupure. Le courant de collecteur \( I_C \) est quasi nul. La tension \( V_{CE} \) est proche de la tension d'alimentation ( \( V_{CC} \) ). * **État saturé (ON) :** Le transistor est en conduction maximale. Le courant de collecteur \( I_C \) est maximal (limité par la charge). La tension \( V_{CE} \) est très faible, appelée tension de saturation \( V_{CE(sat)} \) (typiquement \( 0.1V \) à \( 0.3V \) ). La tension \( V_{BE} \) est également légèrement supérieure à \( 0.7V \), appelée \( V_{BE(sat)} \). ##### B. Mesure des Tensions de Saturation * **\( V_{CE(sat)} \) :** Connectez le transistor en mode saturé (en appliquant une tension suffisante à la base pour le saturer) et mesurez la tension entre le collecteur et l'émetteur avec un voltmètre en mode DC. Une faible valeur (quelques centaines de mV) confirme la saturation. * **\( V_{BE(sat)} \) :** Dans les mêmes conditions, mesurez la tension entre la base et l'émetteur. Elle sera légèrement supérieure à \( 0.7V \). ##### C. Mesure des Temps de Commutation Les temps de commutation sont cruciaux pour évaluer la vitesse d'un transistor dans les applications d'interrupteur. Ils se mesurent à l'aide d'un oscilloscope. * **Conditions de mesure :** Appliquez un signal carré (impulsion) à l'entrée de la base et observez les signaux sur la base (entrée) et le collecteur (sortie) avec un oscilloscope. * **Les différents temps :** * **Temps de retard (\( t_d \)) :** Temps entre le début de l'impulsion d'entrée (50% de l'amplitude) et le début de la chute de la tension de sortie (90% de \( V_{CE} \)). * **Temps de montée (\( t_r \)) :** Temps pour que la tension de sortie descende de 90% à 10% de sa valeur maximale (pour une sortie inverseuse). * **Temps de stockage (\( t_s \)) :** Temps entre la fin de l'impulsion d'entrée (50% de l'amplitude) et le début de la montée de la tension de sortie (10% de \( V_{CE} \)). Le transistor reste saturé pendant ce temps. * **Temps de descente (\( t_f \)) :** Temps pour que la tension de sortie monte de 10% à 90% de sa valeur maximale (pour une sortie inverseuse). \[ \text{Temps de mise en marche (Turn-on time)} = t_d + t_r \] \[ \text{Temps de coupure (Turn-off time)} = t_s + t_f \] #### III. Appareils de Mesure Essentiels * **Multimètre numérique :** Pour les mesures de tensions et courants continus (point de repos, \( V_{CE(sat)} \), \( V_{BE(sat)} \)), et la résistance. * **Oscilloscope :** Indispensable pour visualiser les signaux variables dans le temps et mesurer les temps de commutation et la forme des ondes. * **Générateur de fonctions :** Pour fournir les signaux d'entrée (sinusoïdaux pour le linéaire, carrés pour la commutation). ### Vocabulaire * **Point de Repos (Point Q) :** État de fonctionnement DC d'un transistor en l'absence de signal AC. * **Régime Linéaire :** Région de fonctionnement où le transistor amplifie le signal d'entrée sans distorsion significative. * **Régime de Commutation :** Région de fonctionnement où le transistor agit comme un interrupteur, passant de l'état bloqué à l'état saturé. * **Saturation :** État du transistor où il conduit au maximum, \( V_{CE} \) est minimale.\( V_{CE(sat)} \) est la tension collecteur-émetteur de saturation. * **Blocage (Coupure) :** État du transistor où il ne conduit pas, \( I_C \) est quasi nul, et \( V_{CE} \) est maximale. * **Gain Statique (\( \beta_{DC} \) ou \( h_{FE} \)) :** Rapport du courant de collecteur sur le courant de base en régime continu. * **Temps de Retard (\( t_d \)) :** Délai avant que la sortie ne commence à réagir à l'entrée. * **Temps de Montée (\( t_r \)) :** Temps pour que le signal de sortie passe de 10% à 90% de son amplitude (ou 90% à 10% pour un signal inversé). * **Temps de Stockage (\( t_s \)) :** Temps pendant lequel le transistor reste saturé après la coupure du signal de base. * **Temps de Descente (\( t_f \)) :** Temps pour que le signal de sortie passe de 90% à 10% de son amplitude (ou 10% à 90% pour un signal inversé). ### Exemples #### Exemple 1 : Mesure du point de repos Considérons un circuit avec un transistor NPN. Après montage, vous mesurez avec un multimètre : * \( V_B = 2.7V \) * \( V_E = 2.0V \) * \( V_C = 8.0V \) * Le courant traversant la résistance de base (\( R_B \)) est \( I_B = 100\mu A \). * Le courant traversant la résistance de collecteur (\( R_C \)) est \( I_C = 10mA \). **Calculs :** 1. \( V_{BE} = V_B - V_E = 2.7V - 2.0V = 0.7V \) (confirme la conduction). 2. \( V_{CE} = V_C - V_E = 8.0V - 2.0V = 6.0V \) (indique le régime linéaire car \( V_{CE} \) est bien au-dessus de \( V_{CE(sat)} \) et en-dessous de la tension d'alimentation). 3. \( \beta_{DC} = \frac{I_C}{I_B} = \frac{10mA}{100\mu A} = \frac{10 \times 10^{-3} A}{100 \times 10^{-6} A} = \frac{10000}{100} = 100 \). #### Exemple 2 : Mesure des temps de commutation Vous appliquez un signal carré de 0V à 5V (fréquence 1kHz) à la base d'un transistor configuré en interrupteur. En visualisant la tension \( V_{CE} \) sur l'oscilloscope, vous obtenez le graphique suivant (imaginez une courbe qui chute de \( V_{CC} \) à \( V_{CE(sat)} \) puis remonte) : * L'impulsion de base passe de 0V à 5V à \( t=0 \). * La tension \( V_{CE} \) commence à chuter à \( t = 50ns \) (90% de \( V_{CE(max)} \)). C'est \( t_d \). * La tension \( V_{CE} \) atteint 10% de sa valeur maximale à \( t = 100ns \). * Donc, \( t_r = 100ns - 50ns = 50ns \). * L'impulsion de base repasse à 0V à \( t = 500ns \). * La tension \( V_{CE} \) commence à remonter à \( t = 580ns \) (10% de \( V_{CE(max)} \)). C'est \( t_s \) après la fin de l'impulsion de base. * Donc, \( t_s = 580ns - 500ns = 80ns \). * La tension \( V_{CE} \) atteint 90% de sa valeur maximale à \( t = 610ns \). * Donc, \( t_f = 610ns - 580ns = 30ns \). Ces mesures indiquent les délais et la vitesse de réponse du transistor. ### Exercices 1. Un transistor NPN est polarisé de telle sorte que \( V_B = 3.2V \), \( V_E = 2.5V \) et \( V_C = 7.0V \). Calculez \( V_{BE} \) et \( V_{CE} \). Dans quel régime le transistor est-il susceptible de fonctionner ? Justifiez. 2. Si le courant de base mesuré est \( I_B = 25\mu A \) et le courant de collecteur est \( I_C = 3.75mA \), quel est le gain statique \( \beta_{DC} \) de ce transistor ? 3. Vous observez un signal de sortie d'un circuit à transistor sur un oscilloscope. Lorsque le transistor est saturé, vous mesurez \( V_{CE} = 0.2V \). Lorsque le transistor est bloqué, \( V_{CE} = 12V \). Si un signal carré d'entrée provoque un \( t_d = 20ns \) et un \( t_r = 30ns \), quel est le temps de mise en marche (turn-on time) ? 4. Expliquez la signification pratique d'un temps de stockage \( t_s \) élevé pour un transistor utilisé comme interrupteur. ### Devoirs 1. **Recherche :** Trouvez trois facteurs qui peuvent influencer les temps de commutation d'un transistor bipolaire. Expliquez brièvement comment chaque facteur agit. 2. **Schéma et Mesures :** Dessinez le schéma d'un montage simple de polarisation d'un transistor NPN en régime linéaire. Indiquez où vous placeriez un voltmètre pour mesurer \( V_{BE} \) et \( V_{CE} \), et un ampèremètre pour mesurer \( I_B \) et \( I_C \). 3. **Analyse de Pannes :** Dans un circuit amplificateur à transistor, vous mesurez \( V_{CE} \) très proche de la tension d'alimentation ( \( V_{CC} \) ). Quelles sont les deux causes les plus probables de ce problème ? (Pensez aux états du transistor). 4. **Comparaison :** Pourquoi l'oscilloscope est-il un outil indispensable pour l'analyse des temps de commutation, alors qu'un simple multimètre ne suffit pas ? ### Résumé Dans cette quatrième partie, nous avons approfondi les techniques de mesure pour les transistors bipolaires dans leurs régimes linéaire et de commutation. Nous avons appris à : * Caractériser le **point de repos** en mesurant \( V_{BE} \), \( V_{CE} \), \( I_B \) et \( I_C \) pour vérifier le bon fonctionnement en régime linéaire. * Calculer le **gain statique** \( \beta_{DC} \) à partir des mesures de courants continus. * Identifier les états **bloqué** et **saturé** en mesurant \( V_{CE(sat)} \) et \( V_{BE(sat)} \). * Mesurer les **temps de commutation** (\( t_d, t_r, t_s, t_f \)) à l'aide d'un oscilloscope pour évaluer la vitesse de réponse du transistor en tant qu'interrupteur. La maîtrise de ces mesures est essentielle pour le diagnostic, la conception et l'optimisation des circuits électroniques à base de transistors bipolaires. ## 14- Mesures sur les circuits à transistor bipolaire en régime linéaire et de commutation (partie 5) ### Introduction Bienvenue à la cinquième partie de notre série sur les mesures des circuits à transistor bipolaire. Dans les leçons précédentes, nous avons exploré les fondements du transistor, ses modes de fonctionnement et les mesures de base. Aujourd'hui, nous allons approfondir les techniques de mesure pour analyser le comportement des transistors en régime linéaire (amplification) et en régime de commutation (interrupteur), en nous concentrant sur l'interprétation des résultats pour le diagnostic et l'optimisation des circuits. ### Concepts Clés #### Rappel des Régimes de Fonctionnement Un transistor bipolaire possède trois régimes de fonctionnement principaux, chacun ayant des caractéristiques distinctes que nous pouvons identifier par la mesure: * **Régime linéaire (ou actif):** Le transistor agit comme un amplificateur. Il est polarisé de manière à ce que les variations du courant de base (\[ I_B \]) entraînent des variations proportionnelles du courant de collecteur (\[ I_C \]). La tension collecteur-émetteur (\[ V_{CE} \]) est généralement entre \( V_{CC} \) et la tension de saturation. * **Régime de saturation:** Le transistor agit comme un interrupteur fermé. La jonction base-collecteur est polarisée en direct et le courant de collecteur est maximal, limité principalement par la résistance du collecteur. \( V_{CE} \) est très faible, typiquement autour de 0,1 à 0,3 V (tension de saturation \( V_{CE(sat)} \)). * **Régime de blocage (ou cut-off):** Le transistor agit comme un interrupteur ouvert. Le courant de base est nul (ou très faible), ce qui entraîne un courant de collecteur quasi nul. La tension \( V_{CE} \) est proche de la tension d'alimentation du collecteur \( V_{CC} \). #### Mesures Cruciales pour l'Analyse Pour caractériser le fonctionnement d'un transistor, certaines mesures sont fondamentales: * **Tension base-émetteur (\( V_{BE} \)):** En régime actif, pour un transistor au silicium, \( V_{BE} \) est généralement d'environ 0,7 V. Une valeur anormale peut indiquer un problème de polarisation ou un transistor défectueux. * **Tension collecteur-émetteur (\( V_{CE} \)):** Cette tension est clé pour identifier le régime de fonctionnement: * \( V_{CE} \approx 0,1 ext{ à } 0,3 ext{ V} \) indique la saturation. * \( V_{CE} \approx V_{CC} \) indique le blocage. * \( 0,3 ext{ V} < V_{CE} < V_{CC} \) indique le régime linéaire. * **Courant de base (\( I_B \)) et courant de collecteur (\( I_C \)):** La mesure de ces courants permet de calculer le gain en courant \( eta \) (ou \( h_{FE} \)) du transistor en régime linéaire, où \( I_C = eta imes I_B \). #### Mesures en Régime Linéaire (Amplification) Lorsqu'un transistor est utilisé comme amplificateur, l'objectif est de s'assurer qu'il reste en régime linéaire sur toute la plage de signaux d'entrée. Pour cela, nous mesurons: * **Le point de repos (ou point de polarisation):** Les valeurs de \( I_B \), \( I_C \), \( V_{BE} \) et \( V_{CE} \) en l'absence de signal d'entrée. Un point de repos bien choisi est crucial pour éviter la saturation ou le blocage du signal amplifié. * **Le gain en tension (\( A_V \)):** En appliquant un petit signal alternatif à la base et en mesurant le signal alternatif de sortie au collecteur, le gain \( A_V = rac{V_{out}}{V_{in}} \) peut être déterminé. L'oscilloscope est l'outil idéal pour ces mesures, permettant de visualiser la forme d'onde et de détecter toute distorsion. #### Mesures en Régime de Commutation Dans ce mode, le transistor fonctionne comme un interrupteur, alternant entre le blocage (OFF) et la saturation (ON). Les mesures importantes incluent: * **Vérification des états ON/OFF:** * **État OFF (blocage):** Mesurer \( I_C \) (doit être très proche de zéro) et \( V_{CE} \) (doit être proche de \( V_{CC} \)). * **État ON (saturation):** Mesurer \( V_{CE} \) (doit être proche de \( V_{CE(sat)} \), soit environ 0,1 à 0,3 V) et \( I_C \) (doit être le courant de saturation maximal). * **Temps de commutation:** Avec un oscilloscope, on peut mesurer les temps de montée (\( t_r \)), de descente (\( t_f \)), de retard (\( t_d \)) et de stockage (\( t_s \)). Ces paramètres sont cruciaux dans les applications à haute fréquence pour évaluer la vitesse de commutation du transistor. Les temps de commutation sont mesurés entre des seuils spécifiques du signal (généralement 10% et 90% de l'amplitude). Par exemple, \( t_r \) est le temps pour passer de 10% à 90% du niveau HIGH. #### Dépannage avec les Mesures * **Transistor défectueux:** Si \( V_{BE} \) n'est pas autour de 0,7 V en régime actif, ou si \( V_{CE} \) ne correspond à aucun des régimes attendus malgré une bonne polarisation, le transistor peut être en court-circuit ou ouvert. * **Résistances de polarisation:** Des résistances de polarisation incorrectes ou endommagées peuvent empêcher le transistor d'atteindre le bon point de fonctionnement. Mesurer leur valeur ohmique à l'aide d'un multimètre (hors tension). * **Coupure du signal:** Une distorsion ou une coupure du signal de sortie en régime linéaire indique que le point de repos est mal choisi ou que le signal d'entrée est trop grand, poussant le transistor en saturation ou blocage. ### Vocabulaire * **Régime linéaire:** Mode de fonctionnement où le transistor amplifie un signal sans distorsion majeure. * **Régime de saturation:** État où le transistor est pleinement conducteur, agissant comme un interrupteur fermé. * **Régime de blocage:** État où le transistor est non conducteur, agissant comme un interrupteur ouvert. * **Point de repos (Q-point):** Point de polarisation DC d'un transistor, défini par \( I_B \), \( I_C \) et \( V_{CE} \) sans signal d'entrée. * **Gain en courant (\( eta \) ou \( h_{FE} \)):** Rapport du courant de collecteur sur le courant de base (\( I_C / I_B \)) en régime linéaire. * **Gain en tension (\( A_V \)):** Rapport de la tension de sortie sur la tension d'entrée d'un amplificateur. * **Temps de commutation:** Paramètres (montée, descente, retard, stockage) qui décrivent la vitesse à laquelle un transistor passe d'un état à un autre en régime de commutation. * **Multimètre:** Appareil de mesure capable de mesurer tensions, courants et résistances. * **Oscilloscope:** Instrument permettant de visualiser les formes d'onde des signaux électriques et de mesurer leurs caractéristiques (tension, fréquence, temps). ### Exemples #### Exemple 1: Détermination du Régime de Fonctionnement Considérons un circuit à transistor bipolaire où nous avons mesuré les valeurs suivantes: * \( V_{CC} = 12 ext{ V} \) * \( V_{BE} = 0,7 ext{ V} \) * \( V_{CE} = 1,5 ext{ V} \) **Analyse:** Puisque \( 0,3 ext{ V} < V_{CE} < V_{CC} \) (soit \( 0,3 ext{ V} < 1,5 ext{ V} < 12 ext{ V} \)), et que \( V_{BE} \) est typique d'un transistor au silicium polarisé en direct, le transistor est en **régime linéaire**. #### Exemple 2: Vérification d'un Interrupteur à Transistor Un transistor est utilisé pour allumer/éteindre une LED. Lorsque la base est connectée via une résistance à \( +5 ext{ V} \), nous mesurons \( V_{CE} = 0,2 ext{ V} \). Lorsque la base est connectée à la masse, nous mesurons \( V_{CE} = 5 ext{ V} \). **Analyse:** * Lorsque la base est à \( +5 ext{ V} \), \( V_{CE} = 0,2 ext{ V} \) indique que le transistor est en **saturation** (interrupteur fermé), et la LED est allumée. * Lorsque la base est à la masse, \( V_{CE} = 5 ext{ V} \) (proche de \( V_{CC} \)) indique que le transistor est en **blocage** (interrupteur ouvert), et la LED est éteinte. Le fonctionnement est correct pour un interrupteur. ### Exercices 1. Dans un circuit à émetteur commun avec \( V_{CC} = 10 ext{ V} \), vous mesurez \( V_{BE} = 0,65 ext{ V} \), \( I_B = 50 ext{ µA} \) et \( I_C = 5 ext{ mA} \). a. Calculez le gain en courant \( eta \) du transistor. b. Quel est le régime de fonctionnement du transistor si \( V_{CE} \) est mesuré à \( 0,15 ext{ V} \)? Justifiez. c. Quel serait le régime de fonctionnement si \( V_{CE} \) était de \( 8 ext{ V} \)? Justifiez. 2. Vous utilisez un oscilloscope pour analyser la sortie d'un amplificateur à transistor. Le signal d'entrée (à la base) a une amplitude crête-à-crête de \( 100 ext{ mV} \) et le signal de sortie (au collecteur) a une amplitude crête-à-crête de \( 2,5 ext{ V} \). Calculez le gain en tension \( A_V \) de l'amplificateur. 3. Vous observez un signal carré à la sortie d'un circuit de commutation à transistor. Le temps que le signal met pour passer de 10% à 90% de son niveau haut est de \( 20 ext{ ns} \). Quel paramètre de commutation avez-vous mesuré? Expliquez son importance. ### Devoirs 1. Décrivez les étapes à suivre pour mesurer le point de repos (\( I_C \) et \( V_{CE} \)) d'un transistor en régime linéaire, en utilisant un multimètre. Dessinez un schéma simple montrant où placer les sondes. 2. Expliquez comment l'oscilloscope est un outil plus adapté que le multimètre pour vérifier si un amplificateur à transistor produit de la distorsion dans le signal de sortie. Quels types de distorsions pourriez-vous observer? 3. Recherchez la fiche technique (datasheet) d'un transistor bipolaire commun (par exemple, 2N2222 ou BC547) et identifiez les valeurs typiques de \( V_{CE(sat)} \) et \( h_{FE} \) (\( eta \)). Expliquez pourquoi ces valeurs peuvent varier en fonction du courant de collecteur et de la température. ### Résumé Dans cette partie, nous avons récapitulé l'importance des mesures pour caractériser les transistors bipolaires en régime linéaire et de commutation. Nous avons souligné comment \( V_{BE} \), \( V_{CE} \), \( I_B \) et \( I_C \) sont des indicateurs clés du point de fonctionnement. Nous avons également abordé l'utilisation des oscilloscopes pour l'analyse des signaux en régime d'amplification et la mesure des temps de commutation essentiels. La maîtrise de ces techniques de mesure est fondamentale pour le dépannage et la conception efficace de circuits électroniques à base de transistors.