Le transistor : montage à collecteur en commun (CC)

Le montage à collecteur en commun est la troisième configuration fondamentale possible à base d'un transistor bipolaire BJT en électronique qui complète les deux autres montages ; le montage à base commune (BC) et le montage à émetteur en commun (EC). Ce montage est généralement utilisé dans des circuits particuliers tels que :

• Gain en courant élevé : lorsque la valeur $\beta$ est suffisamment grand, le courant $I_C$ est élevé puisque le courant $I_C= \beta \cdot I_B$​. Ce type de montage, appelé aussi émetteur suiveur, sert principalement à l'amplification du courant, sans amplification significative de la tension.
• Adaptation d'impédance : ce montage est utilisé pour relier deux blocs ayant des charges différentes (appelées aussi impédances) : une à l'entrée ayant une forte impédance, une à la sortie de faible valeur.

Dans la suite de ce cours, nous allons étudier ensemble comment fonctionne ce montage, ses caractéristiques électriques, son gain en courant et tension ainsi que vous présenter les principales applications.

Pourquoi le collecteur en commun ?

Un transistor ne dispose que de 3 pattes (appelées aussi broches ou en anglais pins). L'installer dans un montage nécessite donc la mise en commun de l'une de ses trois broches. Le montage à collecteur commun permet donc la réalisation d'une fonction électrique, appelée aussi un étage électrique, avec :

• une entrée entre la base et le collecteur, et,
• une sortie prise depuis l'émetteur et le collecteur.

Pour mieux comprendre ce mode de fonctionnement, le schéma fonctionnel ci-dessous nous l'explique cela :

Schéma du montage CC

Comme présenté ci-dessus, un montage d'un transistor avec son collecteur mis en commun (cc) est un montage dont le collecteur forme une jonction entre son entrée et sa sortie. Le transistor reçoit le signal d’entrée \(u_e\) sur sa base \(B\) et fournit un signal amplifié \(u_s\) à partir de son émetteur \(E\). Pour polariser le transistor, deux résistances $R_1$ et $R_2$ sont installées comme le montre le schéma ci-dessous pour fixer la tension de la base $V_B$ afin qu’il fonctionne correctement.

Il est à noter que :

• ce transistor, monté en montage à collecteur commun représente un étage amplificateur, appelé aussi montage émetteur suiveur. Le signal $U_{entrée}$ injecté dans ce montage alimente la base du transistor, qui agit comme une commande pour contrôler la quantité de courant qui traverse ce composant de son collecteur vers son émetteur. Comme nous l'avons expliqué dans les précédents cours, la base d'un transistor est la manette du robinet qui contrôle la quantité d'énergie qui le traverse.
• la résistance $R_C$ montée entre la source d'alimentation $V_{cc}$ et le collecteur est installée pour fixer la tension du collecteur et ainsi créer une chute de tension liée au courant qui traverse le collecteur. Ce qui permet de transformer les variations du courant $I_C$ en variations de tension de sortie $U_{CE}$ ou $U_{sortie}. En appliquant la loi d'Ohm, lorsque le courant $I_C$ varie, la tension entre le collecteur et l'émetteur varie également. Cette variation constitue la valeur de la tension à la sortie de ce montage à l'entrée du condensateur $C_{out}$.
• le condensateur $C_{in}$, appelé aussi condensateur de liaison, permet de filtrer la composante continue et ne laisse passer que les variations du signal électrique. Ce composant participe aussi à l'élimination des basses fréquences de ce montage.

En mode collecteur commun (CC), le transistor peut servir de fonction tampon (appelée aussi buffer) pour adapter des impédances et fournir davantage de courant à une charge si nécessaire, à condition que les niveaux logiques restent compatibles si nous le faisons opérer dans ces deux régimes bloqué et saturé.

Dans la suite de ce document, nous allons nous focaliser sur le régime actif du transistor : son régime linéaire. Soit donc le montage d'un amplificateur à émetteur commun.

Le régime actif : l'amplification 

Quand on fait varier la tension base-émetteur légèrement, le courant de collecteur $I_C$ varie aussi dans la région active du transistor puisque d'après ce que nous avons vu dans la section "Les différentes relations de courant dans un transistor" de notre cours "Le transistor : les relations entre les différents courants", le courant  $I_C = \beta \times I_B$ . Cette variation entraîne impérativement la chute de la tension au niveau de la résistance $R_C$, sachat que la tension $V_{cc}$ est fixe. Pour valider cette relation, vous pouvez écrire d'après la loi des mailles, l'équation mathématique suivante :

$$U_{sortie}=V_{CC}-U_{RC}=V_{CC}-(R_C\times I_C)$$

Ce qui nous permet de confirmer les deux cas de figure ci-dessous :

• $I_B$ diminue : la tension aux bornes de la résistance $R_C$ diminue, la tension de sortie $U_{CE}$ augmente.
• $I_B$ augmente : la tension aux bornes de la résistance $R_C$ augmente, tension de sortie $U_{CE}$ diminue.

Ainsi, le courant $I_B$ agit sur le courant du collecteur $I_C$, ce qui entraîne sa diminution si le courant de la base diminue et inversement. Cette variation amplifiée, dite aussi émetteur-suiveur ou suiveur de tension, représente la fonction amplification.

Gain en tension (A_v)

La principale caractéristique de cet étage est son apport en tension; noté par $A_v$. Dans un circuit électrique, cette grandeur indique le nombre de fois que la tension de sortie est amplifiée par rapport la tension d'entrée telle que :

$$A_v=\frac{U_{sortie}}{U_{entrée}} = \frac{U_{RE} + U_{CE}}{U_{in}}$$

Gain en courant (A_i)

Comme un transistor fournit un gain en tension, il fournit aussi un gain en courant. Ce gain, lié directement au coefficient d'amplification du courant $\beta$ (noté aussi $h_{FE}$), est le plus souvent élevé. En mettant en valeur la relation entre les deux courants $I_C$ et $I_B$ dans un transistor, nous pouvons donc écrire le gain en courant $\beta$ tel que :

$$\beta = \frac{I_C}{I_B}$$

Gain en puissance (A_p)

Dans un circuit électrique, le gain en puissance, soit ce soit en courant ou en tension, peut être déterminé afin de caractériser la capacité du circuit à amplifier le signal d’entrée ou, au contraire, à ne pas amplifier. Ce gain en puissance est défini comme suit :

$$A_p = \frac{P_{out}}{P_{in}}$$

Et puisque ce montage à base de collecteur en commun peut fournir un gain en tension et/ou un gain en courant, en général la valeur du gain de ce type de montage est importante.

Voir aussi

Pour une meilleure assimilation de nos cours, nous vous invitons à réviser les cours ci-dessous :

• les relations entre les différents courants
• montage en base commune (BC)
• montage en émetteur en commun (EC)