Le transistor : montage à base commune (BC)

Un transistor bipolaire, appelé aussi transistor transistor bipolaire à jonction (BJT), peut être utilisé selon plusieurs configurations, dont l'une est le montage à base commune. Chaque type de montage possède ses propres caractéristiques particulières. Après avoir étudié ensemble le premier montage à émetteur commun, nous allons découvrir et détailler durant ce cours le montage à base commune (BC).

Pour ce type de montage ; transistor à base commune, se distingue par :

• l'entrée est appliquée entre la base et l'émetteur, tandis que,
• la sortie est récupérée entre la base et le collecteur.

Cette modélisation modifie les caractéristiques principales du circuit à base d'un transistor; principalement le gain en courant, le gain en tension et de la phase du signal. Vous pouvez mettre ce type de montge lorsque vous recherchez à mettre en place une solution à:

• un gain en tension important,.
• une adaptation d'impédence entrée/sortie.

Nous notons aussi que ce montage est principalement adapté pour un fonctionnement à hautes fréquences puisque l'entrée et la sortie du circuit se fait via deux condensateurs $C_{in}$ et $C_{out}$.

Pourquoi la base en commun ?

Puisque qu'un transistor n'a que 3 broches, comme nous l'avons découvert dans le premier cours portant sur les transistors, un montage à base commune permet de créer un montage électrique avec des caractéristiques particulières telles que :

• le gain en courant électrique est légèrement inférieur  à 1 ($A_i \approx 1$),
• un gain en tension important,
• une faible impédance à son entrée et une impédance importante à la sortie de l'étage,
• pas d'inversion de phase entre l'entrée et la sortie (la tension de sortie est en phase par rapport à la tension d'entrée)

Ainsi, en mettant en commun la connexion "base" entre le circuit d'entrée et le circuit de sortie, nous pouvons modéliser le schéma fonctionnel ci-dessous pour ce type de montage :

Ainsi, le signal d'entrée est appliqué entre la base et l'émetteur, et le signal de sortie est récupéré entre le collecteur et la base. Pour découvrir ce type de montage, nous vous invitons à découvrir le montage ci-dessous :

Le signal d'entrée est injecté dans le circuit à travers un condensateur au niveau l'émetteur du transistor et le signal à la sortie ; le signal résultant de cet étage à base commune, est récupérer aussi à travers un condensateur depuis le collecteur du transistor.

Ces deux condensateurs sont généralement appelés condensateurs de liaison ou condensateurs de couplage. Leurs rôles est de bloquer la composante continue et de ne laisser passer que le signal alternatif.

Comme tout transistor, les courants du transistor sont liés, et d'après la loi des nœuds, par la relation suivante :

$$I_E = I_C + I_B$$

Ce qui nous donne, encore une fois, un courant entrant à l’émetteur et traverse le transistor pour se diviser en deux courants ; le courant de l'émetteur $I_E$ et celui de la base $I_B$ dont une grande partie est orientée vers le collecteur et une faible quantité de courant électrique sort par la base.

Le régime actif : l’amplification

Comme indiqué ci-dessus, une des caractéristiques de ce montage BC est le gain important en tension. Or en régime actif, le transistor fonctionne comme un amplificateur.

Une petite variation du signal appliqué à l’entrée provoque une variation correspondante du courant du transistor, d'où son faible gain en courant. Par contre, cette variation peut ensuite produire une variation de tension plus importante au niveau de la sortie.

Ainsi, le courant de l'émetteur commande le courant de collecteur. Définissons donc le gain en courant tel que : $$\alpha = \frac{I_C}{I_E}$$

avec $\alpha$ légèrement inférieure à 1 voire proche de 1.

 En régime continu (DC)

Lorsqu'on applique un courant continu à l'entrée de ce montage, les deux condensateurs $C_{in}$ et $C_{out}$ se comportent comme des circuits ouverts, ce qui bloque le passage du courant électrique; soit la composante continue de notre signal vers et depuis le transistor. Ce qui nous donne $U_{out}$ :

Ce régime est appelé aussi le régime repos pour ce montage.

En régime dynamique (AC)

Maintenant, lorsqu'on injecte un signal alternatif ayant une fréquence considérée, les deux condensateurs de liaison $C_{in}$ et $C_{out}$ de ce circuit se comportent comme des circuits fermés, assimilé à un court-circuit, ce qui nous donne $Z_{Cout}\approx 0$ ($Z_C$ représente l'impédence du condensateur). Ce qui nous donne :

Gain en tension (A_v)

L'une des caractéristiques les plus importantes de ce type de montage est amplification en tension, soit donc son gain en tension; que nous allons noter $A_v$. Cette grandeur s'écrit comme suit :

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

Prenons comme exemple un montage à base d'un transistor à base commune, si la valeur maximale de la variation de $U_{CE}=851.4mV$ et la valeur fournie à l'entrée de cet étage est de $U_{in}=0.01V$, nous pouvons écrire :

$$A_v=\frac{\Delta U_{sortie}}{\Delta U_{entrée}} = \frac{851.4mV}{0.01V} = \frac{851.4mV}{10mV} = 85.14 \approx 85$$

Soit donc un gain de 85 fois, soit la valeur de son facteur d'amplification, sans inversion de polarité puisque la valeur $A_v$ est positive.

Gain en courant (A_i)

Un système basé sur un transistor monté en base commune fournit aussi un gain en courant, qui n'est jamais élevé, et qui est légèrement inférieur à 1. D'après le cours des relations entre les différents courants dans un transistor, nous définissons le gain en courant $\alpha$ comme suit :

$$\alpha=\frac{I_c}{I_e}$$

Or, le gain en courant d'un transistor est le rapport entre le courant fourni à sa sortie par rapport au courant injecté à son entrée tel que :

$$A_i=\frac{I_c}{I_e}$$

Ce qui nous donne :

$$A_i \approx \alpha \approx 1 $$

puisque pour un montage BC, le gain en courant est proche de 1. Ce qui signifie que ce type de montage n'est pas utilisé pour amplifier le courant électrique.

Gain en puissance (A_p)

Comme tout système électrique, un système électrique présente toujours un gain en puissance. Soit donc une comparaison entre la puissance disponible en sortie à celle fournie à son l’entrée. Ce gain en puissance $A_p$ s'écrit comme suit :

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

Et comme la puissance du système dépend à la fois de son  gain en tension et de son gain en courant, il est également possible d'écrire :

$$A_p = A_v x Ai$$

Ainsi, ce montage en base commune (BC) fournit un gain de puissance > 1, puisque son gain en tension élevé est élevé (une des caractéristiques de ce montage).

L'absence d'inversion de phase

La particularité de ce montage BC par rapport au montage à émetteur commun (EC) est la non-inversion de phase entre l'entrée et la sortie. Autrement dit, lorsque le signal d'entrée augmente, le signal de sortie augmente et lorsque le signal d'entrée diminue, le signal de sortie diminue aussi.

On dit que le signal de sortie est en phase avec le signal d'entrée.