Le transistor : montage à émetteur en commun (EC)

Ainsi qu'il a été exposé au cours du premier cours dédié aux transistors; quelque soit son type NPN ou PNP, un transistor bipolaire possède trois bornes :

• la base B,
• le collecteur C, et,
• l'émetteur E.

Le montage à émetteur en commun est l'une des configurations les plus importantes en électronique pour un transistor bipolaire BJT. Monté en émetteur en commun permet d'amplifier le signal électrique tel que :

• l'entrée est appliquée entre la base et l'émetteur, tandis que,
• la sortie est récupérée au collecteur par rapport à l'émetteur.

Ce montage fournit un gain en tension et en courant, et la tension de sortie est inversée de 180° par rapport à la tension d'entrée (cette inversion de phase sera détaillée dans la suite de ce cours).

Pourquoi l'émetteur en commun ?

Etant donné que le transistor ne dispose que de 3 broches (appelées aussi pattes ou pins), un montage à émetteur commun, nous permet de réaliser une fonction électrique, que nous pouvons aussi appelée étage électrique, avec 1 entrée, une sortie et une mise à la masse (commune entre l'entrée et la sortie de cet étage). Pour cela, l'émetteur mis en commun entre le circuit d'entrée et le circuit de sortie.

Ainsi, le signal d'entrée est appliqué entre la base et l'émetteur, tandis que le signal de sortie est récupéré entre le collecteur et l'émetteur. Pour mieux comprendre cela, nous vous proposons le montage élémentaire ci-dessous, l'émetteur est relié à la masse à travers une résistance notée \( R_E \) :

Schéma du montage EC

Comme nous l'avons déjà introduit dans le paragraphe précédent, un montage d'un amplificateur à émetteur commun (ec) est un montage dont l'émetteur est mis en commun. Pour encore vous simplifier cela, un montage d'amplification classique contient moins de composant que ce premier montage. Il est généralement composé d'un transistor, d'une alimentation \( V_{cc} \), d'une résistance de collecteur \( R_C \) et d'une source de signal à son entrée. On peut également trouver une résistance d'émetteur \( R_E \), des résistances de polarisation et des condensateurs de liaison.

Le schéma ci-dessous vous présente ce montage d'amplificateur à émetteur commun :

Il est à noter que :

• ce transistor, monté en montage à émetteur en commun, ne crée pas l'énergie. C'est le signal d'entrée \( U_{in} \), qui alimente la base du transistor, qui agit comme une commande et contrôle la quantité d'énergie qui traverse le transistor depuis son collecteur vers son émetteur. Pour vous simplifier cela, la base du transistor fonctionne comme la manette d'un robinet pour contrôler la quantité d'énergie qui circule à travers ce composant.
• la résistance \( R_C \) est connectée entre \( V_{cc} \) et le collecteur transforme les variations du courant de collecteur en des variations de tension. En appliquant la loi d'Ohm, lorsque le courant \( I_C \) varie, la tension entre le collecteur  et l'émetteur varie puisque la tension dans la résistance \( R_C \) varie également. Cette variation constitue la valeur de la tension à la sortie de ce montage.
• le condensateur \( C_{in}\) est souvent appelé condensateur de liaison. Il ne laisse passer que les variations et sépare toute information électrique, soit les variations du signal, de toute composante continue. Il participe aussi à la réponse du montage aux basses fréquences.

Ce mode de fonctionnement; le montage à émetteur commun (EC) n'est pas utilisé uniquement pour l'amplification. Il est également utilisé comme commutateur en l'opérant dans ces deux régimes bloqué et saturé.

Dans la suite de ce cours, nous allons étudier le régime actif du transistor : le régime linéaire de ce composant (soit donc le montage d'un amplificateur à émetteur commun).

Le régime actif : l'amplification 

Lorsque la tension base-émetteur augmente légèrement, le courant de collecteur \( I_C \) augmente alors dans la région active du transistor puisque  \( I_C = \beta \times I_B \)  (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"). Ce qui entraîne la chute de tension au niveau la résistance \( R_C \) puisque la tension \( V_{cc} \) est fixe et d'après la loi des mailles, la somme des différentes tensions doit être à 0 telle que:

\[ U_{sortie} = U_{CE} = V_{CC} - (R_C \times I_C) \]

Ce qui nous donne donc les deux cas de figures ci-dessous :

• \(I_B\) diminue : la tension aux bornes de la résistance \( R_C \) diminue, ce qui entraîne l'augmentation de la tension de sortie \( U_{CE} \).
• \( I_B \) augmente : la tension aux bornes de la résistance \( R_C \) augmente, ce qui entraine une diminution de la tension de sortie \( U_{CE} \).

Ainsi, lorsque le courant \( I_B \) diminue, le courant à l'entrée du collecteur \( I_C \) diminue, ce qui entraîne la diminution de la tension de la charge \( R_C \). Et inversement aussi. Cette variation amplifiée (et inversée) constitue ainsi l'amplification du signal reçu à l'entrée de cet étage. Ainsi, ce mode amplificateur fonctionne.

Gain en tension (A_v)

La principale caractéristique de ce montage est son gain en tension; que nous notons par \( A_v \). Cette grandeur indique combien de fois la tension de sortie est plus grande par rapport à la tension d'entrée :

\[ A_v = \frac{U_{sortie}}{U_{entrée}} = \frac{U_{CE}}{U_{in}} \]

Par exemple, pour un montage à base d'un transistor à émetteur commun (ce), si la valeur maximale de la variation de \( U_{CE} = 18V \) (inversée par rapport à l'entrée) pour une valeur de \( U_{in} = 0.2V \), nous pouvons écrire :

\[ A_v = \frac{\Delta U_{sortie}}{\Delta U_{entrée}} = \frac{-18}{0.2} = -90 \]

Ainsi, le gain de cet étage est de 90 fois, soit la valeur de son facteur d'amplification, avec bien sûr une inversion de polarité puisque la valeur \( A_v \) est négative.

Pour info, petite clarification : le signe (-) que nous avons ajouté dans le numérateur (comme nous l'avons écrit -18V) est pour traduire l'inversion de phase comme le mentionne l'énoncé de cet exemple. Il est recommandé d'utiliser le symbole \(\Delta \) pour désigner la variation d'un signal électrique (soit l'amplitude du signal d'entrée ou de la sortie dans notre cas).

Gain en courant (A_i)

Un transistor fournit aussi un gain en courant, comme il fournit un gain en tension. : Ce gain est le plus souvent élevé et directement lié au coefficient d'amplification en courant du transistor bipolaire; appelé \( \beta \) ou \( h_{FE} \). D'après la relation entre les différents courant dans un transistor, nous pouvons donc écrire :

\[ \beta = \frac{I_C}{I_B} \]

Par exemple, un étage en émetteur en commun à base d'un transistor ayant un gain \(\beta = 120 \) et \(I_B = 10µA \), le courant \( I_C \) sera donc égal à :

\[ I_C = 120 \cdot 10µA = 120 \cdot 0.01mA = 1.2mA \].

Gain en puissance (A_p)

Comme tout système électrique, ce montage présente aussi un gain en puissance puisque la puissance électrique dépend de la tension et du courant. Elle est définie par :

\[ A_p = \frac{P_{out}}{P_{in}} \]

Et comme ce type de montage peut fournir simultanément un gain en tension et un gain en courant, le gain de ce montage en puissance est donc important.

L'inversion de phase

Une des particularités de ce montage est lorsque l'entrée augmente, la sortie diminue et lorsque l'entrée diminue, la sortie augmente. Donc pour un signal sinusoïdal, cette inversion correspond parfaitement à une inversion de polarité soit un déphasage de 180°. Cette relation, l'entrée augmente, la sortie diminue et inversement, explique une propriété fondamentale de ce montage à émetteur commun (ce) : la sortie est toujours inversée par rapport à l'entrée. C'est pourquoi le gain en tension de ce montage est toujours négatif :

\[ A_v < 0 \].