Amplificateur à émetteur commun

Programmes : Sek II, A-level (Electronics), electronics courses

Objectif¶

Réaliser un étage amplificateur à transistor, déterminer son point de fonctionnement et son gain en tension.

Le montage¶

Une source de 9 V alimente un transistor NPN (\(\beta\) = 100) : le collecteur par une résistance de 2,2 kΩ, la base par une résistance de polarisation de 470 kΩ, l’émetteur par une résistance de 470 Ω reliée à la masse. Une source de tension alternative (onde sinusoïdale, amplitude 0,2 V, 1 kHz) applique le signal à la base à travers un condensateur de 10 µF. Oscilloscope : CH1 — la sortie de la source alternative (100 mV/div), CH2 — le collecteur (500 mV/div, couplage AC), 0,5 ms/div.

Protocole¶

Après le chargement de l’expérience, attendez quelques secondes : le condensateur se charge et le point de fonctionnement s’établit. Comparez les deux oscillogrammes : la valeur crête à crête et la phase du signal à l’entrée et sur le collecteur.
Déterminez le gain en tension : le rapport de la valeur crête à crête sur le collecteur à la valeur crête à crête à l’entrée.
Sur CH2, choisissez le couplage DC et 2 V/div, et estimez la tension continue sur le collecteur.
Augmentez l’amplitude de la source alternative jusqu’à 1 V et passez CH1 sur 0,5 V/div.
Dans le panneau des paramètres de la résistance d’émetteur, remplacez 470 Ω par 220 Ω, et ramenez l’amplitude de la source alternative à 0,2 V.

Résultat attendu

Le signal sur le collecteur est plus grand que le signal d’entrée et en opposition de phase avec lui : environ 1,8 V crête à crête contre 0,4 V, soit un gain d’environ 4,5 — proche du rapport des résistances de collecteur et d’émetteur, 2,2 kΩ / 470 Ω. La tension continue sur le collecteur est d’environ 5,4 V. Par le calcul, l’intensité du courant de collecteur est d’environ 1,6 mA et l’émetteur est à environ 0,77 V — le montage n’affiche pas ces valeurs. Avec une amplitude de 1 V, la sinusoïde de sortie est écrêtée : en haut, le transistor se bloque, en bas, près de la tension d’émetteur, le transistor entre en saturation. Avec une résistance d’émetteur de 220 Ω, le gain double à peu près, et le point de fonctionnement se déplace. Une seule résistance de polarisation fixe l’intensité du courant de base, et celle du courant de collecteur est \(\beta\) fois plus grande, donc le point de fonctionnement dépend de \(\beta\). Les vrais transistors d’un même type ont des \(\beta\) différents, de 100 à 300. Réglez Gain en courant β = 300 dans le panneau des paramètres du transistor : la polarisation demande alors un courant de collecteur d’environ 4 mA, plus que ce que les résistances de 2,2 kΩ et de 470 Ω peuvent laisser passer, et le transistor sature à environ 3,3 mA. Sans signal, le collecteur est à environ 1,7 V, seulement 0,2 V au-dessus de l’émetteur ; avec le signal de 0,2 V, les alternances basses sont déjà écrêtées, et la tension de collecteur vaut en moyenne environ 2,7 V. C’est pourquoi les vrais amplificateurs polarisent la base par un pont diviseur de deux résistances.

Questions¶

Pourquoi le signal de sortie est-il en opposition de phase avec le signal d’entrée ?
Pourquoi faut-il un condensateur entre la source alternative et la base ?
Pourquoi ne peut-on pas doubler le gain simplement en prenant une résistance de collecteur deux fois plus grande, 4,4 kΩ ? Où se retrouverait le point de fonctionnement ?

Réponses

Quand la tension d’entrée augmente, les intensités du courant de base et du courant de collecteur augmentent, de même que la chute de tension aux bornes de la résistance de collecteur de 2,2 kΩ. La tension de collecteur vaut 9 V moins cette chute, donc elle diminue quand l’entrée augmente.
Le condensateur laisse passer le signal de 1 kHz (son impédance n’est que d’environ 16 Ω) et bloque le courant continu. L’autre borne de la source alternative est reliée à la masse, donc sans le condensateur la source maintiendrait la base près de 0 V à travers sa faible résistance : la polarisation par la résistance de 470 kΩ serait perdue, et le transistor resterait bloqué, car un signal de 0,2 V est trop faible pour le rendre passant.
L’intensité du courant de collecteur est fixée par celle du courant de base et reste d’environ 1,6 mA, donc une résistance de 4,4 kΩ ferait chuter environ 1,6 mA · 4,4 kΩ ≈ 7,0 V, et le collecteur se trouverait à environ 2 V, seulement environ 1,2 V au-dessus de l’émetteur. Le point de fonctionnement se rapprocherait de la saturation. La sortie, alors d’environ 3,6 V crête à crête, ne tiendrait pas dans la marge restant en dessous, et ses alternances basses seraient écrêtées dès l’entrée de 0,2 V.