TRANSISTORS, TUBES
& AMPLIFICATION.

Le transistor bipolaire est composé de deux jonctions PN montées tête-bêche : il est donc de type NPN ou PNP, les NPN étant les plus courants. Il comporte un émetteur (repéré par la flèche), une base (trait vertical, fine couche dopée en polarité inverse de l'émetteur) et un collecteur (sans repère, dopé comme l'émetteur).

La flèche de l'émetteur indique le sens du courant, comme dans une diode. Moyen mnémotechnique : quand la flèche PéNètre, c'est un PNP ; quand elle Ne PéNètre pas, c'est un NPN. La première lettre du type donne la polarité de l'émetteur : NPN → émetteur au −moins, PNP → émetteur au +. Le collecteur est branché à la polarité inverse, la base à une polarité intermédiaire.

La jonction base-émetteur est en sens passant. L'émetteur étant fortement dopé et la base très mince et faiblement dopée, la plupart des charges traversent la base sans s'y recombiner et sont propulsées vers le collecteur. Cette recombinaison trou-électron, même partielle, génère du bruit qui s'ajoute au signal amplifié - les transistors au germanium en génèrent moins que ceux au silicium.

Le courant collecteur est directement fonction du courant de base : Ic = Ib × βIc égale Ib fois β. Le gain β (bêta), désigné aussi hFE dans les fiches constructeurs, est un coefficient multiplicateur - à ne pas confondre avec un gain en dB.

Le gain est toujours donné pour du courant continu et à 20 °C. Il augmente avec la température - d'où les risques d'emballement thermique - et diminue quand la fréquence augmente. La fréquence de coupure est celle pour laquelle le gain n'est plus que 70 % du gain en continu, soit une atténuation de puissance de 3 dB3 décibels.

L'élément dit « commun » est celui qui est relié à une tension fixe et sur lequel il n'y a ni l'entrée ni la sortie du signal. Chaque montage a des caractéristiques à connaître : gain en intensité et en tension, impédances d'entrée et de sortie, déphasage.

Le montage émetteur commun est le plus courant. Gain en intensité = β, gain en tension du même ordre (fonction de la résistance de charge). Impédance d'entrée moyenne (une centaine d'ohms), de sortie élevée (quelques milliers d'ohms). Le signal de sortie, récupéré sur le collecteur, est déphasé de 180° : il est inversé.

Le montage collecteur commun se reconnaît à sa sortie récupérée sur l'émetteur - d'où son autre nom, émetteur suiveur. Gain en tension inférieur à 1, mais gain en courant proche de β : c'est un amplificateur de courant. Impédance d'entrée élevée, de sortie faible (quelques dizaines d'ohms), sans déphasage. Il alimente les haut-parleurs et sert de transistor « ballast » dans les alimentations.

Le montage base commune se reconnaît à son entrée appliquée sur l'émetteur. C'est un amplificateur de tension sans gain en intensité : impédance d'entrée basse (quelques dizaines d'ohms), de sortie très élevée, sans déphasage. Il est peu utilisé.

Le FET (transistor à effet de champ) s'apparente plus aux tubes qu'au bipolaire : l'entrée est la source, la sortie le drain, la commande la porte (gate, aussi appelée grille). On ne parle pas de gain mais de pente = Id / Vgpente égale Id divisé par Vg. Son impédance d'entrée est très grande, et les FET - surtout à l'arséniure de gallium (GaAs) - génèrent beaucoup moins de bruit que les bipolaires, car il n'y a pas de recombinaison trou/électron.

Dans le J-FET, la porte entoure un canal ; quand la tension inverse de la porte augmente, la barrière de potentiel s'élargit, le canal se rétrécit et l'intensité diminue. Dans le MOSFET (Metal Oxyde Semiconductor), la porte est isolée du substrat par une fine couche d'oxyde de silicium et sa tension de commande est positive par rapport à la source : par effet capacitif, elle crée un canal conducteur entre source et drain. La puissance admissible des MOSFET les rend fréquents dans les étages de puissance.

Il existe deux types de canal, comme NPN et PNP chez le bipolaire. Canal N : le drain est positif par rapport à la source et le courant est porté par des électrons ; sur le symbole, la flèche de la porte pointe vers le canal. Canal P : toutes les polarités sont inversées (drain négatif par rapport à la source), le courant est porté par des trous ; la flèche de la porte sort du canal. Le canal N, plus rapide, est le plus courant en HF.

Polarisation : un J-FET canal N se polarise avec une porte négative par rapport à la source (jonction porte-canal en inverse, donc courant de porte quasi nul). On l'obtient simplement par une résistance de source : le courant de drain crée à ses bornes une tension qui rend la source positive, la porte reliée à la masse par une forte résistance se trouvant alors négative par rapport à la source (autopolarisation). Pour un canal P, tous les signes s'inversent.

Le thyristor (anode, cathode, gâchette) est utilisé en courant continu : une impulsion d'amorçage sur la gâchette le rend franchement et définitivement conducteur, même après la fin de l'impulsion. Le triac, deux thyristors montés tête-bêche, fonctionne en courant alternatif. Le transistor unijonction (UJT, ou diode à deux bases), peu courant en radio, est aujourd'hui remplacé par le thyristor.

Les tubes électroniques sont encore employés dans les amplificateurs de puissance. Dans la diode thermoïonique (ou valve), une cathode chauffée par un filament (souvent alimenté en 6,3 V6,3 volts) émet des électrons, récupérés par l'anode - la plaque - lorsque sa tension est positive par rapport à la cathode (50 V et plus).

En insérant une grille de commande alimentée négativement par rapport à la cathode (−6 V à 0 V), on obtient la triode : plus la grille est négative, plus elle repousse les électrons et plus le courant plaque est faible. Comme pour le FET, on parle de pente (Ip / Vg)pente (Ip divisé par Vg).

Pour limiter les effets capacitifs entre grille et plaque en haute fréquence, la tétrode ajoute un écran alimenté à la moitié de la tension plaque. La pentode ajoute encore une suppresseuse reliée à la cathode, qui empêche les électrons rebondissant sur la plaque de retourner sur l'écran.

Les classes (ou classes de polarisation) diffèrent selon la tension de repos - en l'absence de signal - par rapport à la plage de fonctionnement sans distorsion de l'amplificateur.

En classe A, la tension de repos est centrée sur la plage : tout le signal est amplifié sans la dépasser. C'est le montage le plus courant et le plus fidèle.

En classe B, deux transistors amplifient chacun une alternance ; la tension de repos est à la limite de la plage de chacun. Le montage exige des transistors appairés ; la version à transistors complémentaires (NPN + PNP) évite les transformateurs.

En classe C, seule une partie du signal est amplifiée, le reste étant restitué par le circuit oscillant de sortie accordé sur la fréquence d'entrée. Cette classe est à prohiber pour un signal modulé en amplitude (AM, BLU).

La classe D, utilisée en HF de forte puissance et en audio, découpe le signal en impulsions à largeur variable qu'il faut ensuite filtrer : son rendement est excellent. La classe AB, utilisée dans les étages de puissance, s'apparente à la classe A mais le signal n'est plus centré : en émission, l'amplificateur est suivi d'un filtre passe-bas qui bloque les harmoniques produits par les écrêtements.

En classe A, la résistance de charge Rc récupère les variations de tension : les variations d'Ib créent celles d'Ic = β × Ib, traduites en tension sur Rc (U = R × I), puis transmises à l'étage suivant via le condensateur de sortie. La résistance de charge détermine la droite de charge de l'amplificateur, qui passe par la tension d'alimentation et par le courant maximal U(+) / Rc. Pour rester linéaire, le point de fonctionnement doit se situer dans la zone où les courbes sont plates, avant saturation, et sans dépasser la courbe de surchauffe du constructeur.

Les liaisons entre étages : la liaison directe (collecteur sur base) est peu utilisée ; en courant alternatif, un condensateur en série sépare les étages, et la liaison par transformateur adapte en plus les impédances. Un étage séparateur (ou tampon) adapte niveaux et impédances entre deux étages ; il ne figure souvent pas dans les synoptiques car il ne sert pas à la logique de l'ensemble.

L'amplificateur RF comporte des défenses spécifiques : le condensateur de découplage relié à la masse et la bobine de choc en série sur l'alimentation empêchent la HF amplifiée de « remonter » dans la ligne d'alimentation ; la résistance de contre-réaction Rcr réinjecte une partie du signal en opposition de phase pour empêcher les auto-oscillations ; la résistance d'émetteur Re protège de l'emballement thermique (le gain augmente avec la température, ce qui augmente le courant, donc la température…).

Tout manque de linéarité crée des distorsions : distorsion de fréquences (certaines fréquences sont plus amplifiées que d'autres), distorsion harmonique (apparition de 2F, 3F… mesurée par le taux de distorsion harmonique), distorsion quadratique (produits f1 + f2 et f1 − f2) et distorsion cubique ou du 3e ordre (3f1, 2f1 − f2, 2f2 − f1…), d'autant plus gênante que les fréquences sont proches.