L’amplificateur à base commune est un autre type de configuration de transistor à jonction bipolaire, (BJT) où la borne de base du transistor est une borne commune aux signaux d’entrée et de sortie, d’où son nom de base commune (CB). La configuration de base commune est moins courante en tant qu’amplificateur que par rapport aux configurations plus populaires d’émetteur commun, (CE) ou de collecteur commun, (CC), mais elle est toujours utilisée en raison de ses caractéristiques uniques d’entrée/sortie.
Pour que la configuration de base commune fonctionne comme un amplificateur, le signal d’entrée est appliqué à la borne d’émetteur et la sortie est prise sur la borne de collecteur. Ainsi, le courant d’émetteur est également le courant d’entrée, et le courant de collecteur est également le courant de sortie, mais comme le transistor est un dispositif à trois couches et deux jonctions pn, il doit être correctement polarisé pour qu’il fonctionne comme un amplificateur à base commune. C’est-à-dire que la jonction base-émetteur est polarisée dans le sens direct.
Considérez la configuration de base de l’amplificateur à base commune ci-dessous.
Amplificateur à base commune utilisant un transistor NPN
On peut alors voir dans la configuration de base commune que les variables d’entrée concernent le courant d’émetteur IE et la tension base-émetteur, VBE, tandis que les variables de sortie concernent le courant de collecteur IC et la tension collecteur-base, VCB.
Puisque le courant d’émetteur, IE, est également le courant d’entrée, toute modification du courant d’entrée créera une modification correspondante du courant de collecteur, IC. Pour une configuration d’amplificateur à base commune, le gain en courant, Ai est donné comme iOUT/iIN qui est lui-même déterminé par la formule IC/IE. Le gain de courant pour une configuration CB est appelé Alpha, ( α ).
Dans un amplificateur BJT, le courant d’émetteur est toujours supérieur au courant de collecteur car IE = IB + IC, le gain de courant (α) de l’amplificateur doit donc être inférieur à un (unité) car IC est toujours inférieur à IE de la valeur de IB. Ainsi, l’amplificateur CB atténue le courant, avec des valeurs typiques de alpha comprises entre 0,980 et 0,995.
La relation électrique entre les trois courants du transistor peut être montrée pour donner les expressions de alpha, α et Beta, β comme indiqué.
Gain de courant de l’amplificateur à base commune
Par conséquent, si la valeur de Bêta d’un transistor à jonction bipolaire standard est de 100, la valeur de Alpha sera donnée par : 100/101 = 0,99.
Gain de tension de l’amplificateur à base commune
Puisque l’amplificateur à base commune ne peut pas fonctionner comme un amplificateur de courant (Ai ≅ 1), il doit donc avoir la capacité de fonctionner comme un amplificateur de tension. Le gain en tension de l’amplificateur à base commune est le rapport VOUT/VIN, c’est-à-dire la tension du collecteur VC sur la tension de l’émetteur VE. En d’autres termes, VOUT = VC et VIN = VE.
Comme la tension de sortie VOUT est développée à travers la résistance du collecteur, RC, la tension de sortie doit donc être une fonction de IC comme de la loi d’Ohms, VRC = IC*RC. Ainsi, tout changement dans IE aura un changement correspondant dans IC.
Alors nous pouvons dire pour une configuration d’amplificateur à base commune que :
Comme IC/IE est alpha, nous pouvons présenter le gain de tension des amplificateurs comme :
Donc le gain de tension est plus ou moins égal au rapport de la résistance du collecteur sur la résistance de l’émetteur. Cependant, il y a une seule jonction pn-diode à l’intérieur d’un transistor à jonction bipolaire entre les bornes de base et d’émetteur donnant lieu à ce qu’on appelle la résistance dynamique d’émetteur du transistor, r’e.
Pour les signaux d’entrée alternatifs, la jonction émetteur-diode a une résistance effective de petit signal donnée par : r’e = 25mV/IE, où les 25mV sont la tension thermique de la jonction pn et IE est le courant d’émetteur. Ainsi, lorsque le courant traversant l’émetteur augmente, la résistance de l’émetteur diminuera d’une quantité proportionnelle.
Une partie du courant d’entrée circule à travers cette résistance interne de la jonction base-émetteur vers la base ainsi qu’à travers la résistance d’émetteur connectée extérieurement, RE. Pour l’analyse des petits signaux, ces deux résistances sont connectées en parallèle l’une avec l’autre.
Puisque la valeur de r’e est très petite, et que RE est généralement beaucoup plus grande, habituellement dans la gamme des kilohms (kΩ), la magnitude du gain de tension des amplificateurs change dynamiquement avec différents niveaux de courant d’émetteur.
Donc, si RE ≫ r’e, alors le gain de tension réel de l’amplificateur à base commune sera :
Parce que le gain de courant est approximativement égal à un comme IC ≅ IE, alors l’équation du gain de tension se simplifie à juste :
Donc, si par exemple, 1mA de courant traverse la jonction émetteur-base, son impédance dynamique serait de 25mV/1mA = 25Ω. Le gain en volt, AV pour une résistance de charge du collecteur de 10kΩ serait de : 10 000/25 = 400. Plus le courant qui traverse la jonction est important, plus sa résistance dynamique devient faible et plus le gain en tension est élevé.
De même, plus la valeur de la résistance de charge est élevée, plus le gain en tension des amplificateurs est important. Cependant, un circuit pratique d’amplificateur à base commune serait peu susceptible d’utiliser une résistance de charge supérieure à environ 20kΩ avec des valeurs typiques de gain de tension allant d’environ 100 à 2000 selon la valeur de RC. Notez que le gain de puissance des amplificateurs est à peu près le même que son gain de tension.
Comme le gain de tension de l’amplificateur à base commune dépend du rapport de ces deux valeurs résistives, il s’ensuit donc qu’il n’y a pas d’inversion de phase entre l’émetteur et le collecteur. Ainsi, les formes d’onde d’entrée et de sortie sont « en phase » l’une avec l’autre, montrant que l’amplificateur à base commune est une configuration d’amplificateur non-inverseur.
Gain de résistance de l’amplificateur à base commune
Une des caractéristiques intéressantes du circuit amplificateur à base commune est le rapport de ses impédances d’entrée et de sortie donnant lieu à ce que l’on appelle le gain de résistance des amplificateurs, la propriété fondamentale qui rend l’amplification possible. Nous avons vu ci-dessus que l’entrée est connectée à l’émetteur et la sortie prise sur le collecteur.
Entre l’entrée et la borne de masse, il y a deux chemins résistifs parallèles possibles. L’un à travers la résistance de l’émetteur, RE à la terre et l’autre à travers r’e et la borne de base à la terre. Ainsi, nous pouvons dire en regardant dans l’émetteur avec la base mise à la terre que : ZIN = RE||r’e.
Mais comme la résistance dynamique de l’émetteur, r’e est très petite comparée à RE (r’e≪RE), la résistance dynamique interne de l’émetteur, r’e domine l’équation résultant en une faible impédance d’entrée approximativement égale à r’e
Donc pour la configuration à base commune, l’impédance d’entrée est très faible et selon la valeur de l’impédance de source, RS connectée à la borne de l’émetteur, les valeurs d’impédance d’entrée peuvent varier entre 10Ω et 200Ω. La faible impédance d’entrée du circuit amplificateur à base commune est l’une des principales raisons de ses applications limitées en tant qu’amplificateur à un seul étage.
L’impédance de sortie de l’amplificateur CB peut cependant être élevée en fonction de la résistance de collecteur utilisée pour contrôler le gain de tension et de la résistance de charge externe connectée, RL. Si une résistance de charge est connectée aux bornes de sortie des amplificateurs, elle est effectivement connectée en parallèle avec la résistance de collecteur, alors ZOUT = RC||RL.
Mais si la résistance de charge connectée extérieurement, RL, est très grande par rapport à la résistance de collecteur RC, alors RC dominera l’équation parallèle, résultant en une impédance de sortie modérée ZOUT, devenant approximativement égale à RC. Alors pour une configuration à base commune, son impédance de sortie en regardant en arrière dans la borne du collecteur serait : ZOUT = RC.
Comme l’impédance de sortie de l’amplificateur regardant en arrière dans la borne du collecteur peut potentiellement être très grande, le circuit à base commune fonctionne presque comme une source de courant idéale prenant le courant d’entrée du côté de la faible impédance d’entrée et envoyant le courant au côté de la haute impédance de sortie. Ainsi, la configuration du transistor à base commune est également appelée : configuration tampon de courant ou suiveur de courant, et l’opposé de la configuration à collecteur commun (CC) qui est appelée suiveur de tension.
Résumé de l’amplificateur à base commune
Nous avons vu ici dans ce tutoriel sur l’amplificateur à base commune qu’il a un gain de courant (alpha) d’environ un (unité), mais aussi un gain de tension qui peut être très élevé avec des valeurs typiques allant de 100 à plus de 2000 selon la valeur de la résistance de charge de collecteur RL utilisée.
Nous avons également vu que l’impédance d’entrée du circuit amplificateur est très faible, mais l’impédance de sortie peut être très élevée. Nous avons également dit que l’amplificateur à base commune n’inverse pas le signal d’entrée car il s’agit d’une configuration d’amplificateur non inverseur.
En raison de ses caractéristiques d’impédance d’entrée-sortie, le montage d’amplificateur à base commune est extrêmement utile dans les applications audio et radiofréquence comme tampon de courant pour adapter une source à faible impédance à une charge à haute impédance ou comme amplificateur à un seul étage dans le cadre d’une configuration en cascade ou à plusieurs étages où un étage d’amplificateur est utilisé pour en piloter un autre.
.