Electronique en Partant de 0 - LeÃ§on 18

8/17/2019 Electronique en Partant de 0 - LeÃ§on 18

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L E C O U R S

ELECTRONIQUE magazine - n° 1885

Conna ît re lesemi-conducteur FET

Outre le transistor conventionnel, ilexiste un autre semi-conducteur appeléFET, qui peut être utilisé en électro-nique pour amplifier aussi bien lessignaux basse fréquence que haute fré-quence.

Le sigle “FET” signifie Field Effect Tran-sistor, ce qui se traduit par “transistorà effet de champ”. Dans le langagecourant on dira souvent “transistor FET”ou simplement “FET”.

Ce composant est généralement repré-

senté dans les schémas électriquespar un symbole graphique que vouspouvez voir sur les figures 472 et 473,c’est-à-dire par un cercle duquel sor-tent 3 broches portant les lettres G, Det S:

La let tre G s ignif ie Gate (porte)

La let tre D s ignif ie Drain

La le t t re S s ign if ie S ou rce

Si toutefois, sur un schéma électrique,vous ne deviez pas trouver les lettres

G, D et S pour identifier les broches dece symbole, souvenez-vous de ceci :

- La broche Gate est reconnaissablegrâce à une flèche qui part du centred’une barre verticale ou qui la rejoint.On applique presque toujours le signalà amplifier sur cette broche.

- La broche Drain est reconnaissablecar elle est dirigée vers le haut et éga-lement parce que c’est la broche surlaquelle est prélevé le signal ampli-

fié.

- La broche Source est reconnaissablecar elle est dirigée vers le bas et quenormalement, on la relie à la massed’alimentation.

L E Ç O

N N ° 1 8

pprendre

l

lectronique

en par tant de z

ro

D a n s le s p r é c é d e n t e s le ç o n s , n o us v o us a v o n s e x p liq u é c o m m e n tfonc t ionne un t r ans i s tor e t comment on ca lcu le l a va leur des rés i s-

t a n c e s à a p p liq u e r s u r s e s s o r t ie s , a p p e lé e s B a s e , E m e t t e u r e t

Co l lec teur .

D a n s c e t t e l e ç o n , n o u s v o u s e x p liq u e r o n s le f o n c t i o n n e m e n t d ’ u n“ F E T” . C e s e m i -c o n d u c t e u r e s t u n t r a n s is t o r p a r t ic u lie r , u t i lis é

p o u r a m p lif ie r l e s s ig n a u x b a s s e e t h a u t e f r é q u e n c e .

C o m m e v o u s l e v e r r e z , p o u r f a i r e f o n c t i o n n e r c o r r e c t e m e n t u n

F E T, i l e s t n é c e s s a ir e d e c a l c u le r l a v a l e u r d e d e u x r é s i s t a n c e ss e u le m e n t . C e l le q u i s e r a r e l ié e à l a s o r t ie a p p e lé e D r a i n e t c e lle

q u i s e r a r e lié e à l a s o r t ie a p p e lé e S o u r c e . P o u r c e f a i re , n o u s

a v o n s u t i lis é p e u d e f o r m u l e s m a t h é m a t i q u e s , d e s u r c ro ît t r è ss i m p l e s .

E n e f f e c t u a n t c e s c a l c uls , v o u s v o u s a p e r c e v r e z q u e l e s v a le u r sd e s r é s i s t a n c e s q u e n o u s d e v r io n s u t ilis e r n e s e t r o u v e n t j a m a is .

N e v o u s e n s o u c ie z p a s p o u r a u t a n t c a r , s i vo u s c h o i s is s e z u n ev a l e u r s t a n d a r d p r o c h e d e l a v a l e u r c a l c u l é e , l e c i r c u i t f o n c t i o n -

n e r a d e l a m ê m e m a n i è r e e t s a n s a u c u n p r o b l è m e . D o n c , s i l e s

c a l c uls v o u s d o n n e n t c o m m e r é s u lt a t u n e v a le u r d e 1 6 7 0 o h m s ,v o u s p o u rr e z t r a n q u ille m e n t u t ilis e r u n e r é s i s t a n c e d e 1 5 0 0 o u

1 8 0 0 o hm s .

P o u r c o m p l é t e r c e t t e l e ç o n , n o u s v o u s p r o p o s e r o n s l a r é a l i s a t i o n

d e 3 a m p lif ic a t e u r s e t v o u s p r é s e n t o n s u n i ns t r u m e n t a d a p t é à lam e s u r e d e l a v a le u r “ V g s ” d e n ’ im p o r t e q u e l F E T. G r â c e à c e t t e

d o n n é e , c a lc u le r la v a l e u r d e s d e u x r é s i s t a n c e s s e r a e n s u it e b e a u -

c o u p p l u s f a c i l e e t l a p r é c i s i o n d u r é s u l t a t , p l u s g r a n d e .


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Sur les schémas graphiques, il fautfaire très attention à la flèche placéesur la broche Gate.

Si cette flèche est dirigée vers l’extérieur,ce FET est de type P (voir figure472).

Si cette flèche est dirigée vers l’intérieur,ce FET est de type N (voir figure473).

Signalons que 90 % des FET sont detype N. La différence entre un P et un

N concerne seulement la polarité d’ali-mentation.

Dans les FET à canal P, le Drain est

toujours relié au négatif de l’alimen-tation et la Source, au positif (voirfigure 472).

Dans les FET à canal N, le Drain esttoujours relié au positif de l’alimenta-tion et la Source, au négatif (voir figure473).

L E C O U R S


S

G D

P

S

G D

Figure 47 2 : On reconnaît les FET de canal P parce que laflèche qui se trouve sur la ligne qui part de leur Gate, estt ournée vers l’ex t érieur. Dans ces FET, le Drain est r elié aunégatif de l’alimentat ion et la Source, au positif.

G

S

D G

D

S S

G

D

Figure 474 : Les trois patt es qui sort ent du corps d’un FET,peuvent être disposées dans l’ordre D-S-G, S-D-G. ou bienD-G-S.

SD

G

SG

D

Figure 475 : Pour identifier les trois pattes, on prend commeréférence la forme en demi-lune (figure 474 ) ou l’encochemétallique.

S

DOUVERT

GS

DFERMÉ

G

S

DMOITIÉ

G

Figure 477 : Pour réduire ou augmenter le f lux des élect rons d’un FET, i l fautseulement déplacer le “ levier” de la Gate vers le haut ou vers le bas.

MOITIÉ OUVERTFERMÉ

Figure 47 6 : Le levier d’ouvert ure et de fermeture d’un robinet qui simule un FETest fix é dans le sens inverse de celui d’un robinet normal.

N

S

GD

S

GD

Figure 47 3 : On reconnaît les FET de canal N parce que laflèche qui se trouve sur la ligne qui part de leur Gate, esttournée vers l’intérieur. Dans ces FET, le Drain est relié aupositif de l’alimentat ion et la Source, au négatif.

Les broches S -G -D

Les trois broches S-G-D qui sortent ducorps d’un FET peuvent être disposées

de façon différente en fonction de leurréférence et de leur fabricant.

Dans chaque schéma électrique, ondevrait toujours trouver le brochage desFET utilisés (voir les figures 474 et475).

P our am plif ier un s ig na l

Le signal à amplifier est presque toujours appliqué sur la Gate.

Pour vous faire comprendre commentcette jonction parvient à contrôler lemouvement des électrons, comparonsle FET à un robinet.

Comme nous l’avons déjà expliqué àpropos des transistors conventionnels,pour laisser passer un flux d’eau demoyenne intensité, il faudra position-ner le robinet à mi-course.

Dans le robinet, qui simule le FET,le levier d’ouverture et de fermeture

est remplacé par la Gate (voir figure477).

Donc, si nous déplaçons ce levier versle haut, le flux de l’eau cessera, et siau contraire on le déplace vers le bas,


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le flux de l’eau atteindra son intensitémaximale (voir les figures 476 et 477).

Pour amplifier un signal, ce levier devratoujours être positionné à mi-course,car c’est seulement dans cette posi-tion que l’eau (les électrons) sortiraavec un flux de moyenne intensité.

Si l’on déplace alors le levier vers lebas, le flux de l’eau augmentera, tan-dis que si on le déplace vers le haut,le flux cessera.

Ceci dit, il semble évident que la Gated’un FET fonctionne dans le sensinverse de celui de la Base d’un tran-sistor de type NPN.

En fait, si on applique une tension de0 volt sur la Base d’un transistor, celui-

ci n’est pas conducteur, c’est-à-dire qu’ilne laisse passer aucun électron. Pourle rendre conducteur, il faut appliquerune tension positive sur cette jonction.

Si on applique une tension de 0 voltsur la Gate d’un FET, celui-ci laisserapasser un maximum d’électrons. Pourl’empêcher d’être conducteur, il fau-drait appliquer une tension négativesur cette jonction, c’est-à-dire une ten-sion de polarité opposée à cellenécessaire pour un transistor de typeNPN.

Pour mieux vous faire comprendre pour-quoi une tension négative est néces-saire sur la Gate d’un FET, on utiliserale même levier mécanique avec unpoint d’appui situé à l’écart du centre,comme sur la figure 478.

Nous appelons le côté le plus court“Gate” et le côté le plus long,“Drain”.

Etant donné qu’un gros poids se trouvesur le côté du Gate, ce côté s’appuierasur le sol en soulevant le côté Drainvers le haut (voir figure 478).

Si on essaie, à présent, de soulever lecôté le plus court vers le haut, la par-tie opposée se baissera (voir figure479), mais si on essaie de bouger lecôté le plus court vers le bas, celui-cine pourra pas descendre car il touchedéjà le sol (voir figure 480).

Pour permettre à la Gate de bougeraussi bien vers le haut que vers lebas, on doit nécessairement placerce levier en position horizontale, en

GA T E

D RA I N

P O I D S

Figure 47 8 : Pour comprendre le fonctionnement d’un FET,

on peut prendre comme exemple un levier mécanique normal.Etant donné qu’un gros poids se t rouve sur le côté le pluscourt de la Gate, le c ôté opposé, le Drain, sera soulevé.

P O I D S

D R AI N

Figure 479 : Si l ’on pousse la Gate vers le haut, la partie

opposée du Drain se baissera jusqu’à appuyer sur le sol. Ladifférence de déplacement entre la Gate et le Drain peutêtre comparée à l’amplification.

GA T E

D RA I N

P O I D S

Figure 48 0 : Si l’on pousse le côté de la Gate vers le bas, ilne pourra pas descendre plus car il appuie déjà sur le sol.Pour pouvoir le bouger vers le bas, le levier devrait se t rouverà mi-hauteur (voir f igure 481 ).

POIDS

DRAIN

Figure 48 1 : Pour mett re le levier en position horizontale, ilfaut appliquer le poids de la Gate plus vers son point d’appui,et c e déplacement s’ obt ient en appl iquant une tension“négative” sur la Gate.

P O I D S

D R AI N

Figure 48 2 : Une fois ce levier en posit ion horizontale, sil’on essaie de pousser la Gate vers le haut, i l est évidentque la partie opposée et c orrespondant au Drain descendra

jusqu’ à toucher le so l.

P O I D S

D RA I N

Figure 48 3 : Si, de la position horizontale, on pousse la Gatevers le bas, la partie opposée et correspondant au Drain selèvera. L’onde sinusoïdale que l’on appliquera sur la Gatedéplacera ce levier vers le bas ou vers le haut.


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déplaçant le poids vers son point d’ap-pui, comme nous l’avons vu sur lafigure 481.

Electroniquement, pour déplacer cepoids, il suffit d’appliquer une tensionnégative sur la Gate.

Une fois cette position horizontale obte-nue, lorsqu’un signal de polarité néga-tive arrivera sur la Gate, ce côté selèvera (voir figure 482) et, par consé-quent, l’extrémité opposée, le Drain,descendra.

Lorsqu’un signal de polarité positivearrivera sur la Gate, ce côté se bais-

sera (voir figure 483) et, bien sûr, l’ex-trémité opposée, le Drain, se lèvera.

Il faut signaler qu’il n’est possible deplacer ce levier en position parfaitementhorizontale seulement lorsque la ten-sion négative appliquée sur la Gate per-met de faire descendre la tension pré-sente sur le Drain d’une valeur égale àla moitié de la valeur Vcc d’alimentation.

Donc, si on alimente le FET à l’aided’une tension de 15 volts, on devra

appliquer sur la Gate une tension néga-tive capable de faire descendre la ten-sion présente sur le Drain à 7,5 volts.

Si on alimente le FET avec une tensionde 20 volts, on devra appliquer sur laGate une tension négative capable defaire descendre la tension présente surle Drain à 10 volts.

Il faut signaler que la tension d’ali-mentation Vcc d’un FET ne doit jamaisêtre mesurée entre le positif et lamasse, mais toujours entre le positif

et la Source (voir figure 484), c’estdonc la moitié de la tension d’alimen-tation qui est prélevée entre le Drainet la Source (voir figure 485). C’estpourquoi, si la tension Vcc que l’onapplique entre le Drain et la masse est

mais avec une tension de:

1 5 – 1 , 8 = 1 3 , 2 v olt s

En fait, si l’on mesure la tension pré-sente entre le positif d’alimentation etla Source, on lira exactement 13,2 volts(voir figure484).

de 15 volts, mais qu’une tension de1,8 volt est présente aux bornes de larésistance R3 reliée entre la Source et

la masse, on devra soustraire cettevaleur des 15 volts.

C’est pour cette raison que le Drain duFET ne sera pas alimenté avec 15 volts,

C1

R1 R3

R2 POWERON

OFF

POWER

LOHI

OHM

100020020

2

200m

750200

20

2

200m

200µ

2m

20m

200m

10A

2

2

200m20m10A2m

200µ

200H

i

2K

20K

200K

2M

20M

Ω

V V

A

A

10A

V-A-Ω

COM

15 V

13,2 V

S

GD

Figure 48 4 : La tension d’al imentat ion réel le d’un FET estce l le que l ’on t rouvera ent re le posi t i f de la p i le e t laSource.

C1

R1 R3

R2 POWERON

OFF

POWER

LOHI

OHM

100020020

2

200m

75020020

2

200m

200µ

2m

20m

200m

10A

2

2

200m20m

10A

2m200µ200H

i

2K

20K

200K

2M

20M

Ω

V V

A

A

10A

V-A-Ω

COM

15 V

6,6 V

S

GD

Figure 48 5 : Le FET sera parfaitement polarisé lorsqu’ontrouvera la moitié de la tension sur les deux patt es, D et S(voi r f igure 484).

S

GD

13,2 V

6,6 V

0,5

0,5

GAIN12 fois R2

Figure 486 : Si une tension égale à la “moitié” de la tension Vcc (voir f igure 485) ,se t rouve sur le Drain d’un FET, on pourra amplifier de 1 2 fois un s ignal sinusoïdalcomposé d’une demi-onde positive et d’une demi-onde négative de 0 ,5 volt .

S

GD

13,2 V

6,6 V

0,7

0,7

GAIN12 fois R2

Figure 48 7 : Si on amplifie 12 fois un signal sinusoïdal composé d’une demi-ondepositive et d’ une négative de 0,7 volt, le signal amplifié, dépassant les lignes dutrac é, subira une légère distorsion.


5/7


6/7


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0 , 7 v o lt x 6 = 4 , 2 v o lt s n é g a t i f s

Donc, même si une tension de 8,5 volts(voir figure491) se trouve sur le Drain,notre sinusoïde sera toujours à l’inté-rieur du tracé, car le pic supérieur maxi-mal que peut atteindre la demi-onde

positive, sera de:

8 , 5 + 4 , 2 = 1 2 , 7 v o lt s

par rapport à la Source

et le pic le plus petit que pourraatteindre la demi-onde négative serade:

8,5 – 4,2 = 4,3 volts


Si une tension de 4,7 volts (voir figure492) se trouve sur le Drain, même dans

ce cas notre sinusoïde restera à l’in-térieur du tracé parce que le pic supé-rieur maximal que pourra atteindre lademi-onde positive, sera de:

4 , 7 + 4 , 2 = 8 , 9 v o lt s


et le pic le plus petit que pourraatteindre la demi-onde négative serade:

4 , 7 – 4 , 2 = 0 , 5 v o lt


Solution 3 :

Comme troisième solution, on peut aug-menter la tension d’alimentation en laportant de 15 à 20 volts.

En admettant qu’une tension de 2 voltsse trouve entre la Source et la masse,on devra soustraire cette tension aux20 volts d’alimentation.

Ainsi, on retrouvera entre le Drain et laSource, une tension de:

2 0 – 2 = 1 8 v o lt s V c c

Avec une valeur Vcc de 18 volts, onpourra donc tranquillement appliquerun signal de 1,4 volt crête à crête etl’amplifier 10 fois (voir figure493), sanscourir le risque de dépasser la valeurd’alimentation, en fait :

1 , 4 x 1 0 = 1 4 v o lt s

Donc, même si une tension de 10 voltsse trouve sur le Drain (voir figure494)

ou bien une tension de 8 volts (voirfigure 495), notre sinusoïde sera tou-

jours à l’intérieur du tracé.

à su i vr e…

G . M .

En admettant que le signal sur l’entréeatteigne des pics de 1,4 volt, si on mul-tiplie la valeur des deux demi-ondes de0,7 volt par 6, on obtiendra:

0 , 7 vo l t x 6 = 4 , 2 vo l t s p os i t i f s

Solut ion 2 :

Si le signal à appliquer sur la Gate nepeut pas descendre en dessous de 1volt crête à crête, on devra réduire de12 à 6 fois environ le gain du FET (voirfigure 490).

S

GD

18 V

9 V

0,7

0,7

GAIN10 fois

R2

Figure 49 3 : Si l’amplitude du signal appliqué sur la Gate ét ait élevée, la dernièreso lu t ion sera i t d ’ augmenter la t ension d ’a l imenta t ion de 15 à 20 vo l ts . Onsoustrait t oujours la tension présente entr e la Source et la masse aux 2 0 volt sVcc.

S

GD

18 V

8 V0,7

0,7

GAIN10 fois

R2

Figure 49 5 : Si la tension présente sur le Drain du FET était non pas des 9 voltsvoulus, mais de 8 volts (voir figure 493 ) en raison de la tolérance des résistances,notre sinusoïde amplifiée ne serait pas coupée ni sur la demi-onde supérieure nisur c elle inférieure.

S

GD

18 V

10 V

0,7

0,7

GAIN10 fois

R2

Figure 494 : Si on soustrait les 2 volts présents entre la Source et la masse aux20 volts, on obtient 1 8 volt s. On devra donc obtenir 9 volts sur le Drain. Même sion trouvait non pas 9 mais 1 0 volt s, le signal amplifié ne réussirait pas à sort ir deson tracé.

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