Pourquoi un BJT est-il considéré comme «à courant contrôlé»?

Avec les BJT, nous pouvons contrôler le courant de base en utilisant Vin (à partir du diagramme). Pourquoi les manuels indiquent-ils que les BJT sont contrôlés en courant alors qu'il est évident que le changement de la tension contrôle le courant à travers le collecteur?

Dans le circuit ci-dessus, Vin contrôle le courant allant à la base, et non la chute de tension aux bornes de la base et de l'émetteur du transistor lui-même.

La chute de tension aux bornes de Vbe sera toujours d'environ 0,7 V pour Vin> 0,7; l'excès de tension sera chuté à travers le R1.

En changeant Vin, vous contrôlez en fait le courant allant à la base en fonction de l'équation:

Préambule

Commençons par une petite digression: qu'est-ce qui fait d'un générateur un générateur de courant au lieu d'un générateur de tension? Regardez les caractéristiques du VI: celui avec une tension principalement constante (presque horizontale dans le plan IV) sera appelé générateur de tension, celui avec un courant principalement constant (presque horizontal dans le plan VI) sera appelé générateur de courant.

(Photos prises sur le site Web des didacticiels électroniques)

En effet, l'accent est mis sur la quantité constante (la tension ou le courant fourni - tandis que l'autre quantité est variable en fonction de la charge et de la conformité du générateur). (Note 1)

Dans un appareil contrôlé, l'accent est mis sur la quantité variable. Compte tenu de la caractéristique d'entrée exponentielle, qui laisse Vbe presque constant, c'est le courant que vous aimeriez voir comme variable de contrôle. Ceci est une conséquence directe de la propagation des erreurs: lorsque vous avez une fonction raide, une petite erreur dans la quantité presque constante x se transformera en une erreur beaucoup plus grande dans la quantité q très variable (et vice versa).

Image tirée de "Une introduction à l'analyse des erreurs", Taylor et déformée pour s'adapter à l'objectif

L'essentiel est qu'il est plus facile de distinguer entre 10 e 40 uA (rapport 1 à 4) que de séparer 0,65 V et 0,67 V (rapport 1 à 1,03). (Remarque pour les esprits moins flexibles: comme les valeurs les plus extrêmes que j'ai utilisées avant cette édition, ce sont des valeurs composées destinées à montrer le contraste entre un changement perceptible dans ce que vous voulez voir comme variable de contrôle - le courant entrant dans la base - et le faible changement de la tension entre la base et l'émetteur).

La chose la plus simple

Vous pouvez voir pourquoi cela s'appelle le contrôle de courant en le poussant à ses limites en adoptant le modèle le plus simple pour un BJT, comme l'ont montré Chua, Desoer et Kuh dans leurs "Circuits linéaires et non linéaires": dans les images suivantes, toutes les diodes sont idéales ( la tension de seuil est nulle, tout comme la résistance série; ce sont des circuits parfaitement ouverts en polarisation inverse et des courts-circuits parfaits en polarisation directe).

E0 ajoute une tension de seuil à la caractéristique d'entrée, tandis que l'action du transistor est exprimée par ic = beta * ib. Notez que le générateur de courant contrôlé par courant. Voici les caractéristiques d'entrée et de sortie correspondantes

Assez simple, non? Vous pouvez cependant les comparer aux caractéristiques réelles et voir qu'elles leur ressemblent. Aussi simple soit-il, c'est un modèle légitime et peut être utilisé pour modéliser des circuits où, en changeant ib (vous ne pouvez pas changer Vbe dans ce modèle, car il est fixe), vous changez la valeur de Ic. Vous pouvez voir comment effectuer un changement ib en coupant la caractéristique d'entrée avec la ligne de charge d'entrée

En changeant E1 (ne fait pas partie du BJT), vous changez ib (partie du BJT). Ensuite, vous pouvez trouver la valeur de ic correspondant à cette valeur de ib, sélectionner la caractéristique de sortie correspondante et trouver la tension par intersection avec la ligne de charge de sortie.

Quelqu'un va sauter sur leur siège en criant " QUOI? Vous utilisez la bêta pour concevoir un amplificateur qui sera mis en production mondiale pour des applications nucléaires critiques? De plus, d'où pensez-vous que la bêta vient? De plus, ne savez-vous pas que la bêta peut changer autant que neuf millions de gazillions pour cent rien qu'en le regardant? "

Le fait est que pour un transistor donné, vous avez une valeur bêta raisonnablement définie (vous pouvez la mesurer à l'avance, donc peu importe si le lot de production présente une dispersion honteuse) et si vous n'allez pas trop loin, vous pouvez raisonnablement ignorer sa variation avec les autres paramètres électriques. Notez qu'il s'agit d'un modèle simplifié qui ne modélise pas les variations de bêta avec la température, le courant ou même la couleur des cheveux; c'est un modèle simplifié qui saisit l'essentiel de l'action des transistors, un peu comme le "transistor man" parfois injurié de The Art of Electronics.

Pouvez-vous trouver la fréquence de coupure du transistor de ce modèle? Nan. Pouvez-vous expliquer l'effet précoce avec ce modèle? Nan. Pouvez-vous expliquer la résistance différentielle de la jonction BE avec ce modèle? Nan. Pouvez-vous rendre compte de la production de paires de charges due au rayonnement? Nan. Pouvez-vous rendre compte de la quantification du second champ et de la flexion de l'espace-temps? Nan.

Est-ce à dire que ce modèle est complètement inutile? Nan. Le comportement extrêmement simplifié de ce modèle montre pourquoi de nombreux manuels indiquent que les BJT sont contrôlés en courant. La caractéristique d'entrée réelle ressemble à cette ligne verticale où vous ne pouvez faire varier que ib, et non vbe, dont la valeur est considérée comme fixe. (Et c'est pourquoi j'ai fait cette digression au début de cette réponse).

Vous voudrez peut-être comparer le modèle le plus simple pour un Mosfet: la page 151 de Chua en a un aussi.

Comme vous pouvez le voir, le courant de grille est fixe (à zéro pour être pédant), une condition double de celle montrée dans le BJT: la caractéristique d'entrée du VI est horizontale. Le seul contrôle que vous avez ici est au moyen de vgs. Est-ce à dire que nous nions l'existence de l'effet tunnel? Non, ce n'est qu'un modèle. Un modèle simplifié qui, entre autres, ne considère pas la tunnellisation mais parvient toujours à montrer pourquoi dans un MOSFET vous agissez sur la tension grille-source.

Jusqu'à présent, nous avons vu comment la relation (simplifiée) entre ib et ic peut être considérée comme un contrôle de ic au moyen de ib, via bêta. Mais on peut aussi utiliser alpha, pourquoi pas? Permettez-moi de citer, mot pour mot, un autre manuel qui considère les dispositifs contrôlés actuels des BJT: "Physique quantique de l'atome, des molécules, des solides, des noyaux et des particules 2e", par Eisberg et Resnick, p. 474 (à la page 475 est montrée une configuration de base commune):

L'idée de base de l'action du transistor est qu'un courant dans le circuit émetteur contrôle un courant dans le circuit collecteur. Plus de 90% du courant traversant l'émetteur, de sorte que les courants sont de même ampleur. Mais la tension aux bornes du collecteur de base peut être très supérieure à celle aux bornes de la connexion émetteur-base, car la première est polarisée en inverse, de sorte que la puissance de sortie dans le circuit du collecteur peut être très supérieure à la puissance absorbée dans le circuit d'émetteur. . Le transistor agit donc comme un amplificateur de puissance.

Ces deux messieurs ignorent-ils le rôle joué par la mécanique quantique dans la théorie des bandes des solides? N'ont-ils pas entendu parler des statistiques quantiques? Savent-ils même ce qu'est un trou (sans parler du tempco)? Auraient-ils pu oublier que l'application de tensions pouvait modifier les profils de niveau d'énergie attribués aux bandes de valence et de conduction? Je ne pense pas. Ils ont simplement choisi un modèle plus simple pour expliquer comment on peut interpréter l'action dite du transistor.

L'artiste Bruno Munari a dit un jour: " Compliquer c'est simple, simplifier c'est compliqué ... Tout le monde est capable de compliquer. Seuls quelques-uns peuvent simplifier ". Entre autres, Chua, Desoer, Kuh, Eisberg et Resnick ont ​​choisi de simplifier.

Qui joue en base, d'abord?

Maintenant, revenons aux (presque) vrais transistors. Voici les premiers caractères vbe que j'ai créés après une recherche d'images Google :

Je ne sais pas si c'est réel, mais ça a l'air plausible. La chose à noter ici est que lorsque ib change considérablement, par 100s de pourcentages, vbe change par des quantités relativement petites, juste une poignée de pourcentages. Cela est dû à la relation exponentielle de la jonction BE. Supposons que vous souhaitiez utiliser ce BJT pour produire 10 mA les jours impairs et 15 mA les jours pairs. Vous avez un laboratoire allemand mesurant la bêta du transistor particulier dans votre main et il est sorti comme 250 sur la plage d'intérêt. Disons que vous avez un générateur de courant et de tension avec une précision de 10%.

Contrôle actuel : vous pouvez utiliser ic = beta ib pour trouver la valeur de ib que vous devez définir. Les valeurs nominales de 10 et 15 mA de ic nécessitent des valeurs nominales de 40 e 60 uA pour ib. Étant donné la précision de votre générateur de courant, vous vous attendez à voir les plages de courant suivantes en entrée et en sortie:

ib = 36-44 uA -> ic = 9-11 mA ib = 54-66 uA -> ic = 13,5-16,5 mA

Contrôle de tension : vous ne croyez pas à la bêta, vous devez donc spécifier une tension qui crée un vbe de ... Oui, de quoi? Allez le lire sur le graphique ci-dessus (mais vous devrez alors accepter la terrible relation ic = beta ib). Je suppose que vous devrez utiliser le modèle Ebers-Moll pour calculer les valeurs aux valeurs souhaitées pour ic. Mais disons que nous avons déterminé qu'il s'agit précisément de 0,65 et 0,67 V (tout comme j'ai utilisé une valeur précise pour la version bêta, ci-dessus) Lorsque nous essayons de définir ces valeurs précises, notre générateur précis de 10% fabriqué en Chine fournira les plages de tension suivantes

0,585 - 0,715 V -> retour à Ebers-Moll, pour calculer ic, ... dommage que l'incertitude soit exponentiée ...

0,603 - 0,737 V -> non, attendez, avant de calculer ...

... il semble que nous ayons déjà une superposition dans les plages de tension que nous fournissons: nous ne pourrons peut-être pas distinguer les jours pairs des jours impairs.

Je suppose qu'il vaut mieux avoir recours à la base de courant pour contrôler le courant du collecteur.

Avec le contrôle du courant, même si je permets une erreur de 10% sur la valeur mesurée de beta, je peux toujours (à peine, mais toujours) distinguer les deux gammes de courant (8.10-12.10 mA vs 12.15-18.15 mA) correspondant aux impairs et jours pairs.

Avec le contrôle de la tension, si vous ajoutez une erreur de 10% sur la valeur calculée (ou lue sur le diagramme) de la tension (et je suis généreux car cette erreur va être amplifiée), vous êtes déjà perdu dans l'incertitude. C'est la théorie de base de la propagation des erreurs.

Entracte

Ce message prend du temps, j'en reviendrai un autre pour ajouter quelque chose de plus. Permettez-moi d'aborder la question de la guerre de religion à laquelle vous avez pu assister. Qu'est-ce que ça signifie?

Les transistors sont des dispositifs à semi-conducteurs dont le fonctionnement interne doit être expliqué en utilisant les lois de la physique quantique. Étant donné la structure des bandes des niveaux d'énergie des porteurs électriques dans les solides, il est naturel de recourir aux niveaux d'énergie pour représenter le fonctionnement interne de ces appareils. L'énergie et le potentiel sont étroitement liés, de sorte que la plupart des modèles ont tendance à exprimer des quantités pertinentes en fonction des potentiels (différences). La raison pour laquelle j'ai écrit

Remarque: La dépendance à l'égard de Vbe indiquée dans le modèle Ebers-Moll n'implique pas une relation de cause à effet. C'est juste plus simple d'écrire les équations de cette façon. Personne ne vous interdit d'utiliser des fonctions inverses.

est que la tension et le courant sont également étroitement liés: ce sont des quantités couplées du type effort-flux, de sorte que, fondamentalement, vous ne pouvez pas en avoir un sans l'autre. C'est une question délicate cependant, et je suppose que l'on devrait également considérer ce que cela signifie de créer une différence de tension. N'est-il pas créé par le déplacement de charges (par réaction électrochimique dans une batterie, par interaction électromagnétique dans un générateur mécanique). Je soupçonne qu'au final, tous les appareils sont essentiellement contrôlés par la charge: vous déplacez les charges d'ici à là et obtenez un certain effet.

Je soupçonne que les croisés du `` contrôle de la tension '' supposent que leur homologue du `` contrôle du courant '' a appris l'électronique dans les livres de Forrest Mims et n'a jamais vu de livre sur la physique quantique, les semi-conducteurs ou les dispositifs à semi-conducteurs. Ils semblent ignorer la signification de variable de contrôle comme la variable que l'on choisit de régler pour actionner un contrôle. J'espère que la citation d'Eisberg & Resnick (deux physiciens «solides» si vous me permettez le jeu de mots) leur montrera que ce n'est pas le cas.

Remarque (1) Les courbes de générateur idéales ne sont que cela: idéales. Essayez d'imaginer une transition d'un générateur de tension idéal à un générateur de courant idéal passant par des générateurs de tension bons, moyens et moche, puis des générateurs de courant moche, moyens et bons.

$I_C=\beta I_B$

Il est plus utile de le considérer comme une source de courant à tension contrôlée lorsque vous effectuez une analyse de petit signal, comme pour un amplificateur, en utilisant le mode pi hybride l.

Ni l'un ni l'autre n'est particulièrement utile lorsque vous évaluez des applications de commutation, car le courant de base sera suffisamment élevé pour que le courant du collecteur soit déterminé par le circuit externe et non par les caractéristiques du transistor (le premier aide quelque peu à garantir que cette condition existe).

$V_{BE}$

D'autres réponses ont exprimé des opinions sur le fait que le BJT soit commandé en tension ou en courant ou les deux. Dans ma réponse, je souhaite plutôt aborder ceci:

quand il est évident que changer la tension contrôle le courant à travers le collecteur?

Considérez le circuit alternatif suivant:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

N'est-il pas évident que

et

et donc que le courant de base contrôle le courant à travers le collecteur?

$I_B$$V_{BE}$$V_{BE}$$I_B$

Donc non , il n'est pas évident , par votre exemple, que le BJT soit contrôlé en tension.

$v_{BE}$$i_B$

De même, on peut confirmer qu'on peut contrôler le courant du collecteur en contrôlant la tension base-émetteur avec une source de tension.

Quoi qu'il en soit, quelques utilisateurs ont fortement exprimé leur position selon laquelle le courant du collecteur BJT est clairement contrôlé en tension et que suggérer le contraire est au-delà du pâle.

Cela fait un moment que je n'ai pas étudié la physique du solide, j'ai donc décidé de consulter ma bibliothèque de manuels d'EE. Le premier manuel que j'ai sorti de l'étagère est " Solid State Electronic Devices ", 3e éd.

Voici une citation détaillée de la section 7.2.2:

$i_C$$i_B$

$i_C$$i_E$$i_B$$i_C$

$i_B$

$\tau_t$$W_b$$L_p$$\tau_p$

$\tau_p$$\tau_p$$\tau_t$$\frac{\tau_p}{\tau_t}$

$$\frac{i_C}{i_B} = \beta = \frac{\tau_p}{\tau_t}$$

$\gamma = 1$

$(i_B)$$i_B$

Maintenant, je suis presque certain que ceux qui sont fermement dans le camp de contrôle de tension interpréteront cela comme une confirmation de leur position, tout comme ceux qui sont fermement dans le camp de contrôle actuel. Je vais donc en rester là. Que les aboiements commencent ...

$V_{in}$$I_{B}$$I_{B} = V_{in}/ R_1$$I_C = \beta \cdot I_B$

$V_{in}$$I_C$$R_1$$R_1$$V_{in}$

Peut-être qu'un exemple l'expliquerait mieux. Imaginez que je conduis une voiture, et sa vitesse dépend de la force avec laquelle je pousse le gaz et de la durée. Mais je ne veux pas d'amende, donc je respecte toujours les limites de vitesse. Maintenant, vous venez et dites:

Pourquoi disent-ils que les voitures sont contrôlées par la pédale d'accélérateur, alors qu'en réalité leur vitesse dépend d'objets métalliques plats avec des chiffres peints sur eux?

Donc, ce que vous dites est vrai dans ce cas particulier, mais cela ne change pas le fait que les voitures ne se soucient pas du tout des objets métalliques plats dans leur environnement.

Si vous avez fait de Vin une constante et R1 une variable diriez-vous que les BJT sont des dispositifs contrôlés par résistance?

Dans votre configuration, vous semblez contrôler une tension et observer qu'elle est capable d'affecter le courant du collecteur. Il est raisonnable de l'utiliser comme preuve que le courant de ce circuit est contrôlé en tension, mais il n'est pas raisonnable de dire que cela signifie que tous les BJT sont contrôlés en tension.

Vous devez faire une distinction entre l'ensemble du système et un composant du système, même s'il s'agit du composant le plus intéressant ou même du seul à l'aspect intéressant.

Je pense qu'il est logique d'appeler un courant BJT contrôlé lorsque vous le comparez au MOSFET.

Le MOSFET a une grille, et plus la tension sur la grille (qui ne tire pratiquement pas de courant) est élevée, plus la conductance du drain-> source est élevée. Il s'agit donc d'un appareil commandé en tension.

Alternativement,

Un BJT a une base. Plus la conductance du collecteur à l'émetteur est élevée, plus le courant de base est élevé.

Comme exemple pratique qui met vraiment en évidence la différence:

• Mémoire flash

Cette topologie de mémoire est impossible à implémenter avec les BJT, car un courant de base constant est requis pour la conduction. Dans un MOSFET, des charges peuvent être injectées dans une grille isolée. S'ils sont injectés, ils y resteront et garderont le MOSFET en permanence. Cette conductance (ou son absence, si aucune charge n'a été injectée) est détectée et utilisée pour lire l'état binaire stocké.

Jusqu'à présent, je compte 10 réponses et beaucoup de commentaires. Et encore une fois, j'ai appris que la question de savoir si le BJT est contrôlé en tension ou en courant semble être une question de religion. Je crains, le questionneur (« Pourquoi les manuels scolaires déclarent-ils que les BJT sont actuellement contrôlés ») sera confus à cause de tant de réponses différentes. Certains ont raison et certains ont totalement tort. Par conséquent, dans l'intérêt de l'intervenant, j'aimerais résumer et clarifier la situation.

1) Ce que je ne comprendrai jamais, c'est le phénomène suivant: Il n'y a pas une seule preuve que le courant de collecteur Ic d'un BJT serait contrôlé / déterminé par le courant de base Ib. Néanmoins, il y a encore des gars (même des ingénieurs!) Qui répètent encore et encore que le BJT - selon eux - serait contrôlé par le courant. Mais ils ne font que répéter cette affirmation sans aucune preuve - pas de surprise, car il n'y a pas de preuve et pas de vérification.

La seule «justification» est toujours la relation simple Ic = beta x Ib. Mais une telle équation ne peut jamais rien nous dire sur la cause et l'effet. Plus que cela, ils oublient / ignorent comment cette équation a été dérivée à l'origine: Ic = alpha x Ie et Ie = Ic + Ib. Par conséquent, Ib n'est qu'une (petite) partie de Ie - rien d'autre. (Barrie Gilbert: Le courant de base n'est qu'un "défaut").

2) En revanche, il existe de nombreux effets observables et propriétés des circuits qui montrent et prouvent clairement que le BJT est commandé en tension. Je pense que tous ceux qui savent comment fonctionne une simple diode pn devraient également reconnaître ce qu'est une tension de diffusion et comment une TENSION externe peut réduire l'effet de barrière de cette propriété fondamentale de la jonction pn.

Nous devons appliquer une TENSION appropriée aux bornes correspondantes pour permettre à un courant de traverser la zone d'appauvrissement. Cette tension (resp. Le champ électrique correspondant) est la seule grandeur qui délivre la force du mouvement porteur chargé, que nous appelons courant! Y a-t-il une raison pour que la jonction pn base-émetteur se comporte complètement différemment (et ne réagit PAS à la tension)?

Sur demande, je peux énumérer au moins 10 effets et propriétés de circuit qui peuvent être expliqués uniquement avec un contrôle de tension. Pourquoi ces observations sont-elles si souvent ignorées?

3) L'intervenant a présenté un circuit qui mérite un commentaire supplémentaire. On sait qu'un ampli op (indubitablement piloté en tension) peut être câblé en tant qu'amplificateur de courant en tension (amplificateur transrésistif). Cela signifie: Nous devons toujours faire la distinction entre les propriétés de l'amplificateur «nu» et un circuit complet avec des pièces supplémentaires.

Dans le cas présent, cela signifie: le BJT en tant que pièce autonome est alimenté en tension - cependant, en regardant l'ensemble du circuit (avec une résistance R1), nous pouvons traiter l'arrangement complet comme un circuit alimenté en courant si R1 est beaucoup plus grand que le résistance d'entrée du chemin BE. Dans ce cas, nous avons un diviseur de tension entraîné par la tension Vin.

Implicitement, deux questions:
1. pourquoi peut- on le considérer comme «contrôlé par le courant», et
2. pourquoi est-il commode d'envisager un BJT «contrôlé par le courant».

Première question. Mathématiquement, l'appareil impose deux équations à l'espace des paramètres, qui comprend deux tensions et deux courants (l'un peut ajouter de la température, des éléments liés au temps pour tenir compte des effets transitoires, mais cela ne changera pas le nombre d'équations). Le système peut être exprimé de manière équivalente sous différentes formes. Contrairement à un FET, où les modes marche / arrêt ne diffèrent pas dans le courant de grille, dans un BJT, tout changement de commande entraîne certains décalages sur les plans de tension et de courant. Chaque avion représente deux degrés de liberté. On peut donc considérer deux tensions comme des variables indépendantes, ou deux courants. Ou, disons,$V_{\mathrm{BC}}$ et $I_{\mathrm E}$, avec d'autres paramètres qui en dépendent. Aucune différence.

Deuxième question. Selon le bon sens, il est raisonnable de traiter comme contrôle un tel paramètre dont les petits changements entraînent un changement important (mais prévisible) du mode de fonctionnement. De plus, la commande d'un transistor se produit en grande partie ou entièrement dans la région active vers l'avant, utile pour son gain. Les paramètres candidats les plus évidents sont $V_{\mathrm{BE}}$ et $I_{\mathrm B}$, dont les petits changements (en B – E biaisé vers l'avant) entraînent de grands changements de la caractéristique du collecteur. Mais les effets de$V_{\mathrm{BE}}$ sont fortement non linéaires, alors que (pour les $V_{\mathrm{BC}} \approx V_{\mathrm{EC}}$) les courants dans un BJT dépendent de $I_{\mathrm B}$presque linéairement. C'est tout.

Le courant du collecteur est, par définition / physique, une fonction du courant de base (et implicitement de la demande de courant de charge). La formule directrice d'un BJT est$I_C = \beta \cdot I_B$. Où$\beta$ est le gain, $I_B$ est le courant passant par la jonction BE, et $I_C$ est le courant (maximum) à travers la jonction CE.

La tension de base (c'est-à-dire la tension mesurée à la borne de base par rapport à GND) est en fait plus ou moins constante (au moins en saturation), comme caractéristique d'une chute de tension directe de diode.