Inverseurs à MOSFET

Sommaire :
Introduction :
Avec un transistor bipolaire :
Avec un transistor MOSFET :
Deux caractéristiques MOSFET :

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Introduction :

II arrive souvent, lors de la conception de circuits numériques, que l'on ait besoin d'un seul et unique inverseur. On pourrait, dans ces conditions, faire appel à un circuit intégré. Les dites " puces noires " qui comportent en général six à huit inverseurs constituent en effet la solution la plus évidente. Cependant, n'utiliser qu'une seule porte, sans faire appel aux autres serait du gaspillage tant d'un point de vue économique que de celui de la place nécessaire. Il est alors plus économique d'utiliser l'inverseur à un seul transistor décrit ci-après.

En cette époque où une intégration poussée à l'extrême ne constitue plus rien d'extraordinaire, on a tendance à oublier que les semi-conducteurs, pris à la pièce, peuvent être des composants fort pratiques. Plus incroyable encore actuellement on fait appel, pour remplir l'une ou l'autre fonction, automatiquement et sans bien réfléchir, à un circuit intégré. En regardant de plus près on découvre souvent que cette fonction ne demande rien de plus qu'un unique transistor associé, le cas échéant, à une résistance.

Suiveurs de tension, tampons d'entrée et de sortie et les sous-ensembles auxquels est consacré cet article, les inverseurs, sont d'excellents exemples de fonctions ne demandant qu'un seul semi-conducteur.

Avec un transistor bipolaire :

La figure 1 montre deux étages à transistor remplissant une fonction d'inverseur : un exemplaire à base de transistor NPN, l'autre utilisant un transistor PNP. Comme on le voit : faire un inverseur est une affaire de trois fois rien ! La ligne de base du transistor bipolaire comporte une résistance de valeur relativement élevée (10 kW dans nos exemples) chargée de limiter le courant de base. À la sortie on voit une résistance de forçage d'une valeur sensiblement moins grande (2,2 kW ) prise, sous forme de charge, dans la ligne du collecteur. Aux bornes de cette résistance on aura présence de la tension de sortie. II suffit donc de trois composants seulement pour réaliser un inverseur discret à l'aide d'un transistor bipolaire.

Figure 1 : Deux inverseurs discrets, réalisés à l'aide de transistors.

Avec un transistor MOSFET :

Par le simple remplacement du transistor bipolaire par un exemplaire MOSFET le circuit à inverseur en devient encore plus simple. Du fait qu'un transistor MOSFET peut être commandé quasiment sans courant, la résistance de limitation du courant, prise dans la ligne de base, devient superflue. L'inverseur ne comporte donc plus que deux composants.

La figure 2 montre les schémas de deux inverseurs MOSFET : à gauche un exemplaire à canal-N, à droite la variante à canal-P. On peut comparer le premier avec la version NPN de la figure 1, le second avec la version PNP de cette même figure. II s'agit ici de transistors MOSFET auto-bloquants, également connus sous le nom de "transistor à déplétion ", " transistor à appauvrissement " ou " transistor à enrichissement ". Le schéma de la figure 2 comporte les noms de quelques types classiques de ce genre de transistor.

Figure 2 : Si l'on utilise un transistor MOSFET, on pourra même se passer de résistance de limitation de courant.

On peut considérer un transistor MOSFET comme une résistance commutable qui, en présence d'une tension grille/source, Ugs, de 0 Volt prendra une impédance très élevée. Si la tension Ugs monte, la résistance commutable deviendra, à partir d'une certaine valeur, rapidement et, ce brutalement, plus faible. Dans ces conditions la jonction drain/source du MOSFET prendra une impédance faible. La tension à laquelle ceci se produit s'appelle tension de pincement (pinch-off), Up.
La figure 3 visualise cet effet. Cette figure comporte deux petits graphiques montrant, sous forme de courbe, l'évolution du courant de drain en fonction de la tension grille/source pour un transistor MOSFET à canal-N et canal-P respectivement. On voit donc qu'en présence d'une tension Ugs croissante il ne se passe pas grande chose initialement. Si cette tension atteint cependant le point Up on aura brusquement circulation d'un courant de drain qui, de plus, grimpe rapidement, simultanément avec l'augmentation de la tension Ugs.

Figure 3 : On voit sur ce graphique le courant de drain en fonction de la tension de grille/source d'un transistor MOSFET à canal-N et à canal-P respectivement.

Pour la réalisation d'un inverseur MOSFET, on utilise, en général, des transistors à faible signal en boîtier T092 (figure 4) bon marché et disponibles partout, tels que le BS170 (canal-N) ou le BS250 (canal-P). Si l'on préfère travailler avec des composants CMS, on pourra faire appel aux types classiques BSS123 (canal-N) ou BSS84 (canal-P) en boîtier SOT23 (figure 4).

Figure 4 : Boîtiers et brochages de quelques transistors MOSFET standard.

Deux caractéristiques MOSFET :

Un transistor MOSFET est une toute autre entité qu'un transistor " standard ". II faudra, lors de la manipulation de transistors MOSFET, être bien conscient du fait que la couche isolante entre la grille et la jonction drain/source est extrêmement fine et donc très sensible aux (dé)charges électrostatiques. Bien que cette caractéristique constitue un inconvénient par rapport aux transistors bipolaires, le comportement des transistors MOSFET compense amplement ce petit désavantage (comme l'illustrent les courbes de la figure 5). Ces courbes montrent nettement que le comportement des MOSFET est supérieur dès qu'il s'agit de suivre des impulsions rapides. Les deux oscillogrammes montrent le signal d'entrée (courbe supérieure) et le signal de sortie inversé (courbe inférieure).
La réaction du BS550 (figure 5a) montre un retard sensible par rapport au signal d'entrée, et plus spécifique par rapport aux flancs descendants (négatifs) du signal d'entrée rectangulaire. Les impulsions de sortie inversées sont donc très courtes et possèdent des flancs de qualité moindre.

Figure 5a : Voie A : 2 V / div. Voie B : 1 volt / div. Time / div = 1 us.

Le MOSFET BS170 (figure 5b) présente un comportement sensiblement meilleur. La réaction aux flancs négatifs du signal d'entrée est beaucoup plus rapide et les flancs du signal de sortie sont relativement raides.

Figure 5b : Voie A : 2 V / div. Voie B : 1 volt / div. Time / div = 1 us.