AA 13-14: Traccia delle lezioni sul BJT-CE
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Il TRANSISTOR Il primo transistor della storia Inventori del Transistor Il transistor bipolare a giunzione (BJT) è stato inventato nei laboratori BELL nel 1948, da : • William Shockley, • John Bardeen • Walter Brattain. IL TRANSISTOR IC p n IB p IE pnp IC COLLETTORE n BASE p (sottile rispetto alla lunghezza di diffusione) IB n EMETTITORE (fortemente drogato) IE +IB+IC=0 IE npn Simboli circuitali del transistor pnp npn C C B B E E Funzionamento del transistor •Il funzionamento del transistor prevede che le sue due giunzioni siano polarizzate (ing. biased). Ovvero deve essere applicata una opportuna tensione ad ogni terminale: Emettitore, Base e Collettore. •Le possibili combinazioni in cui le due giunzioni E-B e B-C possono essere polarizzate, sono mostrate nella seguente tabella: Modi di operazione del BJT (Bipolar Junction Transistor) Giunzione Emettitore Base Giunzione Collettore Base Modalità di funzionamento (zona) DIRETTA INVERSA ATTIVA-DIRETTA INVERSA INVERSA SPENTO DIRETTA DIRETTA SATURAZIONE INVERSA DIRETTA ATTIVA-INVERSA IL TRANSISTOR POLARIZZATO EMETTITORE p BASE COLLETTORE IC p n VEB + _ + _ VCB La giunzione EB è polarizzata direttamente le lacune diffondono verso la Base IE VEB + _ IB _ V + CB IC IL TRANSISTOR Principio di funzionamento (effetto transistor) EMETTITORE p+ BASE COLLETTORE p n + _ _ + La giunzione BC è polarizzata inversamente le lacune diffondono verso il collettore IE _ + IB _ + IC GUADAGNO IN CORRENTE DEL TRANSISTOR Nei transistor reali il 98.0% - 99.8% della corrente IE raggiunge il collettore. I C F I E I B (1 1 F con (VCB 0) )IC F IC IB F IB 1F Guadagno di corrente a di corto circuito a emettitore comune (hFE) F 50 250 IL MODELLO DI EBERS-MOLL p n p BJT pnp + + VEB - - VCB I E I ED R I CD I ES e VEB / VT 1 R I CS e VCB / VT 1 I C R I ED I CD F I ES eVEB /VT 1 I CS eVCB /VT 1 I E I ES eVEB /VT 1 I C F I ES eVEB /VT 1 F I E Relazioni approssimate per polarizzazione attiva diretta Polarizzazione del transistor configurazione CE – Retta di carico VCC RC RB VCC IC RCIC C B VCC VCE VBE ~ 0.7V E La retta di carico VCC RC I C VCE Le “caratteristiche” del transistor (di uscita e a emettitore comune) Transistor saturo I C F I B I CE 0 VCC RC I C VCE Transistor in zona attiva L’incrocio della retta di carico con la curva caratteristica con IB=cost. determina il punto di lavoro (la soluzione del circuito). Ad esempio con IB=80µA Transistor spento Amplificatore a transistor Configurazione CE – Progetto del circuito RB =1.0MΩ VCC =10V RC=2.2kΩ RC IB IC =1.8mA C VCE =6V B VBE ~ 0.7V E Transistor in configurazione a Emettitore Comune CE (Common Emitter) V VCE 10 6 I I C CC mA 1.8 mA se F 200 I B C 9 A RC 2.2 F RB VCC 0.7V VCC 0.7V 10 0.7 1.0 M IB IC / F 9A Amplificatore in configurazione CE RC RB 5mV IB VCC =10V IC C B ~ vi vu VBE ~ 0.7V E iB (t ) I B ib (t ) 9 5 sin t A iC (t ) I C ic (t ) F [ I B ib (t )] 1.8 1.0 sin t vCE (t ) VCE vce (t ) 6 Vce sin t V Vce RC 1mA 2.2 V 2.2V mA I «Piccoli Segnali» • Dispositivi non lineari • Polarizzazione • Linearizzazione della caratteristica xP (t ) X P x p (t ) (x: tensione o corrente) totale; continua piccolo segnale Modello a p del BJT per piccoli segnali Giunzione di ingresso polarizzata direttamente ib Resistenza dinamica della giunzione di ingresso Resistenza che tiene conto dell’effetto Early Generatore controllato di corrente (Effetto Transistor) gm Transconduttanza g mvbe g m rp ib ib g m rp Modello di un amplificatore a transistor in configurazione Emettitore Comune (CE) c ib i v ~ u rp gm vp RC i e e RC R B VCC ~ IB vi VBE ~ B IC C 0.7V E vc =vC-VC Parametri caratterisitici di un amplificatore a bassa frequenza • • • • Amplificazione di corrente iu AI ii vu Amplificazione di tensione Av v i vi Impedenza di ingresso Ri ii Impedenza di uscita Ru vu c.a . iu c .c . Parametri di un amplificatore a transistor in configurazione CE a bassa frequenza vi ~ ib rp iu gm vp RC iu g m vp g m rp ib AI g m rp ii ib ib Av vu RC g m rp ib R RC g m C vi rp ib rp vi Ri rp ii Ru vu c .a . iu c .c . RC iu RC iu Studio in frequenza di un amplificatore • • • • • Frequenza di taglio inferiore Frequenza di taglio superiore Larghezza di banda Amplificazione a Mezza Banda (sfasamento) Diagramma di BODE Amplificazione in dB Diagramma di Bode di un BJT frequenza in scala log Capacità delle giunzioni pn • Capacità di diffusione se la giunzione è polarizzata in modo diretto q Cp I O(100 pF ) V VT • Capacità di transizione o giunzione (C ) se la giunzione è polarizzata in modo inverso A C O(1 pF ) W Risposta in frequenza di un amplificatore CE (basse frequenze) ib C Rg vg vp vp rp gmvp RC ~ v g rp Rg rp rp vg vg R r g p j 1 rp sC 1 jC o j / o 1 j / o Funzione di trasferimento del «passa alto» o=1/(Rg+rp)C è la frequenza di taglio (se H( ) v p /v g ) Il modello completo del transistor per “piccoli segnali” rb b r e c C ib vp= rp ib rc rp Cp gmvp rb: Resistenza di contatto di base ~ 100 rπ Resistenza di giunzione di B-E ~ 1k gm transconduttanza 0.1-0.4Ω-1 ro Resistenza effetto Early ~ 100k rc: Resistenza di contatto del collettore ~ 1 r: Resistenza di giunzione (BC) ~ 1M Cp Capacità di diffusione (B-E) ~ 100pF C Capacità di transizione (B-C) ~ 1pF ro e Teorema di Miller Se in un circuito i punti A e B sono connessi da un’impedenza Z e se è noto il rapporto =VB/VA (Fig. 1), allora l’impedenza Z può essere sostituita da due impedenze ZA e ZB rispettivamente da A e B verso massa (Fig. 2). Dimostrazione: Se I è la corrente in Z diretta da A a B, allora B A VB VA VB ZI VA 1 ZI VA Z VA 1 ZI ; VA I Z AI; 1 1 Z VB 1 ZI ; VB I ZBI; 1 Z Z ZA , ZB 1 1 I Z Figura 1 B A I ZA ZB I Figura 2 Risposta in frequenza di un amplificatore CE (alte frequenze) b B rc c C Rg vg rb A vb rp ~ Cp ro g mv p e e Cp Capacità di diffusione (B-E) ~ 100pF Cm Capacità di transizione (B-C) ~ 1pF Applichiamo il teorema di Miller (Z è la capacità di transizione C RC Analisi in frequenza del transistor in conf, CE Rg vg b rb vb rp ~ e A C 1AV)/AV Cp C 1AV) B rc c ro g mv p e RC Risposta in frequenza di un amplificatore CE (alte frequenze) Il circuito equivalente di un amplificatore a Transistor in configurazione CE si comporta come un RC Passa Basso con la resistenza data da R rb || rp || Rg rb e con la capacità data Cp C 1AV) Esempio A R=rb//rp//Rg vp vg ~ C R RC rb 100 1 C 10 12 s 5 10 8 s rp 1 3MHz 2p 2pRC Risposta in frequenza di un amplificatore CE Diagramma di Bode dell’amplificazione Frequenza di taglio bassa dovuta alla capacità di blocco e impedenza di ingresso Frequenza di taglio alt capacità di diffusione e 3 dB AV “Mezza banda” (dB) Frequenza (Hz)
