Esperienza n 8: AMPLIFICATORE

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Laboratorio IV Esperienza n 8: AMPLIFICATORE
Esperienza n 8: AMPLIFICATORE
Il più semplice amplificatore ad un transistor ad emettitore comune è presentato in fig. 1
Ic
TIP
.
Ib
.
Vin
Rc
46
Vr
Vcc
Ri
12V
Vou
4.7k
.
.
Fig. 1 Amplificatore ad un transistor ad emettitore comune
Una tensione positiva applicata all’ingresso genera una corrente Ib.
Sul collettore passa una corrente Ic = Ibβ
βf (avendo definito βF il rapporto fra la
corrente di collettore e quella di base).
La tensione di collettore Vc che è chiamata anche Vout diventa:
Vout = Vcc – Vr = Vcc – IcRc = Vcc - Ibβ
βFRc
Una tensione negativa applicata all’ingresso non provoca nessuna corrente dentro la
base (giunzione polarizzata inversamente) quindi Ic = 0 e Vout = Vcc.
Per amplificare sia
la parte positiva che negativa di una tensione sinusoidale è
necessario sovrapporre una componente continua in modo che il transistor sia sempre in
Vin
Vbb
t
Vcc
Vout
Fig.2 Forme d’onda della tensione di ingresso Vin e tensione di uscita Vout
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conduzione.
La fig.2 è rappresenta una tensione Vin composta da una tensione continua Vbb
sommata ad una tensione sinusoidale. Nella parte in giallo si può notare che la tensione
diventa negativa e la corrente Ib diventa zero, il transistor non può condurre e la
tensione Vout è uguale a Vcc; il transistor si dice interdetto.
Nelle zona verde, la tensione Vin è molto elevata, passa molta corrente dentro la base,
quindi molta corrente sul collettore, e la tensione Vout = Vcc – IcRc, diventa piccola,
ma non può diventare minore di zero, perché l’alimentatore non fornisce tensioni
negative; il transistor si dice saturo.
Gli stati di funzionamento non lineare: transistor saturo ed interdetto sono usati nei
circuiti logici (circuiti dei calcolatori) per ottenere i livelli logici 0 oppure 1.
Per amplificare una sinusoide senza deformarla, si deve mandare all’ingresso
dell’amplificatore una tensione vi composta anche da una parte continua:
vi = Vbb + Vssenω
ωt
con Vbb > Vs
usando il modello del transistor, come illustrato nell’esp.12 con Rb = 0 e Vσ al posto di
ib =
Vγ si ottiene:
Vbb − Vσ + Vs sen ωt
Ri
che a sua volta moltiplicata per βf fornisce la corrente di collettore.
La tensione Vce = Vout diventa:
Vout = Vcc − [Vbb − Vσ + Vs sen ωt ]
Rc
βF
Ri
La tensione, che rappresenta il nostro segnale, Vssenω
ωt risulta essere amplificata di una
quantità Rcβf/Ri.
Non volendo usare il modello sviluppato nell’esperienza n. 12, si può seguire la via
grafica per visualizzare il funzionamento dell’amplificatore ed anche per ricavare un
altro parametro importante del transistor:
h fe = β 0 =
∆I c
∆I b
VCE = cos t
Questa quantità è utile se i segnali da amplificare sono piccoli, allora nel modello
sviluppato si può sostituire a βf l’amplificazione β0 che risulta essere più realistica.
La fig.3 rappresenta le caratteristiche Ic - Vce ricavate nell’esp. 12.
La retta che unisce i punti Vcc ed Icc è chiamata retta di carico e si ricava scrivendo
l’equazione della maglia di collettore:
Vcc = Vce + RcIc
2
1)
2
3
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I punti Vcc e Icc (Icc = Vcc / Rc) rappresentano rispettivamente il transistor interdetto
ed il transistor in cortocircuito. Se il transistor conduce deve essere soddisfatta la 1)
quindi il punto di funzionamento del transistor deve stare sulla retta di carico.
Icc mA
250
Ic
Ib
600µA
200
500µA
150
Issenωt (segnale)
400µA
t
300µA
100
200 µA
Ib costante
50
100µA
2
4
Vce costante
6
8
10
12 V
Vce
Vs
segnale amplificato
t
Fig. 3 Costruzione grafica dell’amplificazione
In fig. 3 è presentato il meccanismo di amplificazione dell’amplificatore di fig. 1:
Il segnale di corrente con sovrapposta una corrente continua viene mandato dentro alla
base del transistor, si genera una corrente di collettore che diventa una tensione ai capi
della resistenza e Vce risulta quindi sfasata di 180° rispetto alla corrente di base.
Modo di procedere
Dopo aver montato il circuito sull’apposita basetta, collegare all’ingresso dell’
amplificatore il generatore di funzione impostato in modo che generi una tensione
continua. Per questo scopo si deve usare la manopola di “off-set”. La tensione continua
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deve essere tale che generarando nella base del transistor una corrente Ib costante, si
abbia Vce = 6V, come da fig. 3. Questo è il punto di funzionamento del transistor.
- Sovrapporre a questa tensione un’onda quadra molto piccola (ciò equivale a dare degli
incrementi ad Ib) e ricavare con misure eseguite con l’oscilloscopio l’incremento Ic:
∆I b =
∆Vi
Ri
∆I c =
∆Vce
Rc
dal rapporto fra queste due quantità si ottiene β0
β0 =
∆I c
∆I b
Vce = 6 V
- Applicare un segnale sinusoidale e dal rapporto fra Vin e Vs letti sull’oscilloscopio
calcolare l’amplificazione in tensione del segnale:
AV =
Vs
Vin
osservare la deformazione della tensione sinusoidale, ed eventualmente usando
l’oscilloscopio digitale che può eseguire la “fast fourier tranformer” determinare la
creazione delle armoniche che denotano la distorsione del segnale amplificato.
- Collegare in serie alla resistenza Rc un altoparlante e, mandando segnali, di frequenza
di circa 1kHz, sentire il suono che si genera.
- Sostituire la Rc con una lampadina (usata nel ciclo di Isteresi) e, facendo lavorare il
transistor in saturazione ed interdizione, osservare che la lampadina si accende e si
spegne.
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