Elettronica Analogica Luxx – Luca Carabetta Transistor BJT Un

Elettronica Analogica
Luxx – Luca Carabetta
Transistor BJT
Un transistor è un componente elettronico, di modelli di transistor ve ne sono a migliaia, noi
studieremo il più comune, il BJT.
BJT sta per Bipolar Junction Transistor ovvero transistor a giunzione bipolare.
Si dice a giunzione poichè è composto da due diodi a giunzione disposti in un certo modo.
Possiamo avere due disposizioni, NPN e PNP, N e P indicano il drogaggio del silicio.
Con drogare il silicio intendiamo quel processo per cui nella mescola di silicio vengono aggiunti in
piccole quantità delle impurità, ad esempio di Gallio.
A seconda della struttura atomica di questi componenti, si ottiene un drogaggio N o un drogaggio P.
Un diodo è formato da due parti, una di tipo N e una di tipo P, unendo due diodi possiamo ottenere i
transistor sopra citati.
Le lettere B, C, E stanno ad indicare le tre uscite del transistor BJT e che sono rispettivamente Base,
Collettore ed Emettitore.
La freccia dell’emettitore indica il verso della corrente se la giunzione B-E fosse polarizzata
direttamente.
Per analizzare il comportamento del BJT occorre analizzare le curve caratteristiche.
Il BJT può essere visto come doppio bipolo, un bipolo in
ingresso e un bipolo in uscita.
La curva caratteristica in ingresso rappresenta:
IB = f(VBE) per VCE costante
La curva caratteristica in ingresso è simile a quella del diodo, l’unica differenza è il punto di Break
Down che è minore, il transistor infatti intorno ai -5V diventa inutilizzabile.
Più interessanti invece sono le curve caratteristiche in uscita, ovvero rappresentate da
IC = f(VCE) per IB costante
Esiste una curva che coincide con l’asse X avendo IB = 0.
Il BJT lavora in modi diversi in tre zone:
•
Interdizione, rappresenta l’1 logico;
•
Saturazione, rappresenta lo 0 logico;
•
Zona Attiva, sono rette parallele ed equispaziali in cui abbiamo la seguente uguaglianza:
IC = hFE * IB
hFE è una costante che a seconda del modello di transistor assume valori da 100 a 300.
In Zona Attiva il BJT si comporta da Amplificatore di corrente e quindi di Tensione.
Vediamo ora il circuito dal quale riusciamo a ricavare queste tre situazioni a seconda dei valori dei
componenti.
Interdizione se IB = 0, quindi IC = 0, VBE = 0, VCE = 5V.
Saturazione e zona attiva se VBB = VCC = 5V.
A seconda dei valori di RB, Rc il circuito può risultare saturo
o in zona attiva.
VCE circa 0.2 V.
Supponiamo di conoscere VCC, VBB, RB, RC; calcoleremo IB, VBE, IC, VCE.
Per risolvere il circuito si procede a scrivere l’equazione della maglia in ingresso.
VBB – VBE = RB * IB
Questa formula può essere esplicitata nel seguente
grafico(una retta detta retta di polarizzazione).
Il punto di intersezione tra la retta di polarizzazione e la
curva caratteristica in ingresso ci fornisce i valori di IBQ
e VBEQ ovvero i valori di quiescence, di
funzionamento.
L’equazione della maglia in uscita è invece
VCC – VCE = RC * IC
Questa equazione rappresenta una retta chiamata “retta
di carico”.
Tra le curve indicate me ne interesserà soltanto una, ad
esempio quella tarata per IB = 0.
Questo viene chiamato “metodo grafico”, si può però
ragionare in modo approssimato, dicendo che VBE =
0,7 V per cui IB = (VBB – VBE) / RB.
Per quanto riguarda le curve caratteristiche in uscita
possiamo dire che IC = hFE * IB; questa relazione
vale solamente in Zona Attiva).
L’ultima incognita del nostro problema è VCE che sarà VCE = VCC – RC * IC.
Esercizio numerico: progettazione in zona attiva
Supponiamo
VCC = VBB = 5V, VCE = 0.5 V, IC = 5mA, VBE = 0.7V, hFE = 100
RB, RC = ?
1) Facendo riferimento all’equazione della maglia in uscita posso dire che
RC = (VCC – VCE) / IC = 500Ω
2) Relazione tra IB e IC
IB = IC / hFE = 50μA
3) Facendo riferimento all’equazione della maglia in ingresso
RB = (VBB – VBE) / IB = 86KΩ
Amplificatori
BJT come Amplificatore
Il più semplice circuito amplificatore con BJT è il seguente
VBB, VCC, RB, RC ci serviranno a progettare il BJT per
lavorare in zona attiva.
Vediamo che il circuito prevede un generatore di tensione
continua(VBB) sommato ad un generatore di tensione
alternata(VS, signal), saremo dunque obbligati ad operare
secondo il principio di sovrapposizione degli effetti per
risolvere il circuito.
Se VS = 0 avremo VBB – VBE = RB * IB
In presenza di segnale, la retta di
polarizzazione trasla parallelamente a se
stessa mentre il punto di funzionamento si
sposta sulla curva caratteristica tra A e B.
Praticamente, avendo un segnale sinusoidale,
VBB arriva ad un massimo di VBB + VSM e
ad un minimo si VBB – VSM e si comporta
se stessa come una sinusoide.
Di conseguenza anche la corrente seguirà
questo comportamento e avrà valor medio di
VBB / RB, valor massimo di (VBB + VSM) /
RB, valor minimo di (VBB – VSM) / RB.
Di conseguenza i punti di intersezione con la curva caratteristica trasleranno.
Diciamo quindi infine che
vBE = VBEQ + vbe
iB = IBQ + ib
In uscita quindi avremo
VCC – vCE = RC * iC
In presenza di segnale il punto di
funzionamento si sposta sulla retta di carico tra
A e B ottendendo le seguenti forme d’onda.
Si noti che, se il segnale è piccolo, otteniamo
sinusoidi con valor medio o nullo.
Il risultato ottenuto ci suggerisce l’uso del principio di sovrapposizione degli effetti.
Circuito complessivo = circuito statico + circuito dinamico
Il segnale in uscita può anche essere molto più grande del segnale in ingresso.
Grandezze caratteristiche di un amplificatore
un amplificatore qualsiasi è caratterizzato da alcune grandezze caratteristiche




Rin, resistenza in ingresso
Rout, resistenza in uscita
Av, guadagno di tensione a vuoto
AV, guadagno di tensione sotto carico
Il circuito equivalente di un amplificatore è il seguente
Rin rappresenta il rapporto tra tensione in ingresso e corrente in ingresso, è importante per il fatto
che il segnale Vs ha sempre una resistenza interna Rs; se noi vogliamo che questa resistenza Rs non
influisca sul comportamento dell'amplificatore, Rin dovrà avere dei valori enormi, per ipotesi
infiniti.
Rout è importante poiché un'eventuale carico(Rl) potrebbe essere ai morsetti, per evitare il peso di
Rl si progetto Rout molto piccola, per ipotesi uguale a 0.
Ci interesseranno le grandezze αin e αout
Supponiamo di avere Rin = 200k, Rs = 20k, Rout = 1k, Rl = 5k; calcolare le varie grandezze
Amplificatori in continua
in genere gli amplificatori sono detti “in AC” ed amplificano segnali alternati, esistono però degli
amplificatori “in DC” che amplificano segnali continui.
Un segnale continuo non è un segnale costante ma varia molto lentamente nel tempo(al limite a
frequenza nulla).
Amplificatore Differenziale
è un amplificatore che amplifica la differenza tra
due segnali
serve ad amplificare un segnale in cui nessun capo
è a massa
Amplificatore Operazionale
è un amplificatore differenziale per segnali continui, il suo simbolo elettrico
è il seguente.
Si noti che è un componente alimentato da un alimentazione duale di valore
±15V.
Per studiare circuiti amplificatori realizzati con operazionale occorrerebbe studiare circuito statico e
dinamico separatamente e poi sommarne gli effetti, noi per semplicità supporremmo nulla l'uscita
statica, studieremo quindi solo il circuito dinamico.
Ecco qui proposto il circuito dinamico equivalente
dell'operazionale.
Supporremo Rod uguale a 0 e Rid infinita.
Secondo queste ipotesi otterremo un guadagno altissimo,
per amplificare di meno, si utilizza una particolare
tecnica chiamata reazione negativa.
Amplificatore non invertente
A causa della reazione negativa avremo una particolare
situazione denominata “cortocircuito virtuale”, avremo
teoricamente vd = 0 e contemporaneamente id = 0.
La questione teoricamente è impossibile, è infatti una
situazione approssimata della realtà dove vd e id sono
molto piccole ma non nulle quindi trascurabili.
Dal circuito, studiando la maglia d'ingresso e la maglia
d'uscita possiamo ricavare alcune grandezze utili.
Guadagno, quanto l'amplificatore riesce ad amplificare
Dai calcoli risulterà poi ciò che in precedenza abbiamo osservato teoricamente ovvero
Voltage Follower
è un caso particolare di amplificatore non invertente, si
ha quando il guadagno Av è pari a 1, non ha quindi
utilità come amplificatore ma serve a collegare un
segnale con una certa Rs ad un certo carico Rl, è
utilizzato anche nei filtri passa banda e serve collegare
filtro passa basso con filtro passa alto.
Si ottiene se R2 = 0 oppure R1 = infinito oppure se
avvengono entrambe le condizioni.
Dimostrazione del funzionamento di un amplificatore differenziale
Esercitazione: differenziale, sommatore invertente, non invertente, algebrico
Convertitore Corrente – Tensione
Generatore di Corrente: un generatore di corrente fornisce una certa corrente costante
qualunque sia la tensione ai suoi capi.
Un generatore di corrente ha sempre una sua resistenza in parallelo.
Il simbolo elettronico è il seguente.
Un convertitore corrente-tensione converte la
corrente fornita da un generatore di corrente in
una certa tensione.
Questo è il circuito di un convertitore correntetensione.
Vout = Rf * Iin
Esercizio: si voglia convertire una Iin = 0mA-10mA in una Vout = 0V-5V
progettiamo Rf
Esercizio si voglia convertire una Iin = 0mA-2mA in una Vout = 0V-5V
Basta sottrarre alla Iin 2mA e progettare Rf di conseguenza.
Progettiamo R
Vrif è 15 Volt in quanto equivale a +VCC
dell'operazionale.
Amplificatori tensione-tensione: sono normali amplificatori di tensione, a seconda della
conversione richiesta, invertente, non invertente o differenziale.