Esperimentazione di fisica 3

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 tre
fisici:
• John Bardeen
• Walter Brattain,
• William Shockley.
• Nel 1956 vincono il premio Nobel
per questa invenzione
IL TRANSISTOR
IC
IB
IC
p
COLLETTORE
n
n
BASE
(sottile)
p
p
IE
pnp
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 transistor per funzionare deve essere polarizzato
(ing. biased). Ovvero deve essere applicata una
opportuna tensione ad ognuno dei terminali
(Emettitore, Base e Collettore).
•Se la giunzione
•EB è polarizzata direttamente
e
•BC è polarizzata inversamente
Allora:
Il Transistor è detto polarizzato nella zona attiva e
può funzionare da amplificatore
Modi di operazione del BJT
(Bipolar Junction Transistor)
Modo
Giunzione
Emettitore Base
Giunzione
Collettore Base
Attiva-diretta
Diretta
Inversa
Spento
Inversa
Inversa
Saturazione
Diretta
Diretta
Attiva-inversa
Inversa
Diretta
IL TRANSISTOR POLARIZZATO
EMETTITORE
p+
VEB +
BASE
COLLETTORE
IC
p
n
_
+
_ 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% - 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
1F
F Guadagno di corrente di
corto circuito a emettitore
comune (detto anche hFE)
  F  50  250
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 in saturazione
Transistor in zona attiva
VCC  RC I C  VCE
I C   F I B  I CE 0
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
Effetto Early: curve a IB costante non parallele all’asse VCE
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
9A
Il modello dei Piccoli Segnali
• In molti circuiti la tensione (o corrente) può
essere descritta come un segnale variabile
nel tempo cui si somma una valore costante:
v X (t )  VX  v x (t )
Piccolo Seganle
Segnale totale
Valore costante
v x (t )
VXX
v X (t )  VX  v x (t )
Amplificatore in configurazione CE
RC
RB
5mA
IB
VCC =10V
IC
C
B
~
vi
VBE ~ 0.7V
iB (t )  I B  ib (t )  9  5 sin t
vu
E
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
Il modello ibrido a P
c
b
ib
ro
rp
gm vp
e
•
•
•
•
Modello semplificato del funzionamento del BJT
rp è la resistenza della giunzione polarizzata direttamente (circa 1k).
gm vp è la corrente generata del generatore controllato di corrente
ro è la resistenza di uscita, responsabile dell’effetto Early
Parametri di un amplificatore a transistor
in configurazione CE
Rg
iu
c
ib
b
vg
~
vi≡vb
rp
gm vp
RC
e
vu
e
iu g m vp g m rp ib
AI  

 g m rp  
ii
ib
ib
Parametri dell’ amplificatore
a BJT a Emettitore Comune
Av 
vu  RC g m rp ib
R

  RC g m    C
vi
rp ib
rp
v
Ri  i  rp
ii
Ru 
vu
c.a .
iu
c .c .

RC iu
 RC
iu
Risposta in frequenza di un amplificatore
CE (basse frequenze)
Rg
C i
b
c
b
vg
~
vi≡vb
iu
Si deve considerare solo
vu
gm vp
lo «stadio di ingresso» RC
rp
e
e
GENERATORE
BJT – CONFIG. CE
• Passa alto formato da C (capacità di blocco) e rp..
• Quanto vale la tensione (complessa) Vp ?
rp
Dove so.=1/ rp C
s rp C
s / so
Vp  Vi
 Vi
 Vi 
1
s
r
C

1
1

s
/
s
p
o
rp 
sC
Passa Alto
Il modello completo del transistor per “piccoli segnali”
b
ib
vp= rp ib
e
r
rb
rc
c
C
rp
Cp
ro
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
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 allora l’impedenza Z può essere
sostituita da due impedenze ZA e ZB rispettivamente da A e B
verso massa
 VB 
V A  VB  ZI  V A 1    ZI
 VA 
Z
V A 1     ZI ; V A 
I  Z AI
1 
1 
Z
VB   1  ZI ; VB 
I  ZBI
1 
 
A
A
B
Z
B
ZA ZB
Risposta in frequenza di un amplificatore
CE (alte frequenze)
b
A
B
rc c
C
Rg
vg
rb
vb
rp
ro
Cp
~
C(1-A)
C(1-A)/A
gmvp
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
Risposta in frequenza di un amplificatore CE
(alte frequenze)
Passa Basso
R  rb || rp || Rg
A
vg
Circuito equivalente «visto» dal generatore
Cp  C 1AV)
~
Esempio numerico
rb  20, RC  1k, rp  1k,   200,
Cp  100 pF , C  1 pF
R  rb || rp  rb
A
vb
~
Cp  C 1AV)
Circuito equivalente «visto» dalla base

RC 

 10 12 s  5 10 8 s
RC  rb 100  1 
rp 


1
H 

 3MHz
2p 2pRC
Frequenza di taglio
del «passa basso»
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)
BJT – Emettitore Comune con RE -
Polarizzazione della base
VCC
VBB 
R2
VCC
R1  R2
R1
R1 R2
RB  R1 // R2 
R1  R2
IB
IC
C
B
IC
VBB
RC
vu
RB
E
R2
IB
IE
RE
VBB  I B RB  VBE  ( I B  I C ) RE
RE
se  F  1 e I B RB  VBB
VBB  VBE
IE 
 IC
RE
RE – Come retroazione (“FEEDBACK”)
VCC
 VB   VBE  VB  VE 
 I B   I C    I B
IC
RC
 I E  I C   VE  VBE
C
IB B
VC
Caratteristica di ingresso
IB (A)
VB
E
RE
VE
IE
VBE (V)
Circuito equivalente per piccoli segnali a bassa
frequenza
ig
R1 R2
RB  R1 // R2 
R1  R2
b
ib
c
rp
Rg
gm vp
RB
~
AI   ;
iu =ic
vg
RC
e
RE
RC
RC
AV  

rp  1   RE
RE
Ri  rp  (   1) RE ;
Ru  RC
vu
BJT in configurazione CC
(Emitter Follower)
VCC
Polarizzazione
configurazione CC
IC
R1
IB
C
B
~
vi
VBE ~ 0.7V
E
R2
RE
vu
Circuito equivalente per piccoli segnali a
bassa frequenza BJT conf. CC
ig
b
ib
c
rp
Rg
gm vp
RB
~
vg
e
RE
vu
L’uscita è sull’emettitore
Disponendo diversamente i componenti
ma senza modificare la topologia:
b
e
iu
gm vp
rp
Rg
vg
ib
RE
vb
vu
~
c
v b  ib rp  (ib  g mv p ) RE  ib rp  (ib  g m rp ib ) RE  ib rp  ib (1   ) RE
vb
Ri 
 rp  (1   ) RE   RE
ib
iu  ( g mv p  ib )
AI  
 (1   )   
ib
ib
Caratteristiche dell’Emitter-Follewer (continua)
v u  RE iu
(1   ) RE ib
rp
AV 


 1
1
vb
vb
[rp  (1   ) RE ]ib
(1   ) RE
Ru 
v ca (1   ) RE ib ( RE  0)

;
i cc
(1   )ib ( RE  0)

vb
vb 
; ib ( RE  0)   da cui :
ib ( RE  0) 
rp  (1   ) RE
rp 

vb
rp
rp RE
rp
(1   ) RE
Ru 

  10
(1   ) rp  (1   ) RE v b rp  (1   ) RE 
Amplificatori in cascata
(CE+CC)
VCC
RC
R1
vg
~
Ip
C
R’1
vu
B
R2
E
R’2
R’E
RE
CEE
Accoppiamento ac
CC
Amplificatori in cascata
(CE+CC)
VCC
RC
R1
vg
~
Ip
C
vu
B
R2
E
R’E
RE
CEE
Accoppiamento dc
CC
Configurazione CB
Nella configurazione a base comune (CB) la Base del transistor è
in comune tra ingresso e uscita dell’amplificatore
VCC
ii
RC
gmvp
e
iu
c
RC
vu
E
+
vi
C
+
vu
RE
B
-
-
Rg
rp vp
RE
vg
~
+
b
-VEE
Amplificatore con BJT in
configurazione:
Base Comune
vi
Circuito equivalente per piccoli segnali
Impedenza d’ingresso
ii
~
v
vp
Ri  i 
;
ii
ii
e
rp vp
RE
vg
gmvp
+
b
vi
 v p  rp (ii  g mv p ), risolvendo per  v p /ii 
 Ri 
vp
rp
r

 p
ii
1  g m rp 
iu
c
RC
vu
Amplificazione di corrente
ii
e
rp vp
RE
vg
gmvp
~
+
b
vi
iu g m vp
rp
Ai  
 g m vp 
ii
ii
 vp (1  g m rp )


1 
 1;
iu
c
RC
vu
Amplificazione di tensione
ii
e
rp vp
RE
vg
gmvp
~
+
b
vi
v u  g mv p RC
RC
AV 

 g m RC  
;
vi
 vp
rp
iu
c
RC
vu
Impedenza d’uscita
ii
e
rp vp
RE
vg
gmvp
~
+
b
vca  g m vp RC
Ru 

 RC ;
icc
 g m vp
vi
iu
c
RC
vu
Caratteristiche approssimate per le
configurazioni del BJT
CE
CE +RE
CC
CB
AI


-(1+)
-1
Ri
rp
rp+(1+) RE
rp+(1+) RE
rp/
AV
- RC/rp
-RC/RE
1
 RC/rp
Ru
RC
RC
rp/
RC
Transistor a effetto di Campo
(FET)
FET a giunzione: JFET
Transistor a effetto di Campo
(FET)
Caratteristiche di uscita del JFET
Un Applet sul JFET
http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/jfet.html