ESEMPIO DI AMPLIFICATORE A BJT AD EMETTITORE COMUNE CON RESISTENZA DI EMETTITORE (Dati uguali all’Esempio di par.8.2.2, Fig.8.33 del testo R.R.Spencer & M.M.Ghausi: Introduction to Electronic Circuit Design) Calcolare il punto di lavoro del BJT Q1 di Fig.1, le amplificazioni a media frequenza di tensione Av= vo /vi e di corrente Ai =il /ii , l’amplificazione di potenza Ap =Wl /Wi e le resistenze di ingresso Ri e di uscita Ro nei punti P1 e P2 indicati. Si trascuri l’effetto Early. VCC= 10 V i in R IN vi ii Ri P1 RC 2.2k Ω R1 40k Ω C IN Q1 100Ω + vin - R2 10k Ω CO P2 Ro β=100 VBE =0.7 V vO il RL 1k Ω RE 650 Ω Fig.1. Circuito con transistor BJT connesso a Emettitore Comune con resistenza in emettitore Soluzione: a – schema equivalente completo Si può sostituire il transistor con un suo schema equivalente, ottenendo il circuito di Fig.2, valido sia ai grandi segnali sia ai piccoli segnali. (Il tracciamento del circuito di Fig.2 è un passo intermedio, mostrato per facilitare la comprensione degli sviluppi successivi e viene di solito omesso considerandolo sottinteso). R IN + vin - C IN RC 2.2k Ω CO 100Ω R BB + VBB - 8kΩ B C + v BE - + VCC - iC ( v BE ) vO RL 1k Ω E RE 650 Ω v BE =VBE + r π i b iC =βI B + gmvbe Fig.2. Schema equivalente completo Nello schema equivalente del transistore, la tensione totale vBE si considera la somma della tensione continua del punto di lavoro VBE , funzione come è noto della corrente IC , più un termine incrementale ai piccoli segnali pari al prodotto rπ ib . Analogamente, la corrente totale di collettore iC si considera la somma di un termine continuo, relativo al punto di lavoro, βIB , più un termine ai piccoli segnali gm vbe . Il partitore, formato da R1 e R2 ed alimentato da VCC , è stato sostituito dal generatore equivalente VBB e dalla resistenza equivalente RBB . I valori di tali elementi sono dati da Corso di Fondamenti di Elettronica - A.A.2004-2005 -1 - Esempio di Amplificatore a BJT ad emettitore comune VBB = VCC R2 10 ⋅ 103 = 10 ⋅ =2 V R1 + R 2 40 ⋅ 103 + 10 ⋅ 103 R BB = R 1 // R 2 = (1) R1 ⋅ R 2 40 ⋅ 103 ⋅ 10 ⋅ 103 = = 8 kΩ R 1 + R 2 40 ⋅ 103 + 10 ⋅ 103 (2) In base al principio della sovrapposizione degli effetti, lo schema equivalente completo si può scindere in uno schema equivalente ai grandi segnali, che consente di determinare il punto di lavoro del sistema ed in particolare del BJT, ed in uno schema equivalente ai piccoli segnali, su cui si calcolano le amplificazioni e le impedenze richieste, che sono appunto relative al comportamento ai piccoli segnali. Spesso, e in particolare in questo caso, interessa il comportamento ai piccoli segnali in centro banda, cioè a frequenze diverse dalla continua ma non troppo alte. In questo caso, di solito, i condensatori impiegati nello schema hanno valori tali per cui le loro impedenze risultano molto alte in c. continua e abbastanza basse a frequenza di centro banda. Perciò, se non specificato diversamente, i condensatori si considerano circuiti aperti nel ricavare lo schema ai grandi segnali e corti circuiti nel ricavare lo schema ai piccoli segnali. b – studio ai grandi segnali In base a quanto detto, si osserva che, ai fini della determinazione dello schema ai grandi segnali, la parte di circuito a monte di CIN , che comprende il generatore di corrente iin e la resistenza RIN , e quello a valle di CO , che comprende RL , si può ritenere scollegata dal resto del circuito e senza effetti. Essa viene quindi omessa. Lo schema che si ricava è mostrato in Fig.3. IC R BB + VBB =2 V - VB B 8kΩ IB IC + VBE - RC 2.2k Ω + VCC =10 V VC C βI B IE VE E RE 650 Ω VBE = 0.7 V Fig.3. Schema equivalente ai grandi segnali per la determinazione del punto di lavoro Si suppone che il BJT sia in condizioni di zona attiva e che la tensione base-emettitore sia di fatto VBE =0.7 V. Considerando la maglia che va dalla base del BJT all’emettitore e comprende il generatore VBB , la resistenza RBB , la caduta base-emettitore VBE e la resistenza RE , si può scrivere VBB − R BB IB − VBE − R E IE = 0 e tenendo conto che (3) IC = βIB (4) IE = I C + IB = (β + 1) )IB (5) VBE = 0.7 V (6) VBB − VBE − [R BB + (β + 1)R E ] IB = 0 (7) si ha da (3) Corso di Fondamenti di Elettronica - A.A.2004-2005 -2 - Esempio di Amplificatore a BJT ad emettitore comune da cui IB = VBB − VBE 2 − 0.7 = = 17.65 µA 3 R BB + (β + 1) R E 8 ⋅ 10 + (100 + 1) 650 (8) e quindi IC = β IB = 100 ⋅ 17.65 ⋅ 10 −6 = 1.765 mA (9) IE = (β + 1) IB = (100 + 1) ⋅ 17.65 ⋅ 10 −6 = 1.783 mA (10) Note IC e IE , si può ricavare la tensione VCE . A tal fine si calcola VC = VCC − R C I C = 10 − 2.2 ⋅ 10 3 ⋅ 1.765 ⋅ 10 −3 = 6.117 V (11) VE = R E IE = 650 ⋅ 1.783 ⋅ 10 −3 = 1.159 V (12) e perciò VCE = VC − VE = 6.117 − 1.159 = 4.958 V Essendo VCE >0.2 V, si conferma che il transistor è in zona attiva. (13) c – studio ai piccoli segnali Dallo schema equivalente completo, azzerando i generatori in continua e quindi sostituendo i generatori di alimentazione positiva e negativa con connessioni a massa, sostituendo i condensatori CIN e CO con corti circuiti e inserendo tra Base, Emettitore e Collettore lo schema equivalente del BJT ai piccoli segnali, si ottiene lo schema equivalente ai piccoli segnali di Fig.4. i in + vin - R IN 100Ω vi ii Ri P1 RBB 8k Ω vb B ib ic + vbe - rπ ie ve C vc gmvbe P2 irc RC 2.2k Ω Ro vO il RL 1k Ω E RE 650 Ω Fig.4. Schema equivalente ai piccoli segnali Poiché è noto il punto di lavoro del BJT, ed in particolare è nota la corrente di collettore IC , si può determinare la transconduttanza gm (che è un parametro ai piccoli segnali). Come è noto si ha IC 1.765 ⋅ 10 −3 (14) = = 67.88 ⋅ 10 − 3 Siemens − 3 VT 26 ⋅ 10 dove VT è la tensione termica (thermal voltage) data da VT =kT/q, con k costante di Boltzmann, T temperatura assoluta in gradi Kelvin, q carica dell’elettrone. Essendo k=1.38066 10-23 J/ºK, q=1.60218 10-19 Coulomb, e assumendo una temperatura di 27°C e quindi di 300°K, si ottiene VT =25.85 mV ≈ 26 mV. gm = Corso di Fondamenti di Elettronica - A.A.2004-2005 -3 - Esempio di Amplificatore a BJT ad emettitore comune Il valore della resistenza differenziale di base rπ si ricava dalla nota formula rπ = 100 β = = 1.473 kΩ gm 67.88 ⋅ 10 − 3 (15) E’ conveniente trasformare lo schema equivalente ai piccoli segnali, sostituendo il circuito connesso in base con un generatore equivalente di Thévenin, e riunendo in un’unica resistenza equivalente R’L le due resistenze in parallelo RC e RL , come mostrato in Fig.5. Dallo schema di Fig.4 la tensione “a vuoto” v’in, che si ottiene sconnettendo il circuito che comprende RIN , RBB ed il generatore di tensione vin , vale v ′in = v in ⋅ RBB 8 ⋅ 10 3 = v in ⋅ = v in ⋅ 0.988 RIN + RBB 100 + 8 ⋅ 10 3 (16) La resistenza equivalente R’IN si ottiene nello stesso circuito annullando, cioè chiudendo in corto circuito, il generatore di tensione vin . La R’IN è quindi data dal parallelo di RIN e di RBB R IN R BB 100 ⋅ 8 ⋅ 10 3 = = 98.77 Ω R IN + R BB 100 + 8 ⋅ 103 Come detto, la resistenza equivalente R’L è data da R ′IN = (R IN // R BB ) = R ′L = (R C // R L ) = i'in R C RL 2.2 ⋅ 10 3 ⋅ 1 ⋅ 103 = = 688 Ω R C + RL 2.2 ⋅ 10 3 + 1 ⋅ 103 R'IN 98.77 Ω + v'in - (17) vb B ib (18) ic + vbe - rπ ie ve vO C vc gmvbe i' l R'L 688 Ω E RE 650 Ω Fig.5. Schema equivalente ai piccoli segnali ridotto Nello schema ridotto di Fig.5, ricordando che ic = gm v be ib = (19) ic g = m v be β β (20) ie = ic + ib (21) e quindi ie = β +1 β +1 ic = gm v be β β Corso di Fondamenti di Elettronica - A.A.2004-2005 (22) -4 - Esempio di Amplificatore a BJT ad emettitore comune Considerando la maglia che comprende v’in , R’IN , base, emettitore e RE si può scrivere v ′in − R ′IN ib − v be − R Eie = 0 Tenendo conto delle (20) e (22) si ricava (23) 1 β +1 v ′in − gmR ′IN + 1 + gmR E v be = 0 β β (24) 1 1 β +1 gmR E 1 + gmR ′IN + β β e sostituendo nella (20) e nella (19) v be = v ′in (25) ib = v ′in gm 1 = v ′in R ′IN + rπ + (β + 1)R E β + gm [R ′IN + (β + 1)R E ] (26) ic = v ′in gmβ β = v ′in R ′IN + rπ + (β + 1)R E β + gm [R ′IN + (β + 1)R E ] (27) Inoltre, dallo schema si ha β R′L gm β R′L (28) = −v ′in ′ + rπ + (β + 1)RE RIN β + gm [R′IN + (β + 1)RE ] Si può definire un’amplificazione di tensione A’v =vo /v’in , relativa allo schema ridotto, che risulta dalla (28) v o = −R′Lic = −v ′in A ′v = vo gm β R ′L =− =− v ′in β + gm [R ′IN + (β + 1)R E ] gm R ′L ≈− gm R ′L 1 + gm R E (29) gm [R ′IN + (β + 1)R E ] β dove la semplificazione è valida soprattutto se β>>1. E’ da notare che, per la connessione a emettitore comune, l’amplificazione di tensione A’v è negativa. Con i dati del caso in esame, dalla (17) si ricava A ′v = − 1+ gm β R ′L 67.88 ⋅ 10 −3 ⋅ 100 ⋅ 688 =− = −1.023 β + gm [R ′IN + (β + 1)R E ] 100 + 67.88 ⋅ 10 − 3 ⋅ [98.77 + (100 + 1) 650] (30) Dall’esame del circuito e dalla (22) si vede che la tensione di base vb può essere espressa da (β + 1) R E β +1 (31) v b = v be + R Eie = v be 1 + gmR E = v be 1 + β rπ e dalle (31), (26) e (25) si ricava il rapporto rb =vb /ib , che può essere considerato come la resistenza di ingresso in base del BJT ad emettitore comune con resistenza in emettitore. Tenendo conto anche della (15) si ottiene [ ] vb β = + (β + 1)R E = [rπ + (β + 1)R E ] = 1.473 ⋅ 103 + (100 + 1) ⋅ 650 = 67.123 kΩ (32) ib g m Si può definire inoltre il rapporto A’i =i’l /i’in come l’amplificazione di corrente relativa allo schema ridotto di Fig.5. Dallo schema si vede che i’l =−ic e che i’in =ib . Dalle (26) e (27) si ricava quindi rb = −i i′l = c = −β = −100 i′in ib Anche l’amplificazione A’i è dunque negativa. A ′i = (33) E’ interessante rimarcare che lo schema ridotto di Fig.5 è lo schema tipico della connessione a emettitore comune con resistenza di emettitore di un BJT, e che le formule (29), (33), (32) che danno le amplificazioni di corrente e di tensione e la resistenza di ingresso, sono formule classiche riportate in tutte le tabelle. Corso di Fondamenti di Elettronica - A.A.2004-2005 -5 - Esempio di Amplificatore a BJT ad emettitore comune E’ necessario ora tornare allo schema ai piccoli segnali completo di Fig.4 per calcolare i parametri richiesti, relativi allo schema completo. A questo fine è opportuno esprimere le variabili dello schema in funzione del segnale di ingresso vin anziche di v’in . Sostituendo nelle (26), (27), (25), (28) l’espressione di v’in data dalla (16) si ottiene ib = v in ⋅ RBB gm ⋅ ′ RIN + RBB β + gm [RIN + (β + 1)RE ] (34) ic = v in ⋅ R BB gmβ ⋅ ′ R IN + R BB β + gm [R IN + (β + 1)R E ] (35) v be = v in ⋅ R BB ⋅ R IN + R BB 1 1 β +1 1 + gmR ′IN + gmR E β β (36) R BB R BB gm β R ′L = v in ⋅ ⋅ A ′v ⋅ ′ R IN + R BB R IN + R BB β + gm [R IN + (β + 1)R E ] inoltre, dalla (31) e dalla (36) si ricava v o = − v in ⋅ v b = v in ⋅ R BB β + (β + 1) gmR E ⋅ R IN + R BB β + gm [R ′IN + (β + 1)R E ] (37) (38) In base allo schema di Fig.4 risulta che vi =vb . Dalle (37) e (38) si ricava quindi l’amplificazione di tensione relativa allo schema completo vo v gm β R ′L = o =− vi vb β + (β + 1) gmR E e introducendo i valori numerici Av = (39) vo gm β R ′L 67.88 ⋅ 10 −3 ⋅ 100 ⋅ 688 (40) =− = −1.024 =− vi β + (β + 1) gmR E 100 + (100 + 1) 67.88 ⋅ 10 − 3 ⋅ 650 Se si fosse voluta calcolare l’amplificazione complessiva Avt =vo /vin tra il segnale di ingresso e quello di uscita, includendo l’attenuazione dovuta a RIN , dalla (37) si può ricavare Av = A vt = vo R BB 8 ⋅ 10 3 = ⋅ A ′v = − ⋅ 1.023 = −1.01 v in R IN + R BB 100 + 8 ⋅ 10 3 (41) Per calcolare l’amplificazione di corrente Ai =il /ii si devono ricavare le espressioni di ii e di il in funzione delle grandezze già determinate. Dallo schema di Fig.4 si vede che la corrente ii =iin è data dalla somma di ib e della corrente irbb che fluisce in RBB . Questa corrente, a sua volta, dipende dalla tensione vi =vb . Si può dunque scrivere, ricordando la definizione di rb data dalla (32) ii = irbb + ib = r vb + ib = ib b + 1 R BB R BB (42) Ancora da Fig.4 si vede che la corrente ic = −i’l si ripartisce tra le resistenze RC e RL . Come è noto, le relative correnti irc e il stanno in proporzione inversa alle resistenze (infatti, irc =vo /RC , il =vo /RL e ic = −(irc +il )). Tenuto conto dei versi, si può dunque scrivere RC (43) R C + RL Dalle (42) e (43), tenendo conto della (33), l’amplificazione di corrente relativa allo schema completo risulta il = −ic Ai = i −i RC il i R BB = l ⋅ b ⋅ c = ⋅ ⋅ A ′i ii − ic ii ib R C + R L R BB + rb (44) e introducendo i valori numerici Corso di Fondamenti di Elettronica - A.A.2004-2005 -6 - Esempio di Amplificatore a BJT ad emettitore comune Ai = RC R BB 2.2 ⋅ 103 8 ⋅ 10 3 ⋅ ⋅ A ′i = ⋅ ⋅ (− 100 ) = 7.321 R C + R L R BB + rb 2.2 ⋅ 103 + 1 ⋅ 103 8 ⋅ 103 + 67.123 ⋅ 10 3 (45) L’amplificazione di potenza risulta perciò Ap = Wl v o ⋅ il v o il = ⋅ = A v ⋅ A i = (− 1.024 ) ⋅ (− 7.321) = 7.497 = Wi v i ⋅ ii v i ii (46) Per calcolare la resistenza di ingresso nel punto P1 (Fig.4) si suppone di sconnettere tutta la parte esterna, cioè il generatore di tensione vin e la resistenza RIN , di annullare nel circuito rimanente tutti i generatori indipendenti (non ve ne sono) e di collegare in P1 un generatore di prova vx . Si ottiene la configurazione di Fig.6. Ri ix + vx - P1 vb B RBB 8k Ω ib rπ ic + vbe ie ve C vc gmvbe vO RC irc 2.2k Ω il RL 1k Ω E RE 650 Ω Fig.6. Schema per il calcolo dell’impedenza di ingresso Ri . Dallo schema, la corrente ix iniettata da vx nel punto P1 risulta 1 1 v vx v 1 1 + ib = x + b = v x + = v x + ( + β + 1)R E R BB R BB rb R r R r b π BB BB Poiché la resistenza Ri è per definizione Ri =vx /ix si ottiene ix = [ ] R [r + (β + 1)RE ] 8 ⋅ 10 3 ⋅ 1.473 ⋅ 10 3 + (100 + 1)⋅ 650 vx = BB π = = 7.148 k Ω ix RBB + rπ + (β + 1)RE 8 ⋅ 10 3 + 1.473 ⋅ 10 3 + (100 + 1)⋅ 650 che è pari al parallelo di RBB e rb . Ri = (47) (48) In modo simile, per calcolare la resistenza di uscita nel punto P2 (Fig.4) si suppone di sconnettere tutta la parte esterna, che in questo caso si riduce alla resistenza di carico RL , di annullare nel circuito rimanente tutti i generatori indipendenti, cortocircuitando il generatore di segnale vin , e di collegare in P2 un generatore di prova vx . Si ottiene la configurazione di Fig.7. Corso di Fondamenti di Elettronica - A.A.2004-2005 -7 - Esempio di Amplificatore a BJT ad emettitore comune R IN vi ii vb B 100Ω RBB 8k Ω ib ic + vbe - rπ ie ve C vc Ro P2 gmvbe irc RC ix 2.2k Ω + vx - E RE 650 Ω Fig.7. Schema per il calcolo dell’impedenza di uscita R’o E’ evidente, dallo schema, che ix =irc +ic e che vc =vo =vx . Perciò irc =vx /RC . La corrente ic provocata dalla tensione vx applicata al collettore è nulla. Infatti, supponendo ad esempio che si abbia una corrente ic positiva, essa nel nodo di emettitore dovrebbe suddividersi , tra i rami di emettitore e di base, in ragione inversa alle rispettive resistenze equivalenti. Nella base si dovrebbe avere dunque una corrente di verso opposto al verso positivo di ib indicato in figura, e si dovrebbe provocare quindi una caduta vbe = rπ ib negativa. Ma ic =gm vbe e, poiché si è supposto che ic >0, dovrebbe essere vbe >0, il che è in disaccordo con quanto trovato. Perciò non vi può essere corrente ic positiva. In modo simile si dimostra che non si può avere ic negativa causata da vx . Si conclude che ix =irc +ic =irc =vx /RL. L’impedenza di uscita risulta dunque vx = R C = 2.2 kΩ (49) ix Si può osservare che, nel caso si fosse dovuto tener conto dell’effetto Early, si sarebbe dovuta definire una corrispondente resistenza ro in parallelo al generatore di corrente comandato gm vbe nello schema equivalente ai piccoli segnali del BJT. L’effetto di tale resistenza è normalmente trascurabile nel calcolo di tutti i parametri considerati in questo esercizio, tranne che nella determinazione di Ro. Per quest’ultima, soprattutto con valori alti di RC e RL, l’espressione di Ro avrebbe incluso anche l’effetto di ro . Ro = d – condensatore di by-pass in parallelo a RE E’ interessante valutare come cambiano le amplificazioni dello schema nel caso, abbastanza frequente, che in parallelo a RE venga connesso un condensatore CE , come mostrato in Fig.8. VCC= 10 V i in + vin - R IN vi ii Ri P1 C IN R1 40k Ω RC 2.2k Ω Q1 100Ω R2 10k Ω CE CO β=100 VBE =0.7 V P2 Ro vO il RL 1k Ω RE 650 Ω Fig.8. Circuito con transistor BJT connesso a Emettitore Comune con resistenza di Emettitore avente in parallelo un condensatore di by-pass Corso di Fondamenti di Elettronica - A.A.2004-2005 -8 - Esempio di Amplificatore a BJT ad emettitore comune Un tale condensatore, come gli altri dello schema, purché di valore adeguato si comporta come un circuito aperto in c. continua e come un corto circuito a media frequenza. Perciò, lo schema ai grandi segnali che si può derivare da Fig.8 è uguale a quello di Fig.3, ricavato nel caso che il condensatore CE non vi sia. Di conseguenza, il punto di lavoro, ed in particolare la corrente IC , rimangono gli stessi. Ai piccoli segnali, la transconduttanza gm e la resistenza equivalente rπ che, secondo le (14) e (15), sono funzioni di IC rimangono anch’esse invariate a gm =67.88 10-3 Siemens e rπ =1.473 kΩ. Invece, nello schema ai piccoli segnali di Fig.4, ed anche in quello ridotto di Fig.5 ed in quelli derivati di Fig.6 e Fig.7, la resistenza RE risulta cortocircuitata. Perciò nella (30) che dà l’amplificazione di tensione A’v relativa allo schema ridotto, la RE assume valore nullo. Si ha A ′v = − gm β R ′L 67.88 ⋅ 10 −3 ⋅ 100 ⋅ 688 βR ′L =− = −43.77 =− rπ + R ′IN β + gm [R ′IN + (β + 1)R E ] 100 + 67.88 ⋅ 10 − 3 ⋅ [98.77 + (100 + 1)⋅ 0] (50) Analogamente nella (32), che dà la resistenza di ingresso in base del BJT ad emettitore comune con resistenza in emettitore , l’annullamento di RE dà [ ] rb = [rπ + (β + 1)R E ] = 1.473 ⋅ 103 + (100 + 1) ⋅ 0 = rπ = 1.473 kΩ (51) L’amplificazione di corrente relativa allo schema ridotto A’i , come mostra la (33), non dipende da RE e rimane invariata a A’i = −β= −100. Invece l’amplificazione di tensione relativa allo schema completo Av , come mostra la (40), diventa gm β R ′L 67.88 ⋅ 10 −3 ⋅ 100 ⋅ 688 (52) =− = gmR ′L = −46.7 β + (β + 1) gmR E 100 + (100 + 1) 67.88 ⋅ 10 − 3 ⋅ 0 L’amplificazione di corrente relativa allo schema completo Ai , come mostra la (45), varia essendo variata la rb e diventa Av = RC R BB 2.2 ⋅ 103 8 ⋅ 103 ⋅ ⋅ A ′i = ⋅ ⋅ (− 100 ) = 58.06 R C + R L R BB + rb 2.2 ⋅ 103 + 1 ⋅ 103 8 ⋅ 103 + 1.473 ⋅ 10 3 L’amplificazione di potenza, data dalla (46), diventa Ai = Wl = A v ⋅ A i = (− 46.7 ) ⋅ (− 58.06 ) = 2711 Wi La resistenza di ingresso, data dalla (48), diventa Ap = Ri = (53) (54) [ ] R [r + (β + 1)RE ] 8 ⋅ 10 3 ⋅ 1.473 ⋅ 10 3 + (100 + 1) ⋅ 0 vx = BB π = = 1.244 k Ω ix RBB + rπ + (β + 1)RE 8 ⋅ 10 3 + 1.473 ⋅ 10 3 + (100 + 1) ⋅ 0 (55) Invece, come si può constatare dalle espressioni (42) di Ri e (49) di Ro , poiché in tali espressioni non figura RE , le resistenze di ingresso e di uscita rimangono invariate. Corso di Fondamenti di Elettronica - A.A.2004-2005 -9 - Esempio di Amplificatore a BJT ad emettitore comune