Il TRANSISTOR

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
EMETTITORE
(fortemente drogato)
IE +IB+IC=0
IB
n
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.
βF Guadagno di corrente di
corto circuito a emettitore
comune (detto anche hFE)
Polarizzazione del transistor
configurazione CE – Retta di carico
VCC
RB
VCC
RC
IC
RCIC
C
B
VCE
VBE ~ 0.7V
E
La retta di carico
VCC
Le “caratteristiche” del transistor
(di uscita e a emettitore comune)
Transistor in saturazione
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
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)
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:
Piccolo Seganle
Segnale totale
Valore costante
Amplificatore in configurazione CE
RC
RB
5mA
IB
VCC =10V
IC
C
B
~
vi
2.2V
VBE ~ 0.7V
vu
E
Il modello ibrido a Π
c
b
ib
ro
rπ
gm vπ
e
• • • • Modello semplificato del funzionamento del BJT
rπ è la resistenza della giunzione polarizzata direttamente (circa 1kΩ).
gm vπ è la corrente generata del generatore controllato di corrente
rο è la resistenza di uscita, responsabile dell’effetto Early
Parametri di un amplificatore a transistor
in configurazione CE
Rg
c
ib
iu
b
vg
~
vi≡vb
e
Parametri dell’ amplificatore
a BJT a Emettitore Comune
rπ
gm vπ
e
RC
vu
Risposta in frequenza di un amplificatore
CE (basse frequenze)
Rg
C i
b
c
b
vg
~
vi≡vb
rπ
iu
Si deve considerare solo
vu
gm vπ
lo «stadio di ingresso» RC
e
e
GENERATORE
BJT – CONFIG. CE
• Passa alto formato da C (capacità di blocco) e rπ..
• Quanto vale la tensione (complessa) Vπ ?
Dove so.=1/ rπ C
Passa Alto
Il modello completo del transistor per “piccoli segnali”
b
ib
vπ= rπ ib
e
rµ
rb
rc
c
Cµ
rπ
Cπ
ro
gmvπ
rb: Resistenza di contatto di base ~ 100Ω
rπ Resistenza di giunzione di B-E ~ 1κΩ
gm transconduttanza 0.1-0.4Ω-1
ro Resistenza effetto Early
~ 100κΩ
rc: Resistenza di contatto del collettore ~ 1Ω
rµ: Resistenza di giunzione (BC) ~ 1ΜΩ
Cπ Capacità di diffusione (B-E) ~ 100pF
Cµ 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 µ=VB/VA allora l’impedenza Z può
essere sostituita da due impedenze ZA e ZB rispettivamente da A
e B verso massa
Β
Α
Ζ
Α
Β
ΖΑ ΖΒ
Risposta in frequenza di un amplificatore
CE (alte frequenze)
b
A
B
rc c
Cµ
Rg
vg
rb
vb
rπ
~
ro
Cπ
Cµ(1-A)
gmvπ
e
Cµ(1-A)/A
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 Cµ)
RC
Risposta in frequenza di un amplificatore CE
(alte frequenze)
Passa Basso
A
vg
~
Circuito equivalente «visto» dal
generatore
Cπ + Cµ (1-AV)
Esempio numerico
A
vb
~
Cπ + Cµ (1-AV)
Circuito equivalente «visto» dalla base
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
3 dB
AV
Frequenza di taglio alta dovuta
capacità di diffusione e di trans
“Mezza banda”
(dB)
Frequenza (Hz)
BJT – Emettitore Comune con RE -
Polarizzazione della base
VCC
RC
R1
IB
C
B
IC
VBB
IC
vu
RB
E
R2
IB
IE
RE
RE
RE – Come retroazione (“FEEDBACK”)
VCC
IC
RC
C
IB B
VC
Caratteristica di ingresso
VB
E
RE
VE
IB (µA)
IE
VBE (V)
Circuito equivalente per piccoli segnali a bassa
frequenza
ig
c
iu =ic
rπ
Rg
~
b
ib
gm vπ
RB
vg
RC
e
RE
vu
BJT in configurazione CC
(Emitter Follower)
VCC
Polarizzazione
configurazione CC
IC
R1
IB
C
B
~
vi
VBE ~ 0.7V
R2
E
RE
vu
Circuito equivalente per piccoli segnali a
bassa frequenza BJT conf. CC
ig
b
ib
c
rπ
Rg
gm vπ
RB
~
vg
e
RE
vu
L’uscita è sull’emettitore
Disponendo diversamente i componenti
ma senza modificare la topologia:
b
e
~
iu
gm vπ
rπ
Rg
vg
ib
RE
vb
c
vu
Caratteristiche dell’Emitter-Follewer (continua)
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
E
+
vi
C
RE
B
-
ii
RC
+
vu
-
Rg
vg
gmvπ
e
rπ vπ
RE
~
iu
RC
c
vu
+
b
-VEE
Amplificatore con BJT in
configurazione:
Base Comune
vi
Circuito equivalente per piccoli segnali
Impedenza d’ingresso
ii
vg
gmvπ
e
rπ vπ
RE
~
+
b
vi
iu
RC
c
vu
Amplificazione di corrente
ii
vg
gmvπ
e
rπ vπ
RE
~
+
b
vi
iu
RC
c
vu
Amplificazione di tensione
ii
vg
gmvπ
e
rπ vπ
RE
~
+
b
vi
iu
RC
c
vu
Impedenza d’uscita
ii
vg
gmvπ
e
rπ vπ
RE
~
+
b
vi
iu
RC
c
vu
Caratteristiche approssimate per le
configurazioni del BJT
CE
CE +RE
CC
CB
AI
β
β
-(1+β)
-1
Ri
rπ
rπ+(1+β) RE
rπ+(1+β) RE
rπ/β
AV
-β RC/rπ
-RC/RE
1
β RC/rπ
Ru
RC
RC
rπ/β
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