Polarizzazione del BJT

Polarizzazione del BJT
Il circuito di polarizzazione, o circuito DC, serve per imporre il
punto di lavoro del BJT quando il segnale in ingresso è nullo
Per un BJT utilizzato come amplificatore, spesso il punto di
lavoro è al centro della regione attiva
Il circuito DC dovrebbe garantire il più possibile :
- la stabilità del punto di lavoro al variare della temperatura
- l’indipendenza del punto di lavoro dalle caratteristiche del BJT
- che il BJT non esca dalla regione attiva in presenza dei segnali
variabili
In questo modo le proprietà dell’amplificatore risulteranno stabili
Elettronica I - A.A. 2010/2011
Fissare il punto di lavoro di un BJT significa innanzitutto
fissare il valore della IB (e dunque della IE e della IC),
facendo attenzione a che il dispositivo lavori in regione
attiva
Tentare di fissare la VBE non è in generale conveniente a
causa della relazione esponenziale fra IC e VBE (piccoli
errori sulla VBE indurrebbero grandi errori sulla IC)
Fissare la corrente di base equivale a fissare la corrente
nel diodo B-E
Elettronica I - A.A. 2010/2011
circuito di principio
circuito con polarizzazione
del collettore
V  0.7
IB 
R
l’uso di due generatori DC
non è però conveniente
Elettronica I - A.A. 2010/2011
Questo circuito sarebbe utilizzabile, ma
presenta vari inconvenienti:
- la IB dipende dalla temperatura perché
VBE=Vγ(T)
- la IC dipende da β (cosa non gradita per le
correnti di polarizzazione)
V  VBE
IB 
Rb
- il nodo di base è ad un potenziale DC
prossimo a 0.7 V (in molti circuiti è una
limitazione non accettabile)
- l’applicazione sul nodo di base un
segnale da amplificare non avrebbe
alcun effetto sulla iB (e quindi sulla iC)
(in realtà l’effetto ci sarebbe, grazie alla presenza
della R interna al diodo B-E, ma sarebbe molto
modesto perché la R interna è molto piccola)
Elettronica I - A.A. 2010/2011
POLARIZZAZIONE DEL TRANSISTOR
IE 
VBB  VBE
R
RE  BB
  1
Per rendere gm indipendente dal  e dalla
temperatura, occorre rendere IC , e quindi
IE, indipendente da  e da VBE. Quindi:
RBB
VEE  VBE
IE 
R
RE  BB
  1
VBB  VBE
nonché:
o VEE  VBE
RBB    1RE
cioé: R1 e R2 piccole, e quindi bassa
resistenza di ingresso
ELE- BJT2 - 4
Elettronica I - A.A. 2010/2011
β=100
Esempio 1 – Determinare se il
BJT è polarizzato in regione
attiva ed il rapporto IR1/IB
Esempio 2 – Determinare Rc tale
che il BJT operi al limite della
saturazione
Esempio 3 – Determinare R2 tale
che VB=4.5 V
Esempio 4 – Determinare R1 ed
R2 tale che IB sia raddoppiata
Esempio 5 – determinare IC se il
β raddoppia
Elettronica I - A.A. 2010/2011
Esempio 6 – Polarizzare un BJT in regione attiva in modo da avere
IC=1 mA e VCE=3 V (si assuma β=100, VCC=12 V)
Note:
- il problema ammette infinite soluzioni. Per trovarne una valida,
dobbiamo fissare arbitrariamente dei criteri ragionevoli
- se il BJT è in r.a., allora IC dipende solo da IB, che a sua volta
dipende solo da R1, R2 e RE (non da RC)
- in assenza di vincoli specifici, è buona norma imporre IB<<IR1,
(per es. IR110 IB), e VB0.33 VCC
- se si può imporre IR1 >> IB e VB0.33 VCC , allora R12R2
Elettronica I - A.A. 2010/2011
I R1  I R 2
VCC
VCC


 R2  40k 
R1  R2 3R2
Rbb  R1 R2  26k  Vbb  4V
Vbb  I B  Rbb  0.7  1     I B  Re  Re  3.04k 
Elettronica I - A.A. 2010/2011
POLARIZZAZIONE MEDIANTE GENERATORE DI CORRENTE
Consente di utilizzare RB grande
(elevata resistenza di ingresso)
mantenendo IE (o IC) costante con
 eT.
Si può realizzare mediante uno
specchio di corrente.
Trascurando le correnti di base:
schema di principio
implementazione del
generatore di corrente
I REF


VCC   VEE  VBE1

R
che è stabile se VCC + VEE >> VBE1 . Se Q1=Q2, essendo VBE1 = VBE2 si ha: IC2 = IREF
Occorre garantire che Q2 è in regione attiva.
ELE- BJT2 - 5
Elettronica I - A.A. 2010/2011
AMPLIFICATORI
IDEALI
Ii
AvVi
Io
Vo
Vi
V
V 
amplificatore di tensione A  o  AV  
Vi
V 
amplificatore di corrente A 
Ii
G Vi
Vi
AiIi
Io
 
I
amplificatore a transconduttanza A  o  G  1
Vi
Io
 A
 AI  
Ii
 A
RIi
Vo
amplificatore a transresistenza A 
Per questi amplificatori il guadagno è indipendente
dalla sorgente e dal carico !!!
Elettronica I - A.A. 2010/2011
Vo
 R 
Ii
AMPLIFICATORI
REALI
Rs
Vs
Ro
Vi Ri
AvVi
Vo
RL
amplificatore di tensione
A
Io
Ii
Is
Rs
Vo
AV
Ri

RL 
Vs Ro  RL
Ri  Rs
AiIi
Ri
Ro
RL
A
amplificatore di corrente
Io
Ro
Rs
 AI

Is
Ro  RL Ri  Rs
Elettronica I - A.A. 2010/2011
AMPLIFICATORI
REALI
Ii
Is
Rs
Ro
Ri
R Ii
RL
Vo
Vo
A
?
Is
RL
Io
A ?
Vs
amplificatore a transresistenza
Io
Rs
Vs
Vi Ri
G Vi
Ro
amplificatore a transconduttanza
Elettronica I - A.A. 2010/2011
AMPLIFICATORE AD EMETTITORE COMUNE
Ri  r
r
v  vs
r  RS
vo
  g m ro RC  
v
ELE- BJT2 - 6
A
r
vo

  g m ro RC  
 ro RC 
r  RS
r  RS
vs
Elettronica I - A.A. 2010/2011
GUADAGNO DI CORRENTE
ro
ro
ro 1
io
Ai    g m v
  g m r
 
ro  RC
ro  RC
ro  RC ib
ib
RESISTENZA DI USCITA
La resistenza di uscita di un amplificatore è importante quando il segnale di uscita
deve essere applicato all’ingresso di un altro amplificatore, o in generale ad un
carico. Per valutarla si annulla il generatore in ingresso, si impone un generatore
noto V in uscita e si calcola la corrente I di uscita.
Con vs = 0, si ha v = 0, e quindi:
V
Ro   ro RC
I
ELE- BJT2 - 7
Elettronica I - A.A. 2010/2011
Considerazioni sull’amplificatore CE (common emitter)
- La resistenza di ingresso (r) ha valori medi (qualche k)
- Il guadagno Av può assumere valori elevati (oltre 100 V/V) se
Rc è grande ed il BJT presenta un piccolo effetto Early (ro
grande)
- La resistenza di uscita (Rc||ro) è in genere limitata da Rc (in
quanto ro è dell’ordine delle decine di k). Ridurre Rc vuol dire
però ridurre il guadagno Av
- Il guadagno Ai è al massimo pari a 
In dipendenza della sorgente e del carico, può essere utilizzato
sia come amplificatore di tensione che come amplificatore di
corrente.
Elettronica I - A.A. 2010/2011
AMPLIFICATORE AD EMETTITORE COMUNE CON
POLARIZZAZIONE A QUATTRO RESISTORI
In assenza di altre indicazioni, le R possono essere scelte in modo che:
1
VB  VCC
3
ELE- BJT2 - 8
I R1  10 I B
2
VC  VCC
3
Elettronica I - A.A. 2010/2011
AMPLIFICATORE AD EMETTITORE COMUNE CON
POLARIZZAZIONE A QUATTRO RESISTORI
Ro  ro RC
Ri  R1 R2 r
AV

r
 
o
RC RL 
r

R1 R2 r

Rs  R1 R2 r

Se R1 ed R2 sono scelte molto grandi (cosa che penalizza la stabilità della
polarizzazione), la Ri è al massimo pari a r (che è dell’ordine dei k)
La Ro può essere resa piccola agendo su RC, ma questo penalizza il guadagno.
r
Se la Ri è grande, il guadagno Av è al massimo pari a   o , e dunque può
r
essere molto grande.
Elettronica I - A.A. 2010/2011
SPICE per VISTA (student version)
www.electronics-ab.com/downloads/cnt/fclick.php?fid=513
Elettronica I - A.A. 2010/2011
AMPLIFICATORE AD EMETTITORE COMUNE CON RESISTENZA DI EMETTITORE
RE
RE
vb ib 1   re  RE 
Ri  
 1   re  RE 
ib
ib
(regola della riflessione
della resistenza)
che dunque può essere resa molto più grande di quella del “common emitter” senza RE
ELE- BJT2 - 9
Elettronica I - A.A. 2010/2011
vo vo vb
RC
Ri
A 
 

vs vb vs
re  RE Ri  RS
 RC

RS  1   re  RE 
RE
Per  grande (e Rs piccola rispetto alla Ri), Av
può al massimo essere pari a
Rc
Rc


re  RE
RE
e dunque dipende solo dai componenti esterni al BJT
Elettronica I - A.A. 2010/2011
• Inserire trasformazione in gen eq di tensione
Elettronica I - A.A. 2010/2011
AMPLIFICATORE AD EMETTITORE COMUNE CON RESISTENZA DI EMETTITORE
vo=vc=-ic(RC || RL)
ELE- BJT2 - 10
Elettronica I - A.A. 2010/2011
AMPLIFICATORE A BASE COMUNE (CB)
ve
Ri   re
ii
(bassa)
ELE- BJT2 - 11
 re
vs 
vo vo ve  ie RC  re  RS

Av  
vs ve vs
 ie re
vs


  RC
re  RS
che potrebbe anche essere grande, se il generatore
di segnale è ideale (Rs → 0)
Elettronica I - A.A. 2010/2011
AMPLIFICATORE A BASE COMUNE (CB)
io  ie
Ai  

 ie
ii
(Ai,max = 1)
Ro  RC
Avendo Ri bassa, Ro elevata e Ai=1, il CB si
presta ad essere utilizzato per adattare un
cattivo generatore di corrente ad un carico con
impedenza elevata
ELE- BJT2 - 11
Elettronica I - A.A. 2010/2011
AMPLIFICATORE A BASE COMUNE
ELE- BJT2 - 12
Elettronica I - A.A. 2010/2011
AMPLIFICATORE A COLLETTORE COMUNE (INSEGUITORE DI EMETTITORE)
ELE- BJT2 - 13
Elettronica I - A.A. 2010/2011
AMPLIFICATORE A COLLETTORE COMUNE (INSEGUITORE DI EMETTITORE)
vb
Ri   1   re  ro RL 
ib
(regola della riflessione della resistenza)
io
ie ro 1 1    ro

Ai  
ib ro  RL ib
ro  RL
Per un BJT ideale (ro→) il guadagno di corrente massimo è 1+
ELE- BJT2 - 14
Elettronica I - A.A. 2010/2011
AMPLIFICATORE A COLLETTORE COMUNE (INSEGUITORE DI EMETTITORE)
vo vo vb
Av  

vs vb vs

1    ro
Ri
RL 
Ri

Ri  RS
1    ro RL 

1
RS  1    re  ro RL 
ELE- BJT2 - 14
Elettronica I - A.A. 2010/2011
AMPLIFICATORE A COLLETTORE COMUNE (INSEGUITORE DI EMETTITORE)
C
Determinazione della resistenza d’uscita
 ib
Rs
re
B
re
E
B
 ib
Rs
ro
C
Ro=ro||Rx
E
ro
Ro
Rx
Elettronica I - A.A. 2010/2011
AMPLIFICATORE A COLLETTORE COMUNE (INSEGUITORE DI EMETTITORE)
ie
ix
re
E
B
 ib
+
Rs
C
-
ib
vx
vx
Rx  

ix  1   ib
 ie re  ib Rs


 1   ib
vx

Rx
1   re  Rs
1 
 re 
Rs
1 
(regola della riflessione della
resistenza applicata dall’emettitore)
Avendo Ri elevata, Ro bassa e Av=1,
il CC si presta ad essere utilizzato
per adattare un cattivo generatore di
tensione ad un carico a bassa
impedenza

RS 
Ro  ro re 


1



(può essere bassa)
Elettronica I - A.A. 2010/2011
AMPLIFICATORE A COLLETTORE COMUNE (INSEGUITORE DI EMETTITORE)
VCC
vs
Elettronica I - A.A. 2010/2011