1 Richiami teorici: Modello per piccoli segnali di un

Roma
18 dicembre 2007
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI ROMA
“TOR VERGATA”
FACOLTÀ DI SCIENZE MATEMATICHE FISICHE E NATURALI
Corsi di laurea in FISICA e SCIENZE DEI MATERIALI
LABORATORIO 3: Esperienze didattiche
Esperienza n.7: Amplificatore ad emettitore comune
Richiami teorici.
Misura dell’impedenza di ingresso e stima di hie .
Misura del guadagno in tensione e stima di hf e .
1
Richiami teorici: Modello per piccoli segnali di un
BJT in configurazione di emettitore comune
Il circuito equivalente semplificato per bassa frequenza è rappresentato in fig. 1.
N.B.: il circuito equivalente rappresenta il solo transistor.
È convenzione diffusa usare per i nomi dei parametri dinamici (variazioni, segnali) del
circuito equivalente per piccoli segnali lettere minuscole mentre per i parametri statici le
lettere maiuscole.
Poichè i parametri sono quelli relativi alle variazioni, le componenti continue (costanti
nel tempo) del circuito completo vanno considerate nulle. Questo si traduce, nel passaggio
da circuito completo a quello dinamico per piccoli segnali, a sostituire con dei cortocircuiti i
generatori di tensione costante ed eliminare i rami contenenti generatori di corrente costante,
aprendoli.
B
ιc
ιb
+
vπ
rπ
gmvπ
C
r0
E
E
Figura 1: Circuito equivalente semplificato a π ibrido in bassa frequenza di un transistor BJT in configurazione
di emettitore comune.
• rπ rappresenta la resistenza differenziale. I valori tipici di rπ vanno da centinaia a migliaia di ohm; dipende dalla corrente di polarizzazione impostata (statica)1 e ovviamente
1
In generale l’ insieme dei valori di correnti e/o tensioni di polarizzazione statiche, indicati solitamente con
il pedice Q definisce il ‘punto di riposo’. Il punto di riposo influenza i valori dei parametri dinamici.
1
dal tipo di transistor. Nel fig.1 del modello non è stata riportata, per semplicità, una
ulteriore resistenza in serie a rπ , presente in molti testi, che rappresenta la resistenza
ohmica di contatto perchè solitamente di valore relativamente basso da poter essere trascurata nella maggior parte dei casi. Con queste forti approssimazioni/semplificazioni
si può assumere che
⇒ rπ ≡ hie
dove hie è il parametro di resistenza di ingresso usualmente riportato nei data-sheet.
• r0 tiene conto dell’effetto Early e quindi funzionalmente fornisce la dipendenza di ic da
vce : di solito è molto alta.
• Il generatore di corrente di uscita dipendente fornisce una corrente pari a gm vπ dove
gm è la transconduttanza di uscita e tiene conto delle variazioni della corrente di uscita
dovute a variazioni (segnale) in ingresso valutate intorno al punto di riposo:
∆IC ic gm =
=
∆VBE VCE = cost= VCEQ
vbe vce = 0
Spesso in luogo della transconduttanza viene indicato il parametro hf e che è il guadagno
differenziale di corrente diretto in cortocircuito a emettitore comune (common emitter forward
short-circuit current gain), che quindi è definito come:
∆IC ic hf e =
=
∆IB VCE = cost= VCEQ
ib vce = 0
per vce = 0
⇒
ic = gm vπ = gm rπ ib da cui:
⇒
2
ic
= gm rπ = hf e
ib
Esperienza: polarizzare il transistor.
Si consideri l’amplificatore polarizzato come da schema di fig.2.
R1
B
Rc
C
VCC
E
R2
Re
Figura 2: Polarizzazione di un amplificatore a BJT ad emettitore comune con il dispositivo 2N3904.
2
Usando l’approssimazione che Ie = Ic e che deve essere:
VCC = 12 V ; IC = 4.3 mA ; VCE = 6.8 V e Re = 220Ω ⇒ calcolare Rc .
In queste condizioni la corrente di base Ib assumerà un valore di circa 30µA a temperatura
ambiente.
Si assuma che VBE = 0.7V . Si imponga in R2 una corrente 20 volte superiore a Ib e quindi
si calcolino i valori di R2 e di R1 .
⇒ Montare il circuito con i valori di resistenza calcolati.
⇒ Misurare tutti i parametri statici misurabili (compreso β = hF E ).
3
Esperienza: misura dell’impedenza di ingresso e del
guadagno in tensione dell’amplificatore. Stima di hie
e hf e.
Si consideri l’amplificatore come da schema di fig.3 con i valori delle resistenze di polarizzazione
precedentemente inseriti nel circuito.
R1
Cin
B
C
Vout
VCC
E
Rs
Vs
Rc
Vin
R2
Re
Ce
Figura 3: Polarizzazione di un amplificatore a BJT ad emettitore comune con il dispositivo 2N3904.
Per tutte le fasi seguenti pilotare con segnale frequenza nè eccessivamente bassa nè eccessivamente alta e ampiezza di qualche decina di mV al massimo.
MISURA DI Rin e STIMA di hie
• Misurare la resistenza di ingresso Rin interponendo in serie all’ingresso un resistore di valore opportuno misurando il segnale dopo la resistenza e prima dell’ingresso
all’amplificatore.
• Tenendo conto che
Rin = hie // R1 // R2 ⇒ Calcolare hie e confrontare con il valore riportato nel datasheet.
MISURA di Av e STIMA DI hf e
• Misurare il guadagno in tensione Av
• Da Av =
hf e R c
hie
ricavare hf e e confrontare con il valore riportato nel datasheet.
——————————————————–
3