Amplificatori a BJT

Amplificatori a BJT
Per la scelta del punto di lavoro, al fine di garantire il funzionamento il più possibile lineare, si sceglie VCEQVCC/2 e ICQ al centro delle caratteristiche (o come da specifiche da datasheet)
VCC
Ipotesi per il progetto della polarizzazione
VE  RE  I EQ 
RC
R1
I1
C
IC
IB
npn
B
I 2 I BQ 
VCC
10
I 2  10  I BQ
I CQ
I1  I 2
hFE
VE  RE  I CQ 
VCC
10
RE 
VCC  RC  I CQ  VCEQ  VE
RC 
IE
R2
I2
E
RE
VBEQ  VE  R2  I 2  R2 10 
VCC   R1  R2   I 2
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I CQ
R2 
hFE
R1 
VCC
10  I CQ
VCC  VCEQ  VE
I CQ
VBEQ  VE
I
10  CQ
hFE
VCC
 R2
I CQ
10 
hFE
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Obiettivi
Polarizzare il transistore BJT BC107 nel punto di lavoro caratterizzato da:
• VCEQ=5V, • VBEQ=0.65V, • ICQ=2mA
Si utilizzi la tensione di alimentazione VCC=10V.
Datasheet del componente
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Passi di realizzazione
1.
Dal datasheet si ricavano i valori di hFE,min=110 e hFE,Max=450.
2.
Per il valore di hFE si userà la media geometrica
3.
Si dimensionano le resistenze in base alle relazioni precedenti
•
RE=500
•
RC=2k
•
R1=91k
•
R2=18k
VCC
hFE  hFE ,min  hFE , Max  220
RC
R1
I1
C
C
IC
IB
B
npn
B
E
4.
Montare il circuito secondo lo schema (prestare attenzione alla piedinatura del BJT).
5.
Verificare la polarizzazione misurando le tensioni VE, VCE e VBE.
IE
R2
I2
E
RE
Se il punto di lavoro non è ben verificato, occorrerà
modificare “opportunamente” i valori delle resistenze
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Modello a parametri ibridi
ic
h ie
ib
+
vbe
Semplificato
ib
+
+
h fe·ib
h re·vc e
1/h oe
-
+
vce
-
ic
+
h ie
vbe
-
h fe·ib
vce
-
-
All’aumentare della frequenza, il circuito a parametri ibridi non va più bene in quanto hfe ed hie
dipendono fortemente dalla frequenza . Si usa allora il circuito a ‐ibrido o di Giacoletto
Medie frequenze
rce
B
rbb’
gm ·Vb’e
rb’e
Cb’e
B
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rb’e
C
rbb’
C
+
rb’c
B’
E
rb’c
B’
Cb’c
Vb’e
gm Vb’e
rce
E
E
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VCC
RC
R1
I1
C2
IC
C
RS
C1
IB
npn
B
RL
IE
E
R2
I2
RE
C3
Per l’analisi in AC alle medie frequenze, al posto del transistor si sostituisce il suo modello equivalente (semplificato). I condensatori esterni sono considerati in corto circuito!
iin
RS
+
vin
+
R1
-
R2
ic
C
+
hie
vbe
-
Rin
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ib
B
hfeib
E
vce
+
RC
-
RL v
out
-
Rout
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iin
RS
+
vin
ib
B
+
R1
R2
-
ic
C
iout
+
hie
vbe
hfeib
-
E
vce
+
RC
RL v
out
-
-
Rin
Rout
Resistenza di ingresso
Ri 
vin
 hie
ib
Ri' 
Resistenza di uscita (si calcola ponendo vin=0  Ib=0)
Ro 
vc
1


ic hoe
Ro'  RC // RL
Amplificazione di tensione
AV 
vout ic  Rc / / RL
R / / RL

 h fe  c
vin
ib  hie
hie
Amplificazione di corrente
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vin
 hie / /  R1 / / R2 
iin
iout vout Ri'
Ri'
Ai 

  Av 
iin
RL vin
RL
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Il metodo più diretto per valutare la frequenza di taglio e quindi la banda passante di un amplificatore è partire dalla funzione di trasferimento:
G s 
vo  s 
vi  s 
e risolvere l’equazione:
G s 
Go
2
Essendo G0 il guadagno dell’amplificatore alle medie frequenze. Il metodo è esatto ma complesso e poco pratico. Si utilizzano perciò metodi approssimati
 metodo delle costanti di tempo
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Metodo delle costanti di tempo
Frequenza di taglio inferiore
n
i  
j 1
Frequenza di taglio superiore
1
1
 js
s
js
E’ la costante di tempo della j‐esima capacità del circuito di bassa frequenza, calcolata con tutte le altre capacità in corto circuito.
n
  jo
j 1
jo
E’ la costante di tempo della j‐esima capacità del circuito di alta frequenza, calcolata con tutte le altre capacità in circuito aperto.
Si ha una stima per difetto della banda passante dell’amplificatore
i ,reale i
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s
s ,reale
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40
37
34
|G(j)| (dB)
31
28
25
22
19
16
13
10
1
i 
10
n
 s
i 1
i
2
100
i
n
i   si
i1
1000
10000
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1 

s 
z
1
1 s

s ia si
s
100000
2 
s
1/


j
ja

z
1

11 | 16
Calcolo delle costanti di tempo per ogni capacità del circuito di bassa frequenza, considerando tutte le altre in corto circuito.
i
R
S
i
b
C1
+
R
1
R
2
c
+
hie
v
R
hi
be
C
fe b
R
 1  C1  RS  R1 // R2 // hie 
R
 2  C2  RL  RC 
L
v
ce
-
-
i
i
b
R
c
C
2
S
+
R
1
R
2
+
hie
v
R
hi
be
C
fe b
L
v
ce
-
-
ib
RS
+
ic
+
hie
hfeib
vbe
-



vce
 3  C3  RE //
-
hie  RS // R1 // R2
1  h fe



I
R1
R2
+
V
-
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RC
RE
RL
C3
fi 
1
2
1 1 1
   
 1  2  3 
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rb’c
Calcolo delle costanti di tempo per ogni capacità del circuito di alta frequenza, considerando tutte le altre in circuito aperto.
I
rbb’
RS
B’
Cb’c
R1
R2
rb’e
Cb’e
gm Vb’e
rce
RC
RL
rb’c
+
rce
gm V
V
RC
Rdx 
RL
-
r  r / / RC / / RL
V
 b ' c ce
I 1  g m   rce / / RC / / RL 
 4  Cb ' e   Rdx / / Rsx 
Rsx  rb ' e / /  rbb '  R1 / / R2 / / RS 
Rdx
rb’c
rbb’
RS
B’
Cb’c
R1
B’
rb’e
R2
+
V
gm Vb’e
rce
RC
RL
-
Req ,2 
I
gm Vb’e
Rsx
V
 Rsx   rce / / RC / / RL   1  g m  Rsx 
I
rce//R //R
C
L
 5  Cb ' c   rb ' c / / Req ,2 
E
V  Rsx  I   rce / / RC / / RL    I  g m  Rsx  I 
fs 
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1
2   4   5 
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VCC
Obiettivi
Realizzare un amplificatore in configurazione ad emettitore comune, con
un transistore BC107, che abbia come amplificazione di tensione un
valore AV‐8 ed una frequenza di taglio inferiore il più piccolo possibile.
Determinare la banda passante e verificarla sperimentalmente.
Per la polarizzazione utilizzare i dati dell’esperienza precedente, ovvero:
• VCEQ=5V,
• VBEQ=0.65V,
• ICQ=2mA,
• VCC=10V.
Per il transistore si consideri hfe=250 e hie=4k.
Per il modello di Giacoletto, si consideri Cb‘e= 12pF e Cb‘c = 5pF.
RC
R1
I1
C2
C
RS
C1
IC
IB
npn
B
RL
E
R2
IE
I2
RE
C3
Passi di realizzazione
AV  RC
RL  
1.
Per la resistenza di carico RL, sfruttare la relazione
h fe
2.
Per la scelta dei condensatori:
 RC  AV
hie
•
C3=470F (elettrolitico) 
1=2182.2 s

2=1448.4 s
•
C2=680nF
•
C3=680nF

3=1448.4 s
•
 fi202Hz
3.
Dal calcolo delle costanti di tempo superiori
•
4=10.08 s
•
5=44.26 s
Verificare il funzionamento e la banda dell’amplificatore.
•
 fs3MHz
Osservare cosa succede all’aumentare della ampiezza del
segnale di ingresso
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E’ un amplificatore in grado di fornire in uscita due segnali con medesima ampiezza ma in opposizione di fase.
Guadagno associato all’uscita Vo1:
VCC
RC
R1
I1
C
RS
C1
E
Vin
Vo1
R2
Ri  hie  1  h fe   RE
hie
AV 2  1 
Ri
Ri  hie  1  h fe   RC
Guadagno associato all’uscita Vo2:
npn
B
VS
IC
IB
RC
AV 1  h fe 
Ri
IE
I2
RE
Vo2
Per assicurare che le due uscite abbiano medesima ampiezza, tenendo conto che la configurazione C.C. ha guadagno circa unitario, occorrerà scegliere:
RC  RE
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VCC
Obiettivi
Realizzare un amplificatore phase splitter, con un transistore BC107.
Per la polarizzazione, fissare:
• VCEQ=5V
• VBEQ=0.65V
• ICQ=2mA
• VCC=10V
Garantire inoltre che sia:
• VCQ=3/4VCC=7.5V
• VEQ=1/4VCC=2.5V
Per il transistore si consideri hfe=220 e hie=4k.
Passi di realizzazione
1.
Per le resistenze RE=RC=R, sfruttare la relazione
2.
Per la resistenza di polarizzazione R2, imporre che sia 1/10 della resistenza vista dalla base del BJT:
3.
Per la resistenza R1, trascurando la corrente sulla base, sfruttare la relazione:
RC
R1
I1
C
RS
C1
npn
B
E
VS
Vin
R2
IE
I2
RE
R
Vo1
IC
IB
Vo2
VCC  VCEQ
2  I CQ
V 
1
1 
 RBASE   1  hFE   RE  BEQ 
I BQ 
10
10 
h R
 FE E
10
R2 
R1 
VR1
VR2
 R2 
VCC  VBEQ  VEQ
VBEQ  VEQ
 R2
Verificare i segnali presenti sulle due uscite.
Osservare cosa succede all’aumentare della ampiezza del
segnale di ingresso
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