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ELETTRONICA II
Caratteristiche IC,VCE
Prof. Dante Del Corso - Politecnico di Torino
Parte A: Transistori in commutazione
Lezione n. 2 - A - 2:
IC
zona attiva
zona di
saturazione
Parametro
IB
VCE
Transistori BJT in commutazione
zona di interdizione
Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 26 - 27/05/2009
Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 27 - 27/05/2009
Continua l’analisi del comportamento in commutazione del
BJT; dopo il comportamento nella zona di interdizione
esaminiamo la zona di saturazione
Transistori in commutazione - 2
La zona di saturazione corrisponde alla regione con VCE
molto piccola (da pochi mV ad alcune centinaia di mV).
• Richiami sulle caratteristiche CI,VCE dei
transistori bipolari a giunzione (BJT)
• Zona di saturazione e di interdizione
• Parametri inerenti l’uso in commutazione
• Esempio: comando di carico ON/OFF
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Transistore BJT in saturazione (ON)
• giunzioni BE e BC polarizzate direttamente
Circuito equivalente per BJT ON
SATURAZIONE
VAL
• tensione VCE = VCE(sat) ~ nulla
RC
corrente di collettore IC imposta dal
circuito esterno
corrente di base IB imposta dal circuito
esterno
valore di β variabile (β forzato)
C
IB
IC
Interruttore
CHIUSO
Tensione di
saturazione
C
C
VCE(sat)
B
E
VCE ~ 0
E
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E
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In saturazione entrambe le giunzioni BE e BC sono
polarizzate direttamente (lez. 22 di Elettronica I).
Il termine ON indica interruttore chiuso, cioé regione di
saturazione; OFF indica interdizione (interruttore aperto).
Dato che in saturazione VBE e VCE sono praticamente
costanti (rispettivamente circa 0,6 V e 0,1 V), sia la
corrente di base che quella di collettore sono controllate
dal circuito esterno.
La VCE é molto bassa; in prima approssimazione, il circuito
equivalente tra C ed E di un transistore bipolare in
saturazione é un cortocircuito. Anche qui faremo riferimento
al’interruttore come elemento per modellare il transistore sia
in interdizione che in saturazione; in questo secondo caso
l’interruttore é chiuso.
Nel funzionamento in zona attiva, il rapporto tra IC e IB
é un parametro del transistore (β o hFE). In caso di
saturazione invece il rapporto IC/IB é imposto dal circuito
esterno; si dice che il transistore lavora con
β forzato.
Il rapporto tra corrente di collettore e corrente di base non
é piú un parametro del transistore, ma dipende dal
circuito esterno.
Volendo un modello meglio approssimato che tiene conto
della tensione residua VCE(sat), , il circuito equivalente tra C
ed E é un generatore di tensione. Dato che VCE(sat) dipende
poco dalla corrente di collettore IC, la resistenza serie é
molto bassa e solitamente non viene indicata.
Nota: nel cartello per il generatore VCE(sat) viene indicato un verso della
corrente. Dovrebbe invece essere indicato il segno della tensione
(positivo verso l’alto).
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Valore del β in saturazione
• Per un transistore bipolare in linearita’:
IC/IB = β β circa costante:
β = β0
• Una sola delle correnti e’ imposta dal circuito
caratteristiche del 2N2222
• Per un transistore bipolare in saturazione
sia IC che IB sono imposte dal circuito esterno;
β non e’ piu’ costante
• Perche’ il transistore sia in saturazione deve
essere IB > IC/β0
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Nel transistore in linearitá IC e IB sono legate dal β.
Fissando una delle due correnti (generalmente la IB),
l’altra (in questo caso la IC), rimane bloccata di
conseguenza.
Abbiamo invece visto che nel transistore in saturazione
queste due correnti sono determinate dal circuito esterno
e indipendenti (entro certi limiti). Agendo sul circuito
esterno é possibile fissare sia IB che IC., ed il loro rapporto
non é un parametro del transistore.
Per portare il transistore in saturazione occorre imporre
una corrente IB > IC/β . Quanto piu alta é la corrente di
base, tanto meglio il transistore é saturato.
Il Millmann riporta le caratteristiche abbreviate (sufficienti
per l’uso in linearitá) in appendice. Nella tabella sono
presenti le caratteristiche complete. Il β equivale al
parametro hFE.
Notiamo che per il β il costruttore indica un valore
minimo e un valore massimo anche molto diversi; il β é
un parametro poco controllabile, e il costruttore
generalmente garantisce solo il valore minimo.
Il beta dipende dalla corrente di collettore (righe diverse
della tabella). Per avere garanzia che il transistore vada
in saturazione, il rapporto IC/IB deve essere inferiore al β
minimo.
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Da cosa dipende VCE(sat) ?
• Diminuisce al crescere del β forzato
(a pari IC, diminuisce aumentando IB)
• Ordine di grandezza (transistore di bassa
potenza):
β
VCE(sat)
100
50
1
280 mV
100 mV
28 mV
caratteristiche del TIP 75
(IC = IB)
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Ricordando la struttura del modello di Ebers-Moll,
troviamo che la VCE(sat) nasce come differenza tra le
catute di tensione su due diodi contrapposti, entrambi
polarizzati in zona diretta.
Aumentando la corrente di base (cioé avvicinandola alla
corrente di collettore), il transistore viene portato
maggiormente in saturazione, e cala la tensione tra
collettore ed emettitore (VCE(sat)).
La condizione di massima saturazione (e minima VCE(sat))
si ha con IB = IC. Questo corrisponde alla situazione di β =
1 nella tabella riportata nel cartello.
Nota: per ottenere basse VCE(sat), si usano transistori con emettitore
e collettore scambiato (β é piú piccolo, e la corrente di base é piú
prossima a quella di collettore).
Queste sono caratteristiche di un transistore di media
potenza (TIP 66).
Il primo diagramma riporta l’andamento del β in funzione
della corrente di collettore.
Il secondo diagramma riporta l’andamento della VBE e
della VCE(sat)).
I dati sono ricavati con il transistore fortemente in
saturazione (β forzato di 2,5).
Normalmente la corrente di collettore é fissata
dall’applicazione; il progettista interviene sulla corrente di
base.
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Transistori in commutazione
• Richiami sulle caratteristiche IC,VCE dei
transistori bipolari a giunzione (BJT)
• Zona di saturazione e di interdizione
• Parametri inerenti l’uso in commutazione
• Esempio: comando di carico ON/OFF
Transistori in commutazione: dove ?
• il transistore in commutazione si comporta
come un interruttore; questo consente:
il pilotaggio di carichi accesi/spenti
(ON/OFF) con bassa dissipazione
sull’elemento attivo
la realizzazione di CIRCUITI DIGITALI
(porte logiche, registri, ...)
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Dopo l’analisi del comportamento di un transistore
bipolare usato in commutazione, vedremo nei prossimi
cartelli alcuni esempi di impiego.
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Il transistore usato nelle zone di saturazione e
interdizione svolge la funzione di interruttore.
I transistori in commutazione sono usati per pilotare
carichi che debbano essere solo accesi o spenti, e per
realizzare circuiti logici.
Rispetto ad un interruttore meccanico hanno il vantaggio
di non avere parti in movimento, soggette ad inerzia e
usura, ed é in grado di reagire in tempi piú rapidi.
L’impiego del transistore in commutazione per realizzare
circuiti logici viene approfondito nel secondo gruppo di
lezioni.
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Esempio 1
Lampadina accesa (ON)
Pilotaggio di un carico (lampadina) ON/OFF
SATURAZIONE
VCE = VCES ~ 0
VAL
VAL
Il transistore e’ in
VAL
RL
IC ~ VAL/RL
ACCESA
(ON)
C
SPENTA
(OFF)
E
C
PD = VCE * IC ~ 0
RB IB
VBB
E
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In questo cartello compare, come esempio di impiego di
un transistore in commutazione, il circuito per comandare
una lampadina.
Nello schema e’ presente un interruttore, che puó essere
realizzato con un transistore utilizzato in commutazione,
collegato tra i morsetti C ed E.
IC
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Questo é un circuito che permette di accendere e
spegnere un carico di bassa potenza (ad esempio una
lampadina) utilizzando un transistore bipolare come
interruttore. In questo schema il transistore viene portato
in saturazione facendo circolare corrente di base nella
maglia VBB-RB-VBE.
In questa condizione la tensione VCE é praticamente nulla
(piú precisamente pari alla VCE(sat), quindi poche decine di
mV). La corrente di collettore é determinata dal carico
(resistenza equivalente della lampadina).
La potenza dissipata é in prima approssimazione pari al
prodotto IC VCE, quindi praticamente nulla (VCE =0).
Nota: per un calcolo piú preciso occorre tener conto della corrente
di base IB (che in saturazione non é piú trascurabile rispetto alla IC,
dato il basso valore del β).
La dissipazione dovuta alla IB é IB VBE.
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Come ottenere la saturazione
IB > IC/β0
IB = (VBB − VBE)/RB
Lampadina spenta (OFF)
Il transistore e’ in
VBB − VBE > RB IC/β
VCE ~ VAL
bisogna far circolare una corrente di base
abbastanza alta,
IC ~ 0
INTERDIZIONE
VAL
RL
PD = VCE * IC ~ 0
agendo sulla tensione di ingresso:
VBB > VBE + RB IC/β
o sulla resistenza nella maglia di base:
RB < (VBB − VBE)β0/IC
IC
RB
VBB
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Per garantire che il transistore sia in saturazione, la
corrente di base deve essere abbastanza elevata (molto
piú alta di IC/β ).
Questa condizione si otteniene agendo sulla maglia di
base. Il circuito di riferimento é quello giá visto in
precedenza.
La corrente di base puó essere controllata in sede di
progetto agendo su due parametri del circuiito:
• la tensione VBB presente nella maglia di ingresso
(deve essere abbastanza alta)
• la resistenza RB, sempre nella stessa maglia
(deve essere abbastanza bassa).
IB
Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 39 - 27/05/2009
Questo e’ lo stesso circuito, ma stavolta il transistore
viene portato in interdizione, e la lampadina é spenta.
La corrente IC é praticamente nulla (piú precisamente pari
alla IC0). La caduta di tensione su RL é nulla, e la tensione
tra collettore ed emettitore é pari alla tensione di
alimentazione VAL.
La potenza dissipata é parti al prodotto IC VCE, ed é
praticamente nulla (in questo caso il termine che annulla
il prodotto é IC =0).
Anche in questo caso si porta il transistore nella
condizione voluta agendo sulla maglia di base.
Nota: per un calcolo piú preciso occorrerebbe tener conto della
corrente di collettore IC0. Nei transistori al silicio, questa corrente é
peró tanto bassa da non determinare dissipazione significativa.
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Come ottenere l’interdizione
Accensione a potenza intermedia
Esempio: VAL
deve essere:
= 12 V,
RL= 120 Ω
IB = 0
con lampadina a potenza intermedia:
VBB < VBE~ 0,6 V
VCE = VL = VAL/2 = 6 V
Sono accettabili VBE negative, fino ad alcuni
volt (la tensione di rottura inversa per la
giunzione BE nei transistori al silicio e’ di circa
5 - 7 V)
IC = IL = 6 V/RL = 50 mA
la potenza dissipata nel transistore e’:
PD = VCE IC = 0,3 W
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Per garantire che il transistore sia in interdizione, la
corrente di base deve essere nulla.
Nel circuito in esame questo si puo’ ottenere agendo
principalmente sulla tensione VBB, che puó essere:
• Nulla o inferiore alla VBE (0,5 V circa): non circola corrente
nella maglia;
• Negativa: la giunzione BE é polarizzata inversamente, e
quindi non scorre corrente di base.
Dobbiamo quindi inserire nella maglia di base un
generatore di tensione VBB molto bassa o leggermente
negativa.
Applicando tensioni di polarizzazione inversa alla maglia
di base (tensioni negative per transistori NPN), bisogna
evitare di superare la tensione di rottura inversa della
giunzione stessa (generalmente prossima a 5 V).
Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 41 - 27/05/2009
Negli esempi precedenti il carico é acceso o spento, e la
potenza dissipata sull’elemento di comando é sempre
praticamente nulla.
Per fornire al carico una potenza intermedia occorre
portare il transistore in zona attiva, regolando la corrente
di base in modo opportuno. In questo caso sia IC che VCE
sono diverse da 0, e la potenza dissipata nel transitore
diventa significativa.
I valori indicati nel cartello si riferiscono ad un carico con
resistenza equivalente di 120 Ω, alimentato a metá
tensione (questo corrisponde a un quarto della potenza
massima).
Nota: la condizione VCE = VAL/2 corrisponde alla massima potenza
dissipata sul transistore.
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Potenza dissipata
Comando a PARZIALIZZAZIONE
• Con comando ON/OFF VCE oppure IC sono
nulle; quindi la potenza dissipata dal
transistore e’ nulla.
la lampadina e’ alternativamente accesa/spenta
• Con comando in linearita’ o analogico, sia
VCE che IC sono diverse da 0
• IC o VCE sono alternativamente nulle, quindi la
potenza dissipata nel transistore e’ minima
• la potenza sul carico e’ variabile con continuita’
ON
• Per VL = VAL/2
PL = (VAL)2/4RL
IL = VAL/2RL
OFF
• la potenza dissipata e’ rilevante
VCE = 0
IC = 0
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VCE = 0
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La potenza dissipata sull’elemento di comando
(transistore) viene trasformata in calore.
Per variare la potenza erogata ad un carico limitando la
dissipazione dell’elemento attivo di controllo viene
utilizzata la tecnica della parzializzazione.
Il vantaggio del controllo tipo ON/OFF (con interruttore) é
proprio che la potenza dissipata sull’elemento attivo di
comando (il transistore) é sempre nulla, perché sono
nulle la tensione oppure la corrente nel transistore.
La parzializzazione consiste nell’alternare cicli
acceso/spento secondo un rapporto variabile. La potenza
erogata sul carico puó essere variata con con continuitá
modificando il rapporto ON/OFF.
Facendo invece lavorare il transistore in zona attiva, cioé
fuori delle regioni di saturazione ed interdizione, la
potenza da dissipare diventa considerevole.
La potenza dissipata nel regolatore é minima, in quanto
una delle due variabili (tensione o corrente) é
alternativamente nulla.
Nota: con la regolazione a parzializzazione viene dissipata potenza
esclusivamente nei transitori di commutazione.
Questa tecnica é usata anche negli alimentatori con regolazione “a
commutazione” (switching).
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Riepilogo
Esercizio:
• caratteristiche di BJT
Progettare il circuito di comando per un transistore
bipolare in commutazione dati
• zone di saturazione e interdizione
- la corrente assorbita dal carico;
• come ottenere saturazione e interdizione
- il β minimo del transistore;
• esempio: comando di carico ON/OFF
- l’escursione di tensione del segnale di comando.
• potenza dissipata da un comando ON/OFF
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ELETTRONICA II
Riferimenti al testo
Prof. Dante Del Corso - Politecnico di Torino
Parte A: Transistori in commutazione
• Millman-Grabel
Cap. 4: Field Effect Transistor
4.12: the FET as a switch
Lezione n. 3 - A - 3:
Transistori MOS in commutazione
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Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 47 - 27/05/2009
Transistori in commutazione - 3
• Richiami sulle caratteristiche ID,VDS dei
transistori a effetto di campo (MOS, FET)
• Zona di saturazione e zona di interdizione
• Parametri inerenti l’uso in commutazione
• Esempio: invertitore logico
• Esperienza di laboratorio con BJT e MOS
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Caratteristiche ID,VDS
Transistore MOS in interdizione (OFF)
• tensione VGS < VTH (in modulo), di
conseguenza:
ID
canale non formato (o completamente
chiuso)
Parametro
zona di
saturazione
VGS
corrente di drain ID~ nulla
VDS
tensione VDS imposta dal circuito esterno
zona di interdizione
Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 48 - 27/05/2009
Le caratteristiche ID, VDS di un transistore MOS sono giá
state presentate nel Modulo di Elettronica I (Lezione n.
20).
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Nel transistore MOS in interdizione il canale é
completamente chiuso (o non formato, nei MOS a
formazione di canale).
Di conseguenza:
Esamineremo in questa lezione il funzionamento e le
applicazioni dei transistori MOS operanti nelle regioni di
• la corrente di Drain ID é nulla,
• la tensione VDS é imposta dal circuito esterno
• SATURAZIONE (VDS molto piccola, prossima a 0 V) e
• INTERDIZIONE (ID molto piccola, prossima a 0).
Inizierno l’analisi dalla zona di interdizione, che
corrisponde al ramo di caratteristiche di uscita per
=0
ID
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Circuito equivalente per MOS OFF
INTERDIZIONE
VAL
RD
D
ID ~ 0
Interruttore
APERTO
Corrente
di perdita
D
D
Caratteristiche ID,VDS
ID
Parametro
zona di
saturazione
VGS
ID0
G
S
VGS = 0
VDS = VAL
S
S
VDS
zona di interdizione
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Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 51 - 27/05/2009
Nel Drain non scorre corrente, quindi non si ha caduta
sulla resistenza RD, e la VDS é uguale alla tensione di
alimentazione.
Continua l’analisi del comportamento in commutazione
del MOS; dopo il comportamento nella zona di
interdizione esaminiamo la zona di saturazione.
Per un transistore MOS in interdizione il circuito
equivalente tra Drain e Source é in prima
approssimazione un circuito aperto; viene rappresentato
con un interruttore aperto perché lo stesso elemento
(interruttore) ci consente di modellare il comportamento
del transitore anche in saturazione.
La zona di saturazione corrisponde alla regione con
canale completamente aperto (o formato). Per l’uso del
MOS come interruttore, si lavora sempre con VDS molto
piccola (da pochi mV ad alcune centinaia di mV).
Volendo un modello piú preciso, possiamo inserire tra D
ed S un generatore di corrente (ID0 nella figura, indicata
spesso come IOFF). Questa corrente e’ legata alla corrente
di perdita che scorre nel canale chiuso.
Il circuito equivalente é analogo a quello definito per BJT,
perché il comportamento dei due dispositivi é molto
simile.
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Transistore MOS in saturazione (ON)
• tensione VGS > VTH , di conseguenza:
Circuito equivalente per MOS ON
corrente di drain ID imposta dal circuito
esterno
RD
resistenza equivalente tra Drain e Source
(RON) molto piccola
tensione VDS molto bassa (~ nulla)
canale completamente formato (aperto)
SATURAZIONE
VAL
D
Interruttore
CHIUSO
ID
D
Dato che in saturazione VDS é praticamente costante
(prossima a 0 V), la corrente di Drain é controllata dal
circuito esterno.
S
VGS > VTH
VDS ~ 0
S
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S
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La differenza di tensione tra D e S é molto piccola, quindi
in prima approssimazione, il circuito equivalente tra D e S
per un transistore MOS in saturazione é un cortocircuito
(interruttore chiuso).
Volendo definire un modello piú preciso, occorre tener
conto che la tensione residua VDS é proporzionale alla
corrente ID ; il circuito equivalente é quindi una resistenza,
indicata con RON nel cartello.
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D
RON
G
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In saturazione la VGS é maggiore della tensione di soglia
VTH.
Resistenza di
conduzione
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Da cosa dipende RON ?
Tensione di soglia VTH per J-FET
• Funzione dei parametri tecnologici del
transistore (diminuisce al crescere della
sezione del canale)
ID
IDSS
• Ordini di grandezza:
MOS interni a circuiti integrati:
MOS di interfaccia (I/O pad):
MOS, J-FET discreti:
MOS, J-FET di potenza:
pochi KΩ
20 -100 Ω
10 -200 Ω
0,1- 10 Ω
VGS < VP
ID = 0
VGS > VP
ID > 0
VGS = 0
ID = IDSS
VTH = VP
VP
VGS
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Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 55 - 27/05/2009
La resistenza RON é legata alle dimensioni del canale.
Transistori piú grandi (con sezione trasversale del canale
piú ampia), hanno RON piú bassa.
Le transcaratteristiche in questi cartelli si riferiscono a
dispositivi a canale N; per dispositivi a canale P é
sufficiente ribaltare gli assi V e I.
I transistori MOS di potenza, con canale ampio (per
gestire correnti forti), hanno RON anche molto bassa, fino
a frazioni di Ω.
Per un JFET il canale é giá formato e rimane aperto con
VGS = 0. Questa é la condizione di saturazione. La
massima corrente che puó scorrere nel canale in queste
condizioni é la IDSS. É lo stato ON.
Nota: aumentando la sezione di canale aumentano anche le
dimensioni dell’elettrodo di gate, e di conseguenza la capacitá
parassita (nei MOS e FET di potenza l’incremento é fino a tre ordini
di grandezza rispetto ad un MOS “piccolo”). Se si vuole una
commutazione veloce, questi transistori vanno pilotati con circuiti
appositamente progettati.
Aumentando VGS (in modulo; il segno é quello della
tensione di pinch-off VP), il canale viene via via chiuso,
fino ad arrivare all’interdizione completa per VGS = VP .
Questo é lo stato OFF.
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VTH per MOS a formazione di canale
VTH per MOS a svuotamento
• Comportamento simile al J-FET
ID
VTH
ID
VGS = 0:
ID = 0
VGS < VTH:
ID = 0
VGS > VTH:
ID > 0
VGS
VTH
VGS < VTH:
ID = 0
VGS > VTH:
ID > 0
VGS
Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 56 - 27/05/2009
Nel caso MOS a formazione di canale (enhancement) la
transcaratteristica si sviluppa nel primo quadrante.
Per VGS = 0 il canale non é formato e quindi non si ha
conduzione (ID = 0). É lo stato OFF.
Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 57 - 27/05/2009
Per i MOS a svuotamento (depletion) il comportamento
(cartello successivo) é analogo a quello del FET. La
tensione di soglia VTH , che corrisponde all’inizio della
conduzione, corrisponde alla VP del FET.
Notiamo la differente posizione della tensione di soglia
per MOS enhancement e MOS depletion (o FET).
Aumentando VGS fino a superare la tensione di soglia VTH
inizia la formazione del canale e scorre una corrente ID (
stato ON).
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Esempio da data sheet
caratteristiche del BS170
• 3N163 (p-channel) - Millman, App. B - 5
MOS uso generale (Amplificatore, switch)
per VGS = - 20 V ;RON = 250 Ω (max)
• BS170 (n-channel) - laboratorio
MOS di media potenza
per VGS = + 10 V;
(ID = 0,5 A)
RON = 5 Ω (max)
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Da notare che il 3N163 (caratteristiche nel testo) é un
dispositivo a canale P, quindi le polaritá di tensioni e
correnti sono invertite rispetto a quanto visto in
precedenza. La tensione di soglia é negativa (- 20 V), ed
il transistore va in conduzionie per tensioni VGS inferiori a
- 20 V (maggiori in modulo).
Il BS170 (caratteristiche nella pagina seguente), é un
MOS di media potenza; i valori di resistenza in
conduzione sono molto piú bassi rispetto al caso
precedente.
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Transistori in commutazione - 3
• Richiami sulle caratteristiche ID,VDS dei
transistori a effetto di campo (MOS, FET)
Esempio 2
• Invertitore logico (NMOS)
VAL
VIN = 0:
RL
• Zona di saturazione e zona di interdizione
• Parametri inerenti l’uso in commutazione
ID
D
• Esempio: invertitore logico
VIN = VAL: VOUT = 0
G
(riferimento a MOS con formazione di canale)
VIN
VGS
S
VOUT
Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 60 - 27/05/2009
Dopo l’analisi del comportamento di un transistore MOS
usato in commutazione, nei prossimi cartelli vedremo un
esempio di impiego.
L’esempio riguarda l’uso del MOS per realizzare un
circuito logico elementare (invertitore). Il MOS utilizzato é
a formazione di canale.
Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 61 - 27/05/2009
La tensione d ingresso per l’invertitore é VIN, che viene
applicata direttamente come VGS al transistore.
L’uscita (VOUT) é prelevata dal morsetto di Drain, collegato
alla tensione di alimentazione VAL tramite la resistenza
RL. Se la corrente di Drain é nulla, l’uscita VP si porta alla
tensione VAL (stato logico alto). Se il transistore é in
saturazione, dato che RL >> RON , l’uscita si porta ad un
potenziale prossimo a massa (stato logico basso).
A differenza dell’esempio precedente, relativo al BJT, in
questo caso le potenze in gioco, sia sui carichi che sul
transistore, sono molto basse.
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VOUT = VAL
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VTH per MOS a formazione di canale
ID
VGS = 0:
ID = 0
VGS < VTH:
ID = 0
VGS > VTH:
VTH
VIN = 0
Esempio 2
• Invertitore logico (NMOS)
VAL
RL
ID > 0
VIN
VGS
ID = 0:
VOUT = VAL
VIN = VAL: VGS > VTH
G
VIN = VAL
VGS < VTH
ID
D
VGS
VIN = 0:
S
VDS = 0:
VOUT
Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 62 - 27/05/2009
Analizziamo il comportamento del circuito osservando
come si posizione il punto di funzionamento sulla
trascaratteristica del transistore.
Quando la tensione di ingresso VIN é nulla (o inferiore a
VTH), la corrente di Drain é nulla e quindi l’uscita viene
portata a livello alto dalla resistenza RL.
Quando la tensione di soglia ha un valore prossimo o
superiore a VTH , il canale é aperto (o formato), scorre
corrente di Drain, e l’uscita si porta a livello basso
(tensione prossima a massa).
Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 63 - 27/05/2009
Ricordando che tensioni prossime a massa (0 V)
corrispondono allo stato logico basso, e tensioni prossime
a VAL allo stato alto, possiamo definire l’operatore logico
realizzato dal circuito.
Per quanto riguarda gli stati logici si ha:
• ingresso
uscita
basso
alto
alto
basso
Il circuito esegue l’operazione logica di negazione; é un
invertitore logico (inverter).
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VOUT = 0
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LABORATORIO
• Zone di funzionamento di BJT
zone di saturazione e interdizione
• Zone di funzionamento di MOS
• Comando ON/OFF di lampadina con
BJT
verifica di VCES e IC (beta forzato)
variazione di potenza a parzializzazione
Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 64 - 27/05/2009
Questa esperienza di laboratorio comprende due parti:
Nella prima parte viene verificato il comportamento di
transistori BJT e MOS nelle tre zone corrispondenti al
funzionamento in linearitá e commutazione ON-OFF.
Il primo esempio é un transistore pilotato in base da un
generatore di segnali. Livello di uscita del generatore e
resistenza serie sono tali da determinare una corrente di
base variabile tra 0 e 450 µA.
Sull’oscilloscopio compaiono le forme d’onda di ingresso
e di uscita.
Nella seconda parte viene ripreso l’esempio di impiego
come comando ON/OFF di un carico (lampadina),
verificando le diverse condizioni di funzionamento.
Per tensioni di ingresso superiori a 0,6 V circa il
transistore entra in conduzione. Per ingresso superiore a
1,6 V circa, il transistore entra in saturazione (VCE
praticamente costante e prossima a 0).
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Circuito 1: BJT
VAL
VAL
IBMAX=(5-0,6)V/10kΩ=0,44mA
ICMAX=5V/220Ω=22.7mA
βFMIN=22,7/0,44=52
RL 220Ω
RC
IC
RB
per 2N2222A:
V
βMIN= 75 @ IC=10mA BB
βMIN=100 @ IC=100mA
Circuito 2: NMOS
BS170 D
G
VIN
IB
VCE
VBE
+5V
0V
t
VIN
VGS
Elettronica II - Claudio Sansoè - Esercitazione 1 - n. ## - //
La massima corrente di collettore (con il transistore il
saturazione) é di 22 mA. Il β forzato in saturazione é di
circa (il β in linearitá vale 100).
ID
S
VOUT
Elettronica II - Claudio Sansoè - Esercitazione 1 - n. ## - //
Per analizzare il comportamento di un MOS si usa lo
stesso circuito base.
La tensione di controllo (identica a quella utilizzata
nell’esperienza precedente) viene applicata direttamente
alla base del MOS (comandato dalla tensione VGS). La
tensione di soglia del BS170 tra 1,5 V e 3 V, quindi sará
possibile osservare le tre zone di funzionamento.
Per tensioni inferiori a 1,7 V circa la tensione di uscita é
massima (transistore in interdizione). Segue la fase
lineare, e la fase di saturazione che inizia per tensioni di
ingresso superiori a 2,4 V circa.
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Circuito 3: Pilotaggio lampadina
VBB
VAL
+5V
+28V
RL
0V
VBB
40mA
IC
t
RB
Esercizio proposto
IB
10kΩ
• rete di comando per pilotare ON/OFF una
lampadina da 12 V, 100 mA
• comando: ingresso = + 10 V
ingresso aperto
• e’ disponibile un transistore 2N2222
(β > 100)
• verifica di β e VCE(sat) su catalogo
Elettronica II - Claudio Sansoè - Esercitazione 1 - n. ## - //
Il terzo circuito é simile ai precenti, ma questa volta la
resistenza di carico é sostituita da una lampadina, con
tensione nominale di 28 V e corrente 40 mA. La tensione
di alimentazione é di 28 V (5 V nei circuiti visti in
precedenza).
Il segnale di comando é ad onda quadra, per evitare che
il transistor rimanga in zona lineare. Tensione e
resistenza sono dimensionati in modo da garantire la
saturazione con un β forzato di circa 80, inferiore al β
minimo indicato nelle caratteristiche del transistore.
Con segnale di ingresso a frequenza molto bassa si
vedono le fasi di accensione e spegnimento.
Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 69 - 27/05/2009
Il segnale di comando é fornito da un interruttore che
collega un generatore da 10 V all’ingresso. L’interruttore
deve controllare la corrente di base del transistore.
Nello schema tracciato sulla lavagna, la resistenza R1
fornisce la corrente di base quando línterruttore é chiuso.
La resistenza R2 porta a massa la base. In questo modo,
quando l’interruttore é aperto, la corrente di perdita della
giunzione BC viene scaricata a massa e non determina
un incremento della corrente IOFF (vedi pagina 23 di questi
appunti). Inoltre la presenza di R2 migliora la velocita di
commutazione nel passaggio ON-OFF (vedi lezione num.
4).
A frequenza piú alta la lampadina sembra uniformemente
accesa (per la persistenza delle immagini sulla retina e
l’inerzia termica del filamento).
Variando il duty cycle del segnale di comando varia la
luminositá apparente.
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ON
OFF
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+12 V
R1
100mA
• Caratteristiche ID,VDS dei transistori a effetto di
campo (MOS, FET)
IC
• Zona di saturazione e zona di interdizione
IB
• Parametri inerenti l’uso in commutazione
10 V
R2
Riepilogo
2N2222
• Esempio: invertitore logico
• Laboratorio: BJT e MOS in commutazione
Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 71 - 27/05/2009
La corrente IC a lampada accesa é di 100 mA.
Scegliendo un β forzato di 20 (il valore minimo del β sulle
caratteristiche é 70), la IB risulta pari a 5 mA.
IB dipende dalle due correnti I1 ed I2, che scorrono nelle
resistenze R1 ed R2 . Abbiamo a questo punto due
incognite (R1 ed R2 ) e un vincolo (corrente di base
IB
= 5mA). Per definire il valore di R1 ed R2 occorre imporre
un’altra condizione, oppure scegliere il valore di una delle
due resistenze. Scelta R2 = 1 kΩ, si puó calcolare R1
tenendo conto che ai capi della giunzione BE é presente
una tensione di 0,6 V.
Si ottiene R1 = 1,5 kΩ.
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