Transistore bipolare - Parte 2

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Transistore bipolare
a giunzione (BJT)
Parte 2
www.die.ing.unibo.it/pers/mastri/didattica.htm
(versione del 29-5-2012)
Impiego del transistore come amplificatore
● Collegando una resistenza al collettore si ottiene una tensione VCE
dipendente dalla tensione VBE
VCE  VCC  RC I C
● Nella regione normale la caratteristica di trasferimento VBE-VCE contiene
un tratto con andamento approssimativamente lineare
2
Impiego del transistore come amplificatore
● E’ possibile ottenere un amplificatore lineare polarizzando il transistore
mediante un generatore costante VBE0
● Il punto Q sulla caratteristica è detto punto di polarizzazione o punto
di riposo
3
Impiego del transistore come amplificatore
● Se il punto Q si trova nel tratto lineare, sovrapponendo a VBE0 un
piccolo segnale vbe(t), si ottiene in uscita la tensione VCE0 vce(t),
con vce(t) praticamente proporzionale a vbe(t)
4
Analisi per piccoli segnali
● La relazione tra vbe(t) e vce(t), può essere ottenuta linearizzando le
equazioni del transistore nell’intorno del punto di riposo Q
I B (VBE0  vbe )  I B (VBE0 ) 
I B
vbe
VBE 0
I C (VBE0  vbe ,VCE0  vce )  I C (VBE0 , VCE0 ) 
I C
I
vbe  C vce
VBE 0
VCE 0
● Quindi si ottiene
I
ib  B vbe  g be vbe
VBE 0
ic 
0 indica che le derivate sono
calcolate nel punto di riposo
I C
I
vbe  C vce  g m vbe  g ce vce
VCE 0
VBE 0
5
Analisi per piccoli segnali
● L’analisi del circuito può essere svolta in tre fasi
 Determinazione del punto di riposo, in assenza del segnale vbe(t)
 Linearizzazione nell’intorno del punto di riposo
 Analisi del circuito linearizzato, in cui è presente il solo generatore
vbe(t) (circuito equivalente per piccoli segnali)
6
Modello per piccoli segnali
● Le equazioni linearizzate possono
essere interpretate mediante il
seguente circuito equivalente
● Le espressioni dei parametri sono
gm 
I C
I V / V  VCE0  I C 0
 
 S e BE0 T 1 
VBE 0 VT
V
VT
A 

g ce 
I C
VCE
g be 

0
I S VBE0 / VT
IC0
e

VA
VA  VCE0
I
I
I B
VA
V /V
 S e BE0 T  C 0
VBE 0  FVT
 FVT VA  VCE0
7
Modello per piccoli segnali
● Il circuito equivalente per piccoli
segnali può essere ridisegnato
nel modo seguente
● I parametri sono definiti dalle
relazioni
rbe 
1
V
 F T
g be
IC0
g m vbe 
rce 
 VCE0 

1 
V
A 

gm
ib  o ib
g be

 VCE0 
gm

o 
  F 1 
g be
VA 

1 VA  VCE0

g ce
IC0
8
Modello per piccoli segnali
● Le equazioni basate sul primo circuito equivalente costituiscono una
rappresentazione in termini di matrice di conduttanza
ib  g be vbe
ic  g m vbe  g ce vce
g
G e   ie
 g fe
g re   g be

g oe   g m
0
g ce 
Matrice di conduttanza
ad emettitore comune
● Le equazioni basate sul secondo circuito equivalente costituiscono una
rappresentazione in termini di matrice ibrida
vbe  rbeib
ic  oib  vce / rce
h
H e   ie
hfe
r
hre   be

hoe  o

0
1

rce 
Matrice ibrida
ad emettitore comune
9
Amplificatori ad un transistore
Configurazioni fondamentali
Emettitore comune
Base comune
Collettore comune
10
Amplificatore ad emettitore comune
VS (t )  VBB  vs (t )
● Ingresso tra base e massa
● Uscita tra collettore e massa
● Nel circuito equivalente per piccoli segnali la tensione di uscita coincide
con la tensione di RC
11
Amplificatore ad emettitore comune
Analisi per piccoli segnali
rce
rce  RC
ii  ib
io  oib
vi  rbeib
vo   RCio  o ib
rce RC
rce  RC
12
Amplificatore ad emettitore comune
● Guadagno di tensione
vo

  o RC // rce 
vi
rbe
Av 
● Guadagno di corrente
Ai 
io
rce
 o
ii
rce  RC
● Resistenza di ingresso
Rin 
vi
 rbe
ii
● Valori approssimati per rce  
Av  
o RC
rbe
Ai  o
Rin  rbe
13
Amplificatore ad emettitore comune
● Calcolo della resistenza di uscita
ib  0
Rout 
v
 rce
i
14
Amplificatore a collettore comune
VS (t )  VBB  vs (t )
● Ingresso tra base e massa
● Uscita tra emettitore e massa
● Nel circuito equivalente per piccoli segnali la tensione di uscita coincide
con la tensione di RE
15
Amplificatore a collettore comune
Analisi per piccoli segnali
io  
ii  ib
vo  o  1ib
rce RE
rce  RE
vo
rce
 o  1ib
RE
rce  RE
vi  rbeib  vo  rbeib  o  1ib
rce RE
rce  RE
16
Amplificatore a collettore comune
● Guadagno di tensione
o  1RE // rce 
vo

vi rbe  o  1RE // rce 
Av 
● Guadagno di corrente
Ai 
io
r
 o  1 ce
ii
rce  RE
● Resistenza di ingresso
vi
 rbe  o  1RE // rce 
ii
Rin 
● Valori approssimati per rce  
Av 
o  1 RE
rbe  o  1 RE
Ai  o  1
Rin  rbe  o  1 RE
17
Amplificatore a collettore comune
● Calcolo della resistenza di uscita
ib  
v
RS  rbe
i  o  1ib 
Rout 
v
v
v
 o  1

rce
RS  rbe rce
v RS  rbe

// rce
i
o  1
● Per rce   si ha
Rout 
RS  rbe
o  1
18
Amplificatore a base comune
● Ingresso tra emettitore e massa
● Uscita tra collettore e massa
● Nel circuito equivalente per piccoli
segnali la tensione di uscita coincide
con la tensione di RC
VS (t )  VEE  vs (t )
19
Amplificatore a base comune
Analisi per piccoli segnali
vi  rbeib
rbeib  rce ib  o io   RCio
ii  io  ib  
 io 
RC  o  1 rce
ib
RC  rce
rbe  o rce
r
ib  o ce ib
RC  rce
RC  rce
vo   RCio  
o rce RC
ib
RC  rce
20
Amplificatore a base comune
● Guadagno di tensione
vo o
 RC // rce 
vi rbe
Av 
● Guadagno di corrente
Ai 
o rce
io

ii
RC  o  1 rce
● Resistenza di ingresso
vi
r R  r 
 be C ce
ii RC  o  1 rce
Rin 
● Valori approssimati per rce  
Av 
o RC
rbe
Ai  
o
o  1
Rin 
rbe
o  1
21
Amplificatore a base comune
● Calcolo della resistenza di uscita
ib  i
RS
rbe  RS
v  rce i  oib   rbeib
Rout 
 R 
v 
 1  o S rce  rbe // RS
i  rbe  RS 
● Quindi i valori sono compresi tra rce e (1+o)rce
22
Confronto tra le configurazioni fondamentali
Emettitore
comune
Collettore
comune
Base
comune
Av
>> 1
negativo
poco < 1
positivo
>> 1
positivo
Ai
>> 1
positivo
>> 1
negativo
poco < 1
negativo
media
(~ 1 k)
grande
(~ 100 k)
piccola
(~ 10 )
media
piccola
(~ 10 )
grande
Rin
Rout
(~ 10 k)
(~ 100 k)
(valori tipici)
23
Confronto tra le configurazioni fondamentali
● La configurazione ad emettitore comune consente di ottenere valori
elevati sia del guadagno di tensione sia del guadagno di corrente e,
quindi, anche del guadagno di potenza
● La configurazione a collettore comune ha guadagno di tensione quasi
unitario, elevata resistenza di ingresso e bassa resistenza di uscita,
quindi trova impiego principalmente come inseguitore di tensione
● La configurazione a base comune ha guadagno di corrente quasi
unitario, bassa resistenza di ingresso e elevata resistenza di uscita,
quindi può essere utilizzato come inseguitore di corrente
(può fornire una corrente di uscita circa uguale a quella di ingresso,
ma associata ad una resistenza più elevata)
● Inoltre la configurazione a base comune è usata come amplificatore di
tensione in casi particolari che richiedono adattamento in ingresso con
livelli bassi di impedenza (es. cavi a radio frequenza)
24
Amplificatore ad emettitore comune
con resistenza di emettitore
VS (t )  VBB  vs (t )
● Amplificatore ad emettitore comune modificato con l’inserimento
di un resistore in serie all’emettitore
25
Amplificatore ad emettitore comune
con resistenza di emettitore
● Applicando la LKV si ottiene
RE ie  rce io  oib   RCio  0
● Di regola vale l’approssimazione
ie  ib  io  io
● Quindi
io 
rceoib
RE  RC  rce
● Inoltre si ha
ii  ib
vο   RCio  
RC rceo ib
RE  RC  rce

RE rceo 
 ib
vi  rbeib  RE io   rbe 


R
R
r
E
C
ce 

26
Amplificatore ad emettitore comune
con resistenza di emettitore
● Guadagno di tensione
vo
o rce RC

vi
rbe RE  RC  rce   o rce RE
Av 
● Guadagno di corrente
Ai 
io
rceo

ii RE  RC  rce
● Resistenza di ingresso
Rin 
vi
RE rceo
 rbe 
ii
RE  RC  rce
● Valori approssimati per rce   (assumendo anche rbe  oRE)
Av  
RC
RE
Ai  o
Rin  REo
27
Amplificatore ad emettitore comune
con resistenza di emettitore
● Calcolo della resistenza di uscita
ib  i
RE
RE  RS  rbe
v  RE i  rce i  oib 
Rout 
o rce RE
v
 RE  rce 
i
RE  RS  rbe
● Quindi i valori sono compresi tra rce e (1+o)rce
28
Amplificatore ad emettitore comune
con resistenza di emettitore
● Complessivamente gli effetti dell’introduzione della resistenza di
emettitore sono
 Aumento della resistenza di ingresso, che è approssimativamente
determinata dal prodotto oRE
 Diminuzione del guadagno di tensione, che però, dipende in modo
meno sensibile da o, ed è praticamente determinato dal rapporto
tra RC e RE
 Aumento della resistenza di uscita
29
Il transistore come interruttore comandato
● Nell’impiego come amplificatore il transistore viene fatto funzionare
nella regione normale
● Nell’impiego come interruttore comandato il transistore lavora nella
regione di interdizione e nella regione di saturazione
30
Il transistore come interruttore comandato
● Il transistore è interdizione se
Vi  V
● In queste condizioni si comporta come un interruttore aperto
I C  0  Vo  VCC
● Il transistore è in saturazione se
IC 
V  V
VCC  VCEsat
 F I B  F i
RB
RC
● In queste condizioni si comporta come un interruttore chiuso
VC  VCEsat  0
● L’uscita è a livello basso quando l’ingresso è a livello alto e viceversa
quindi il circuito svolge la funzione di inverter
31
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