Curva caratteristica del transistor 1 AMPLIFICATORI
Si dice amplificatore un circuito in grado di “aumentare” l'ampiezza del segnale di
ingresso. Un buon amplificatore deve essere lineare, nel senso che deve amplificare
tutte le forme d'onda presenti in ingresso nello stesso modo, cioè moltiplicare l'ampiezza
di ognuna per un numero costante, pari al guadagno, per tutte le frequenze. Un
amplificatore si dice amplificatore di tensione se amplifica la tensione; si dice
amplificatore di corrente se amplifica la corrente.
Occorre precisare che l'amplificatore non è un generatore, infatti l'amplificazione
avviene a spese del generatore di tensione che alimenta il circuito.
Un amplificatore si dice per piccoli segnali quando l'ampiezza della forma d'onda
applicata in ingresso è molto piccola e la potenza in uscita è dell'ordine delle centinaia di
mW. Quando, invece, la potenza fornita in uscita è dell'ordine dei watt si dice che
l'amplificatore è di potenza.
Un amplificatore si dice di bassa frequenza se amplifica le frequenze basse, cioè le
frequenze audio, udibili dall'orecchio umano; le frequenze audio vanno da 20 Hz a
20.000 Hz. Un amplificatore si dice ad alta frequenza quando amplifica frequenze
superiori ai 20 kHz. Ciò è dovuto al fatto che un amplificatore, a causa dei limiti della
tecnica, è selettivo, cioè amplifica una ristretta gamma di frequenze; di conseguenza per
ogni gamma di frequenze di lavoro si costruisce un idoneo amplificatore.
2 Ogni amplificatore può essere visto come un quadripolo, cioè un blocco circuitale con
un ingresso e una uscita. Ha un suo guadagno di tensione, dato dalla formula: Av = vu /
vi; e un suo guadagno di corrente, dato dalla formula: Ai = iu / ii
Ha, inoltre, una sua resistenza di ingresso, data dalla formula Ri = vi / ii, e una sua
resistenza di uscita, data dalla formula: Ru = vu / iu.
Si dice rumore un insieme di frequenze diverse, presenti in uscita e non presenti in
ingresso; in pratica il rumore viene generato dall'amplificatore ed è un difetto
dell'amplificatore stesso; ha un origine interna, quando proviene dai componenti
utilizzati, oppure una origine esterna, come disturbi atmosferici, di interruttori, di circuiti
vicini; in tal caso si chiama disturbo.
Si dice distorsione di un amplificatore il fenomeno per cui tra segnale di ingresso e
segnale di uscita vi è una variazione non prevista. La distorsione può essere distorsione
di frequenza, quando vi sono in uscita frequenze non presenti in ingresso; ciò è dovuto
al fatto che non tutte le frequenze vengono amplificate nello stesso modo.
Si dice distorsione di fase quando tra le varie frequenze in uscita vi è una differenza di
fase diversa rispetto a quella presente in ingresso; in pratica l'amplificatore non sfasa le
varie frequenze dello stesso angolo.
Si dice distorsione di non linearità il fatto di avere una deformazione della forma d'onda
tra ingresso e uscita. Ciò è dovuto al fatto che essendo il segnale di ingresso molto forte
il transistor si sposta in una zona non lineare delle caratteristiche, per cui si hanno
amplificazioni diverse, o addirittura saturazione, nelle diverse parti che costituiscono la
forma d'onda.
Consideriamo i seguenti diagrammi che mostrano come il segnale applicato in ingresso
influisce sul punto di riposo del BJT P1, P3:
3 Applicando un segnale in ingresso (curva in basso a sinistra), si ha una variazione di vbe-ib (tra i
punti A e B) che comporta in uscita una variazione della vce-ic (curva a destra in alto, punti E ed F)
Applicando un segnale sinusoidale in ingresso, possiamo vedere, guardando la
caratteristica di ingresso, che la vBE aumenta o diminuisce, seguendo il segnale;
contemporaneamente anche la iB segue l'andamento del segnale.
4 Riportando l'andamento della iB sulla retta di carico delle caratteristiche di uscita
vediamo che il punto di lavoro si sposta, sempre però sulla retta di carico, determinando
sia una variazione di iC che della vCE. Vediamo che la vCE è sfasata di 180° rispetto alla
vBE ed inoltre è amplificata; mentre la iC è in fase con la iB, ma amplificata. Poiché il
punto di lavoro è stato scelto sul tratto lineare delle caratteristiche, la distorsione è
ridotta al minimo.
CONFIGURAZIONE AD EMETTITORE COMUNE
Un amplificatore si dice a emettitore comune quando l'emettitore è comune sia
all'ingresso che all'uscita del segnale. Consideriamo il seguente schema:
Perché la connessione sia ad emettitore comune occorre collegare l'emettitore a massa;
per ottenere ciò non si può eliminare il resistore RE che serve per la stabilizzazione del
circuito, ma si usa un condensatore CE collegato in parallelo a RE; essendo il
condensatore un circuito aperto per la componente continua del segnale, il punto di
lavoro a riposo, cioè in assenza di segnale, non viene spostato dal condensatore. Quando
si applica un segnale di ingresso il condensatore si comporta come un corto circuito per
il segnale e collega l'emettitore a massa; pertanto l'emettitore è in comune sia all'ingresso
che all'uscita, ai fini del segnale. Il condensatore di ingresso Ci ha il compito di applicare
il segnale di ingresso sulla base del transistor, bloccando la componente continua; infatti,
se colleghiamo direttamente il generatore di segnale sulla base il punto di lavoro si
sposta, in quanto varia la corrente che passa nel circuito di polarizzazione.
Analogamente il condensatore Cu trasferisce il segnale all'uscita dell'amplificatore e
blocca la componente continua.
5 Nella configurazione ad emettitore comune il segnale di uscita è sfasato di 180° rispetto
al segnale di ingresso; il guadagno di tensione è molto grande; il guadagno di corrente è
molto grande; la resistenza di ingresso è piccola; la resistenza di uscita è grande.
Il funzionamento del BJT come interruttore
Il funzionamento (come interruttore) è il seguente:
Se la corrente entrante nella Base (IB) è nulla, anche la corrente entrante nel Collettore IC e
quella uscente dall'Emettitore IE sono nulle. Se consideriamo i due terminali C ed E si tratta
quindi di un comportamento simile ad un interruttore aperto.
Se la corrente entrante nella Base è "sufficiente", possiamo avere una corrente IC entrante
dal Collettore ed uscente dell'Emettitore. La tensione tra C ed E (VCE) è molto bassa,
spesso approssimata a 0 V. Se consideriamo i due terminali C ed E si tratta quindi di un
comportamento simile ad un interruttore chiuso.
Osservazioni
A differenza di un normale interruttore, la corrente può scorrere tra Collettore ed Emettitore
ma non viceversa (si noti il verso della freccia sull'emettitore)
La corrente di Base può essere solo entrante (si noti la freccia sull'Emettitore)
La tensione VCE è praticamente costante e indipendente dalla corrente del Collettore. A
seconda del tipo di transistor varia tra 0,2 V e 1 V circa, spesso trascurabile
La corrente di Base è molto più piccola di quella di Collettore, in genere 10-100-1000 volte
minore, a seconda del tipo di transistor. Per questo si dice che un transistor amplifica la
corrente di Base. O anche che: IE ≈ IC >> IB
La tensione VBE è praticamente costante e indipendente dalla corrente del Base e spesso
vale 0,7 V (a volte quindi trascurabile)
Se il transistor si comporta come un interruttore chiuso si dice che è in saturazione
Se il transistor si comporta come un interruttore aperto si dice che è in interdizione
La massima corrente di Collettore, a secondo del tipo di transistor, può variare da 0,1 a 25 A
e più
La massima tensione di funzionamento (tensione di rottura), a secondo del tipo di transistor,
varia da 10 a 1200 V e più
Un modello di transistor è identificato da una sigla alfanumerica. Per esempio BC108,
2N3055, TIP41
La sigle usate per le porte logiche TTL significa Transistor Transistor Logic perché
internamente sono costituite da transistor
Applicazione
Accensione di una lampadina (100W, 100V, quindi 1 A) comandata da una porta logica. Si ricordi
che una porta logica fornisce in uscita al massimo 10-20 mA.
6 Se l'uscita della porta logica è alta (tensione VH, per esempio 5 V) allora nella resistenza e quindi
nella Base abbiamo una corrente; dall'equazione di Kirchhoff:
VH – RB·IB – 0,7 = 0
→ IB = (VH - 0,7) / RB
Se questa corrente è "sufficiente" (per esempio, in questo caso, > 10 mA), il transistor si comporta
come un interruttore chiuso e nella lampadina passa corrente (è quindi accesa).
Se l'uscita della porta logica è bassa (tensione VL, per esempio 0 V) allora nella resistenza e quindi
nella Base non abbiamo alcuna corrente; dall'equazione di Kirchhoff:
VL – RB·IB – 0,7 = 0
(attenzione IB sempre ≥ 0 )
Quindi il transistor si comporta come un interruttore aperto e nella lampadina non passa corrente (è
quindi spenta).
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