Amplificatore a BJT in configurazione CE e CC Circuito da realizzare

Amplificatore a BJT in
configurazione CE e CC
Traccia per lo svolgimento
dell’esercitazione del 27 maggio 2008
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Circuito da realizzare
C
+12V
+12V
B
100k
4k7
100k
Rif.
4k7
10uF
+
Vi
E
Vo
100nF
Vi
100nF
2N2222
2N2222
10uF
+
Gen.
Vo
Gen.
+
18k
1k
10k
100uF
18k
1k
+
10k
100uF
Configurazione ad
emettitore comune
Configurazione a
collettore comune
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1
Analisi teorica preliminare
• Analisi in DC – Studio della polarizzazione
– In DC i vari condensatori sono considerati dei circuiti
aperti, si studia dunque il circuito:
VCC
Si calcola
l’equivalente
Thevenin tra i VCC
due punti
contrassegnati con x
RC
R1
x
R2
RE
VBB
x
x
x
R2
x
VBB = VCC
RB
R1
x
R2
R1 + R2
RB = R1 // R2 =
Con:
R1 = 100 kΩ,
R2= 18 kΩ,
R1 R2
R1 + R2
Vcc=12 V
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Analisi teorica preliminare
• Possiamo quindi studiare il circuito equivalente:
Ipotizzando il funzionamento del
transistor in zona attiva si ha:
RC = 4.7 kΩ
RE = 1 kΩ
RC
RB
x
VBB
IB
B
IC = β F I B
IC
C
VCC
E
RE
IE
IB =
VBB = RB I B + VBE + RE I E
= RB I B + VBE + RE ( β F + 1) I B
x
Da ciò:
I E = ( β F + 1) I B
Dalla legge di Kirkhhoff di
tensione:
VBB − VBE
RB + RE ( β F + 1)
IC = β F I B =
Per il calcolo si possono ipotizzare
VBE= 0.65 V e β0 = 150
β F (VBB − VBE ) I = ( β + 1) I = ( β F + 1)(VBB − VBE )
E
F
B
RB + RE ( β F + 1)
RB + RE ( β F + 1)
4
2
Analisi teorica preliminare
• E si possono ricavare anche le tensioni nei vari
punti del circuito:
V E = RE I E
RC = 4.7 kΩ
RE = 1 kΩ
RC
RB
x
VBB
IB
B
VB = VBB − RB I B
IC
C
VCC
E
RE
IE
x
Si può così ricavare il punto di
lavoro del BJT, caratterizzato
dalla coppia di valori:
VCE e IC
VC = VCC − RC I C
da cui si può ricavare:
VCE = VC − VE
VCB = VC − VB
La verifica che VCE sia maggiore di
VCEsat garantisce che sia verificata
l’ipotesi iniziale e cioè che il
transistor lavori in zona attiva
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Verifica della polarizzazione con PSpice
Il transistor 2N2222 usato
per l’esercitazione è
presente nella libreria di
PSpice
Per la determinazione del
punto di lavoro è
sufficiente l’analisi “Bias
Point Detail” che risulta
abilitata di default nel
menù Setup
Cliccando sulla V e la I
presenti nella barra superiore
è possibile visualizzare tensioni
e correnti nei vari punti del
circuito, determinando così il
punto di lavoro del transistor
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3
Verifica della polarizzazione con PSpice
Dalla simulazione il punto di lavoro risulta dunque:
Ic=1.074 mA, VCE= 5,87 V
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Considerazioni sulla presenza dei
condensatori
• Con riferimento alla configurazione CE
I condensatori Cs e CL sono detti
condensatori di blocco o di accoppiamento
RL=10 kΩ
+ VCC
R1
Cs
RC
Vs
CL
CE
R2
CS=100nF
CE=100uF
CL=10uF
RE
La loro funzione è quella di isolare la
polarizzazione in continua dal generatore
di segnale e dal carico.
Il loro valore è scelto in modo tale che la
RL loro impedenza risulti trascurabile
(cortocircuito) alla minima frequenza del
segnale Vs.
Il condensatore CE, detto condensatore
di bypass, ha anch’esso impedenza
trascurabile alla freq. di Vs e fa sì che
per il segnale, l’emettitore risulti a
massa, pur essendo, in continua, il punto
di lavoro stabilizzato dalla RE
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4
Analisi teorica preliminare
• Analisi in AC – Studio (semplificato) della
configurazione ad emettitore comune
Nel circuito si sostituisce al BJT il suo modello ai piccoli segnali,
considerando le capacità come cortocircuiti.
(Il modello ai piccoli segnali utilizzato è semplificato e trascura la resistenza di
dispersione di base e la ro che tiene conto dell’effetto Early)
R1// R2
Vs
Dal punto di lavoro è possibile
ricavare gm:
V è l’equivalente in
C
B
+
rπ
+
vπ
-
RC
E ic=gmvπ
Da cui il guadagno di tensione:
gm =
IC
VT
T
volt della temperatura,
pari a circa 25 mV a
temp. ambiente
RL
vο
- vo = −( RC // RL )ic = −( RC // RL ) g m v s
essendo in questo caso vπ = vs
AvCE =
vo
R R
= − C L gm
vs
RC + RL
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Analisi simulativa della config. CE
Disegnata la rete completa, si imposta un’analisi di tipo AC sweep, per
determinare i diagrammi di Bode della FdT Vo/Vs
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Analisi simulativa della config. CE
Nelle regioni di media frequenza il guadagno è di circa 42 dB, pari ad un
AVCE= -126
Come si spiega la diminuzione del guadagno nelle zone di bassa e alta
frequenza?
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Analisi simulativa della config. CE
La diminuzione del guadagno nella
zone di bassa frequenza è dovuta
prevalentemente all’effetto della
capacità Cs, la cui impedenza, a freq
basse non è più trascurabile.
Una stima del suo effetto si può
fare, considerando nell’analisi in
AC, il seguente circuito
Cs
C
B
+
rπ
Vs
vπ
RC
RL
i =g v
- E c m π
vo = −( RC // RL ) g m vπ
R1// R2
Posto:
R x = R1 // R2 // rπ
Con: rπ = β 0 g m
vπ =
Rx
1
R +
(Assunto β0 = βF) x sC s
vs
vo
sC s R x
= − g m ( RL // RC )
vs
sC s R x + 1
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Analisi simulativa della config. CE
vo
sC s R x
= − g m ( RL // RC )
vs
sC s R x + 1
Struttura tipica di una funzione
passa alto
vo
sτ
= AVo
vs
sτ + 1
A determinare l’andamento del guadagno a frequenze ancora più basse
interviene l’effetto delle capacità CE e CL, che sono di due o tre ordini
di grandezza maggiori della CS
Cμ
B
C
rπ + C
π
vπ
-
E ic=gmvπ
Diversamente, l’andamento del guadagno in alta
frequenza è dovuto al fatto che lì si fanno sentire gli
effetti delle capacità interne del BJT, Cπ (capacità di
diffusione B-E) e Cμ (capacità di svuotamento della zona
B-C) presenti nel BJT
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Analisi simulativa nel dominio del tempo
•
•
Utilizzando lo stesso schematico del test precedente, ma sostituendo al
generatore VAC un generatore VSIN si può impostare un’analisi nel
dominio del tempo di tipo “transient”.
Aumentando l’ampiezza del segnale d’ingresso è possibile osservare la
saturazione del BJT
VCE
La VCE ha il valore minimo
tipico della saturazione
Vs*100
Tensione d’uscita Vo, con tratti che mostrano la
saturazione del BJT
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Cenni all’analisi della configurazione CC
+ VCC
R1
Cs
RC
R2
RE
CL
Vs
CE
RL
• Analisi in DC – Polarizzazione
Per quanto riguarda la polarizzazione e quindi il punto di lavoro
del BJT, esso è ovviamente il medesimo rispetto a quanto
calcolato per la configurazione a emettitore comune.
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Analisi teorica preliminare
• Analisi in AC – Studio (semplificato) della
configurazione a collettore comune
Anche in questo caso si sostituisce al BJT il suo modello ai piccoli
segnali, considerando le capacità come cortocircuiti.
(Il modello ai piccoli segnali utilizzato è semplificato e trascura la resistenza di
dispersione di base e la ro che tiene conto dell’effetto Early)
Il procedimento di calcolo per la determinazione del guadagno di tensione è
analogo a quello visto per la configurazione CE. E’ sufficiente disegnare
correttamente il circuito ai piccoli segnali
rπ
E
B
Si deriva:
R1// R2
+
+ v Vs
vo
( RE // RL )( β 0 + 1)
π
RE
RL AvCC = v = r + ( R // R )( β + 1)
s
π
E
L
0
vο
C ic=gmvπ
Essendo: rπ << ( RE // RL )( β 0 + 1)
Schema ai piccoli segnali
A
≈1
vCC
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Analisi simulativa della config. CC
Disegnata la rete completa, si imposta un’analisi di tipo AC sweep, per
determinare i diagrammi di Bode della FdT Vo/Vs
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Analisi simulativa della config. CC
Nelle regioni di media frequenza il guadagno è di circa 0 dB, cioè circa unitario
In bassa frequenza incide ancora il condensatore d’accoppiamento Cs
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Accorgimenti operativi
• Per lo svolgimento dell’esercitazione:
- Fare attenzione all’impiego di
condensatori elettrolitici, dei quali è
necessario rispettare la polarità!
- +
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Accorgimenti operativi
• Se dovesse essere necessario per ridurre
l’ampiezza del segnale in ingresso ed evitare
distorsione del segnale d’uscita, introdurre,
prima del condensatore Cs un partitore resistivo,
impiegando le resistenze da 10 Ω e 1 kΩ:
1 kΩ
Vs
Cs
Vi
10 Ω
20
10